《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程》課件第4章

第4章課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目4.18位數(shù)字搶答器 4.2自動(dòng)電子售票機(jī) 4.3五路呼叫器 4.4汽車尾燈控制器 4.5交通燈控制器 4.6彩燈循環(huán)控制器 4.7數(shù)字鐘 4.8簡(jiǎn)易電子琴

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

(1)利用各種器件設(shè)計(jì)一個(gè)多路智力競(jìng)賽搶答器。

(2)利用DE2教學(xué)開發(fā)板對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)總結(jié)電路設(shè)計(jì)結(jié)果。4.18位數(shù)字搶答器

2)設(shè)計(jì)要求

(1)搶答器同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕S0～S7表示。

(2)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。

(3)搶答器具有鎖存與顯示功能，即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并將優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定(如30

s)。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”S鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)指示燈(建議采用綠色燈)開始短暫的閃爍，持續(xù)的時(shí)間為0.5

s左右。

(5)參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上(七段數(shù)碼管HEX)顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止，此時(shí)指示燈應(yīng)停止閃爍。

(6)如果定時(shí)時(shí)間已到，無(wú)人搶答，本次搶答無(wú)效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00，指示燈應(yīng)亮起(建議采用紅色燈)。

2．設(shè)計(jì)思路

1)學(xué)習(xí)要求

復(fù)習(xí)編碼器、十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器的工作原理，設(shè)計(jì)可預(yù)置時(shí)間的定時(shí)電路分析與時(shí)序控制電路。畫出定時(shí)搶答器的整機(jī)邏輯電路圖，掌握智力搶答器的工作原理及其設(shè)計(jì)方法，對(duì)各種元器件的功能和應(yīng)用有所了解，并能對(duì)其在電路中的作用進(jìn)行分析。例如：構(gòu)建定時(shí)器、優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192。

2)設(shè)計(jì)思路

設(shè)定一條控制總線S控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，高電平有效。設(shè)定一個(gè)清零控制，用于清除上一次搶答的顯示，高電平清零。另設(shè)定一個(gè)自主的計(jì)數(shù)器置數(shù)控制set。由于DE2板上僅提供50

MHz和27

MHz的時(shí)鐘，因此需設(shè)定LPM_counter分頻器來(lái)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，計(jì)數(shù)器主要是通過(guò)兩個(gè)74LS190計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行30

s的倒數(shù)。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用DE2教學(xué)開發(fā)板上的按鍵模擬呼叫源。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

(1)利用各種器件設(shè)計(jì)自動(dòng)電子售票機(jī)。

(2)利用DE2教學(xué)開發(fā)板對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)總結(jié)電路設(shè)計(jì)結(jié)果。4.2自動(dòng)電子售票機(jī)

2)設(shè)計(jì)要求

(1)售賣的票共有3種，每種的單價(jià)用1個(gè)LED顯示。

(2)用3個(gè)按鍵分別代表3種面額的票，按下按鍵就表示選中對(duì)應(yīng)的票。

(3)用1個(gè)按鍵表示購(gòu)買票的數(shù)量，按1次數(shù)量加1。

(4)用3個(gè)按鍵分別代表投入錢幣的面值，共有3種情況：1元、2元、5元，每個(gè)按鍵可以按多次，表示投入此種面值錢幣的數(shù)量。

(5)當(dāng)投入的錢不夠時(shí)，用1個(gè)紅燈亮來(lái)表示，同時(shí)用LED顯示所缺的錢數(shù)額；當(dāng)投入的錢達(dá)到或者超過(guò)所需的金額時(shí)，用1個(gè)綠燈閃爍來(lái)表示，閃爍持續(xù)時(shí)間為0.5

s，同時(shí)用LED顯示應(yīng)找回給用戶的錢數(shù)額。

2．設(shè)計(jì)思路

1)學(xué)習(xí)要求

復(fù)習(xí)鎖存器、全加器、數(shù)值比較器以及十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器的工作原理，分析與設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路。畫出自動(dòng)電子售票機(jī)的整機(jī)邏輯電路圖，掌握自動(dòng)電子售票機(jī)的工作原理及其設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各種元器件的功能和應(yīng)用有所了解，能對(duì)其在電路中的作用進(jìn)行分析。例如：全加器74LS283、數(shù)值比較器74LS85、RS鎖存器74LS279以及十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192。

