數(shù)字電路紅綠燈課程設(shè)計實驗報告

1、<p>　　《數(shù)字邏輯電路設(shè)計》課程設(shè)計報告</p><p>　　題目：紅綠燈控制器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第 I 條學(xué)習(xí)目的3</p><p>　　節(jié) 1.01設(shè)計起源3</p><p>　　節(jié) 1.02設(shè)計目的3</p>

2、;<p>　　第 II 條設(shè)計任務(wù)書及基本要求3</p><p>　　節(jié) 2.01基本要求3</p><p>　　節(jié) 2.02設(shè)計任務(wù)書4</p><p>　　節(jié) 2.03設(shè)計的一般方法及提示5</p><p>　　第 III 條設(shè)計框圖及整機(jī)概述5</p><p>　　第 IV 條

3、各單元電路的設(shè)計方案及原理說明6</p><p>　　節(jié) 4.01計數(shù)器的連接和置數(shù)6</p><p>　　節(jié) 4.02計數(shù)器的選通和轉(zhuǎn)換處理8</p><p>　　節(jié) 4.03交通燈的連接10</p><p>　　第 V 條調(diào)試過程及結(jié)果分析11</p><p>　　節(jié) 5.01計數(shù)器調(diào)試11&

4、lt;/p><p>　　節(jié) 5.02數(shù)碼管顯示調(diào)試11</p><p>　　節(jié) 5.03數(shù)碼管的連接11</p><p>　　節(jié) 5.04計數(shù)器的選通和轉(zhuǎn)換調(diào)試12</p><p>　　第 VI 條設(shè)計丶安裝及調(diào)試中的體會14</p><p>　　第 VII 條對本次課程設(shè)計的意見及建議15</p

5、><p>　　第 VIII 條附錄16</p><p>　　節(jié) 8.01元器件清單16</p><p>　　節(jié) 8.02整機(jī)邏輯電路圖16</p><p><b>　　學(xué)習(xí)目的</b></p><p><b>　　設(shè)計起源</b></p><p&g

6、t;　　數(shù)字電路發(fā)展到今天，其設(shè)計思想，方法，手段的變化。</p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p>　　1、掌握數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法；</p><p>　　2、能夠熟練地、合理地選用集成電路器件；提高電路布局、布線及檢查和排除故障的能力；</p><p>　　3、培養(yǎng)書寫綜合實驗報告的能力。&l

7、t;/p><p>　　設(shè)計任務(wù)書及基本要求</p><p><b>　　基本要求</b></p><p>　　1、根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，從選擇設(shè)計方案開始，首先按單元電路進(jìn)行設(shè)計，選擇合適的元器件，最后畫出總原理圖。</p><p>　　2、通過仿真、電路調(diào)試，能實現(xiàn)相應(yīng)的計時功能、邏輯功能，直至實現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能。對電路要

8、求布局合理、走線清楚、工作可靠。</p><p>　　3、寫出完整的課程設(shè)計報告，其中包括調(diào)試中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的分析和討論。</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　任務(wù)： 紅綠燈控制器</p><p>　　基本設(shè)計要求： 仿真實現(xiàn)，設(shè)計一個紅綠燈控制器控制器設(shè)計應(yīng)具有以下功能</p>

9、;<p>　?。?）東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮。.</p><p>　?。?）東西方向黃燈亮，南北方向紅燈亮。 </p><p>　?。?）東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮。</p><p>　　(4 ) 東西方向紅燈亮，南北方向黃燈亮。</p><p>　　要求有時間顯示（順數(shù)、逆數(shù)皆可）,一個方向的兩個數(shù)碼管分別顯示紅

10、綠黃燈的時間。時間自定(按學(xué)號：紅燈時間（學(xué)號）=綠燈時間+黃燈時間（≥5）。</p><p>　　給定條件：只能采用實驗室提供的中小規(guī)模電路進(jìn)行設(shè)計。</p><p>　　設(shè)計的一般方法及提示</p><p>　　1．   數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路、脈沖產(chǎn)生電路和電源。</p><

11、p>　　2．        對于復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)，由整體到局部進(jìn)行組合，由局部到整體進(jìn)行設(shè)計。</p><p>　　3．         步驟如下： </p><p>　　A 充分了解設(shè)計要求，明確系統(tǒng)的要求，功能與

12、指標(biāo)。</p><p>　　B 確定總體設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)原理圖，分解系統(tǒng)，確定不同功能方框間的信號的邏輯與時序關(guān)系。</p><p>　　C 畫出單元電路圖并進(jìn)行電路仿真。選擇合適的數(shù)字器件，利用EWB電路仿真軟件進(jìn)行仿真測試。</p><p>　　D 深入分析，測試單元電路，進(jìn)行電路修改，以獲取最佳設(shè)計方案。</p>

13、<p>　　E 連接各單元電路，完成整體設(shè)計。</p><p>　　F 進(jìn)行系統(tǒng)整體仿真。</p><p><b>　　設(shè)計框圖及整機(jī)概述</b></p><p>　　各單元電路的設(shè)計方案及原理說明</p><p><b>　　計數(shù)器的連接和置數(shù)</b></p&g

14、t;<p>　　首先需要連接三個倒數(shù)計數(shù)的計數(shù)器，分別表示紅綠燈的顯示時間．在學(xué)過的計數(shù)器中，可以倒數(shù)計數(shù)比較常用的為74ls190計數(shù)器.，由于我的學(xué)號的尾號是05，所以我令紅燈為55秒，綠燈為50秒，黃燈為5秒，大概結(jié)構(gòu)圖為：</p><p>　　循環(huán)以下操作步驟，讓兩方向路口的紅綠燈交替亮滅：</p><p>　　紅燈55秒 綠燈50秒 黃燈5秒</p&

15、gt;<p><b>　　縱向道路：</b></p><p>　　綠燈 亮 滅 滅</p><p>　　紅燈 滅 滅 亮</p><p>　　黃燈 滅 亮

16、 滅 </p><p><b>　　橫向道路：</b></p><p>　　綠燈 滅 滅 亮 </p><p>　　紅燈 亮 亮 滅</p>

17、<p>　　黃燈 滅 滅 滅</p><p>　　那么，有了以上的基本思路，便可以開始連接計數(shù)器了。