2)設(shè)計(jì)思路

設(shè)定一個(gè)清零控制，用于清除上一次售票的顯示，高電平清零?？梢杂面i存器鎖存不同種類票的面額。投入錢幣的面值總額可以用全加器累加得到。數(shù)值比較器可以用來(lái)判斷購(gòu)票的錢幣面值總額是否達(dá)到票款的總額。由于DE2板上僅提供50

MHz和27

MHz的時(shí)鐘，因此需設(shè)定lpm_counter分頻器來(lái)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，再結(jié)合計(jì)數(shù)器得到0.5

s的時(shí)間長(zhǎng)度。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一個(gè)五路呼叫器，具體設(shè)計(jì)要求如下:

(1)五個(gè)按鍵模擬五個(gè)呼叫源。

(2)當(dāng)有一個(gè)按鍵按下時(shí)，由數(shù)碼管顯示呼叫源號(hào)碼。

(3)當(dāng)有多個(gè)呼叫同時(shí)發(fā)生時(shí)，用指示燈(建議選用一紅色LED)指明多個(gè)呼叫源在同時(shí)呼叫，并按優(yōu)先級(jí)順序由數(shù)碼管顯示多個(gè)呼叫源號(hào)碼。各呼叫源優(yōu)先級(jí)按序號(hào)遞減，即一號(hào)呼叫源優(yōu)先級(jí)最高，五號(hào)呼叫源優(yōu)先級(jí)最低。4.3五?路?呼?叫?器

2．設(shè)計(jì)思路

本電路設(shè)計(jì)可以考慮如下幾個(gè)方面。

1)呼叫源的輸入

設(shè)計(jì)要求用五個(gè)輸入鍵代替呼叫源。對(duì)于DE2教學(xué)開發(fā)板上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的鍵，它保持原輸入狀態(tài)只是一瞬間。但在優(yōu)先級(jí)判別過(guò)程中必須不斷調(diào)用原輸入狀態(tài)，所以必須將輸入量保存起來(lái)。可以用74LS373來(lái)保存開關(guān)量；也可以由一個(gè)基本RS觸發(fā)器作為輸入信號(hào)寄存器(共五個(gè))，把各路輸入(INX)的信號(hào)一直保存到復(fù)位信號(hào)(Reset)到來(lái)為止，而且可以隨時(shí)插入不同優(yōu)先級(jí)別的呼叫信號(hào)。

2)呼叫源的過(guò)程處理

在本設(shè)計(jì)要求中，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)呼叫源呼叫時(shí)，必須按優(yōu)先順序，先顯示優(yōu)先級(jí)高的呼叫源，后顯示優(yōu)先級(jí)低的呼叫源。在這里可以采用以下兩種方式：

(1)計(jì)數(shù)器掃描的方式，即從一號(hào)呼叫源(優(yōu)先級(jí)最高)開始，對(duì)各個(gè)已經(jīng)保存的輸入量依次進(jìn)行掃描。當(dāng)遇到一個(gè)高電平，即有呼叫源呼叫時(shí)，便對(duì)相應(yīng)的呼叫源進(jìn)行相應(yīng)的編碼、譯碼，送到輸出端口顯示其相應(yīng)的呼叫號(hào)；延時(shí)一定時(shí)間后，再掃描下一個(gè)呼叫源。如果沒(méi)有呼叫，就跳過(guò)該呼叫源，再對(duì)下一個(gè)呼叫源進(jìn)行掃描。所以，所有呼叫源間的顯示不會(huì)間隔太久，就可以有快速的對(duì)應(yīng)顯示。這樣由一號(hào)呼叫源到五號(hào)呼叫源不斷地進(jìn)行循環(huán)掃描，其掃描的個(gè)數(shù)由計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制。即對(duì)五個(gè)呼叫源都掃描一次后，對(duì)計(jì)數(shù)器清零，再進(jìn)行下一次掃描。如此不斷地循環(huán)和顯示呼叫源號(hào)。

(2)自啟動(dòng)方式，即將各個(gè)已經(jīng)輸入處理保存的輸入信號(hào)通過(guò)自反饋邏輯電路的自啟動(dòng)作用，送到各自的下一級(jí)與門，等待選通信號(hào)的到來(lái)，以便輸送到優(yōu)先編碼器。I0～I(xiàn)9的輸入信號(hào)分別編為10個(gè)對(duì)應(yīng)的BCD碼，并且I9的優(yōu)先權(quán)最高，I0的最低，有效地防止其它各路的干擾輸入。選通信號(hào)的產(chǎn)生是由五個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成的。實(shí)際上選通信號(hào)是一個(gè)順序脈沖，由移位寄存器組成的環(huán)形計(jì)數(shù)器在每個(gè)狀態(tài)中只有一個(gè)循環(huán)狀態(tài)。這種方案采用自反饋邏輯電路進(jìn)行自啟動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于不必附加譯碼電路，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

3)輸出處理

按任務(wù)要求和根據(jù)DE2教學(xué)開發(fā)板的硬件設(shè)置，必須將呼叫源信號(hào)編制成對(duì)應(yīng)的BCD碼輸出。輸出的BCD碼經(jīng)DE2教學(xué)開發(fā)板的硬件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)譯碼和顯示。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用DE2教學(xué)開發(fā)板上的按鍵模擬呼叫源。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

利用各種器件設(shè)計(jì)一個(gè)汽車尾燈控制器。4.4汽車尾燈控制器

2)設(shè)計(jì)要求

汽車尾燈控制器的設(shè)計(jì)要求見表4-1。

表4-1尾燈與汽車運(yùn)行狀態(tài)控制表

2．設(shè)計(jì)思路

方案一：用兩塊74LS194雙向移位寄存器和與非門來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案二：控制電路劃分為計(jì)數(shù)輸出模塊和譯碼控制模塊。計(jì)數(shù)輸出模塊是為了產(chǎn)生0000、0001、0010三個(gè)BCD碼，而“0000”經(jīng)過(guò)或非門輸出給LED顯示。譯碼控制模塊利用74LS139二線-四線譯碼器控制尾燈的亮滅與閃爍。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用DE2教學(xué)開發(fā)板上的按鍵模擬呼叫源。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的紅、綠、黃三色信號(hào)交通燈控制電路。4.5交通燈控制器

2)設(shè)計(jì)要求

(1)用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號(hào)燈。主干道為東西向，有紅、綠、黃三個(gè)燈；支干道為南北向，也有紅、綠、黃三個(gè)燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮則給行駛中的車輛有時(shí)間停靠到禁行線之外。

(2)由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道亮綠燈時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈；而支干道允許通行亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈，兩者交替重復(fù)。主干道每次放行50

s，支干道每次放行30

s。

在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要亮5

s的黃燈作為過(guò)渡，以使行駛中的車輛有時(shí)間?？康浇芯€以外。

(3)能實(shí)現(xiàn)正常的即時(shí)顯示功能。用DE2板上的4個(gè)七段數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)顯示器，分別顯示東西、南北方向的紅燈、綠燈、黃燈時(shí)間。

(4)能實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。設(shè)S為特殊狀態(tài)的傳感器信號(hào)，當(dāng)S=1時(shí)，進(jìn)入特殊狀態(tài)；當(dāng)S=0時(shí)，退出特殊狀態(tài)。按S后，能實(shí)現(xiàn)如下特殊狀態(tài)功能：①顯示器閃爍。

②計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并保持原來(lái)的數(shù)據(jù)。

③東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)。

④特殊狀態(tài)結(jié)束后，能繼續(xù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。

(5)能實(shí)現(xiàn)總體清零功能。按下R后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總清零，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。

(6)利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方法設(shè)計(jì)符合以上功能要求的交通燈控制器。用功能仿真的方法驗(yàn)證控制器、計(jì)數(shù)器的功能，并通過(guò)觀察有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)計(jì)是否正確。將程序通過(guò)編譯、仿真和綜合后，下載到相應(yīng)芯片中實(shí)現(xiàn)，最后在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

2．設(shè)計(jì)思路

交通燈控制器的原理框圖如圖4-1所示，包括置數(shù)器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、主控制器模塊、譯碼器模塊和數(shù)據(jù)選擇器模塊幾個(gè)部分。置數(shù)器模塊將交通燈的點(diǎn)亮?xí)r間預(yù)置到置數(shù)器電路中。計(jì)數(shù)器模塊以基準(zhǔn)時(shí)間秒為單位做倒計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)數(shù)值減為零時(shí)即預(yù)置時(shí)間到，主控制器電路改變輸出狀態(tài)，電路進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)。譯碼器模塊將主控電路的當(dāng)前狀態(tài)譯碼為紅、綠、黃三色燈的點(diǎn)亮信號(hào)。其中，核心部分是主控制器模塊。

圖4-1交通燈控制器原理框圖

1)主控制器模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，共有4種狀態(tài)，可以用2位二進(jìn)制碼(S1S0)表示，若將紅、綠、黃燈分別用R、G、Y表示，A、B分別代表主干道的東西向和支干道的南北向，設(shè)主干道綠燈亮的時(shí)間為TA，支干道綠燈亮的時(shí)間為TB，黃燈亮的時(shí)間為TY，則有如圖4-2所示交通燈控制狀態(tài)圖。

圖4-2交通燈控制器狀態(tài)圖

2)譯碼器模塊

譯碼器模塊將主控制器的輸出狀態(tài)(S0S1)譯碼為東西、南北方向6個(gè)交通燈的信號(hào)，“1”表示亮燈，“0”表示滅燈，對(duì)應(yīng)的真值表如表4-2所示。

表4-2交通燈控制器的真值表

3)置數(shù)器模塊

置數(shù)器模塊分為A、B兩個(gè)部分，分別給東西、南北方向的計(jì)數(shù)器A和B提供計(jì)數(shù)時(shí)的初始值，它們都是兩位BCD碼。置數(shù)器A的預(yù)置數(shù)據(jù)如表4-3所示。表4-3置數(shù)器A的預(yù)置數(shù)據(jù)表

4)計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器模塊接收置數(shù)器模塊數(shù)據(jù)后，在秒脈沖作用下進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。若計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)，則重置數(shù)據(jù)后再進(jìn)行減運(yùn)算。計(jì)數(shù)器模塊也由A和B兩部分組成。

計(jì)數(shù)器模塊可以用可預(yù)置十進(jìn)制減計(jì)數(shù)器連接成二位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

5)數(shù)據(jù)選擇器模塊

當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，要求計(jì)時(shí)顯示發(fā)生閃爍，可在計(jì)數(shù)器后面加入二選一的數(shù)據(jù)選擇器或其它器件，用S和CP控制。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用DE2教學(xué)開發(fā)板上的按鍵模擬呼叫源。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

本項(xiàng)目利用各種數(shù)字邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈循環(huán)控制器。

2)設(shè)計(jì)要求

(1)彩燈能夠自動(dòng)循環(huán)點(diǎn)亮。

(2)彩燈循環(huán)顯示且頻率快慢可調(diào)。

(3)該控制電路具有8路以上輸出。4.6彩燈循環(huán)控制器

2．設(shè)計(jì)思路

1)電路組成

該電路由時(shí)鐘、12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4040和3位二進(jìn)制譯碼器74LS138組成。

2)電路原理與實(shí)現(xiàn)

CD4040是12位異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它僅有2個(gè)輸入端，即時(shí)鐘輸入端CP和清零端CR，輸出端為Q1～Q12。當(dāng)清零端CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出全被清零；當(dāng)清零端CR為低電平時(shí)，在CP脈沖的下降沿完成計(jì)數(shù)。

74LS138是3線-8線譯碼器，具有3個(gè)地址輸入端A2、A1、A0和3個(gè)選通端S1、S2、S3以及8個(gè)譯碼器輸出端Y0～Y7。

設(shè)計(jì)分頻電路，輸出頻率為f

=

101

Hz。由CD4040分頻后，高3位Q12、Q11、Q10的輸出分別接在74LSl38譯碼器的A2、A1、A0端。每隔t

=512/f

≈

5

s的時(shí)間，A0變化一次，每隔約10s的時(shí)間A1變化一次，每隔15

s的時(shí)間A2變化一次，從而使其輸出端Y0～Y7驅(qū)動(dòng)的發(fā)光LED順序循環(huán)亮與滅。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuartusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用DE2教學(xué)開發(fā)板上的按鍵模擬呼叫源。

6．項(xiàng)目報(bào)告

在驗(yàn)證結(jié)果正確后，確定方案并繪制電路圖。進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)文檔資料，寫出總結(jié)報(bào)告及心得體會(huì)(本項(xiàng)目中的感受；從本項(xiàng)目中獲得了哪些收獲；本項(xiàng)目的成功之處；本項(xiàng)目中還有待改進(jìn)的地方；下一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該從哪些地方進(jìn)行改進(jìn)；怎樣提高自己的效率和水平等)。

1．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)設(shè)計(jì)任務(wù)

(1)熟練運(yùn)用數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)按要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘。

2)設(shè)計(jì)要求

(1)要求顯示秒、分、時(shí)，顯示格式如圖4-3所示。

(2)可清零、可調(diào)時(shí)。

4.7數(shù)字鐘

圖4-3秒、分、時(shí)顯示格式

2．設(shè)計(jì)思路

1)數(shù)字鐘的基本工作原理

數(shù)字鐘以其顯示時(shí)間的直觀性、走時(shí)準(zhǔn)確性而受到了人們的歡迎并很快走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。作為一種計(jì)時(shí)工具，數(shù)字鐘的基本組成部分離不開計(jì)數(shù)器，可在控制邏輯電路的控制下完成預(yù)定的各項(xiàng)功能。數(shù)字鐘的基本原理方框圖如圖4-4所示。

圖4-4數(shù)字鐘的基本原理框圖

(1)時(shí)基T產(chǎn)生電路：由晶振產(chǎn)生的頻率非常穩(wěn)定的脈沖，經(jīng)整形、穩(wěn)定電路后，產(chǎn)生一個(gè)頻率為1

Hz、非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖。(電信線路部分不用VHDL語(yǔ)言描述。)

(2)控制邏輯電路。產(chǎn)生調(diào)時(shí)、調(diào)分信號(hào)及位選信號(hào)。

調(diào)時(shí)、調(diào)分信號(hào)的產(chǎn)生：由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過(guò)程可知，正常計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器(六十進(jìn)制)計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)脈沖，則秒計(jì)數(shù)器清零，重新開始新一輪的計(jì)數(shù)，而進(jìn)位則作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1?，F(xiàn)在我們把電路稍做變動(dòng)：把秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖和一個(gè)頻率為2

Hz的脈沖信號(hào)同時(shí)接到一個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，而位選信號(hào)則接一個(gè)脈沖按鍵開關(guān)。當(dāng)按鍵開關(guān)不按下去時(shí)(即為0)，數(shù)據(jù)選擇器將秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖送到分計(jì)數(shù)器，此時(shí)，數(shù)字鐘正常工作；當(dāng)按鍵開關(guān)按下去時(shí)(即為1)，數(shù)據(jù)選擇器將另外一個(gè)2

Hz的信號(hào)作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使其計(jì)數(shù)頻率加快，當(dāng)達(dá)到正確時(shí)間時(shí)，松開按鍵開關(guān)，從而達(dá)到調(diào)時(shí)的目的。調(diào)節(jié)小時(shí)的時(shí)間也采用相同的實(shí)現(xiàn)方法。

(3)計(jì)數(shù)顯示電路：由計(jì)數(shù)部分、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器組成，它是時(shí)鐘的關(guān)鍵部分。

計(jì)數(shù)部分：由兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，其中六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可用六進(jìn)制計(jì)數(shù)器和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成；二十四進(jìn)制的小時(shí)計(jì)數(shù)同樣可用六進(jìn)制計(jì)數(shù)器和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到：當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到24時(shí)，“2”和“4”同時(shí)進(jìn)行清零，則可實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)選擇器：84輸入14輸出的多路數(shù)據(jù)選擇器，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)用到了8個(gè)數(shù)碼管(有兩個(gè)用來(lái)產(chǎn)生隔離符號(hào)“—”。)譯碼器：七段譯碼器。譯碼器必須能譯出“—”，由實(shí)驗(yàn)二中的譯碼器真值表可得：

字母F的8421BCD碼為“1111”，譯碼后為“1000111”，如果現(xiàn)在只譯出“—”，即字母F的中間一橫，則譯碼后應(yīng)為“0000001”，這樣在數(shù)碼管上顯示的就為“—”。

2)自頂向下設(shè)計(jì)分割圖

數(shù)字鐘的功能分割圖如圖4-5所示。

圖4-5數(shù)字鐘的功能分割圖

3)自由發(fā)揮部分

由于實(shí)驗(yàn)用FPGA芯片容量有限，所以這一部分只能另外驗(yàn)證。自由發(fā)揮部分可包括：

(1)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。

(2)到點(diǎn)鬧時(shí)電路。

(3)預(yù)置鬧鈴時(shí)間。

3．模擬仿真

使用可編程邏輯器件和QuatrtusⅡ軟件，用原理圖輸入方法進(jìn)行編譯、仿真。

4．下載

模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合DE2教學(xué)開發(fā)板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。

5．項(xiàng)目結(jié)果驗(yàn)證

下載完成后，在DE2教學(xué)開發(fā)板上驗(yàn)證結(jié)果，可以利用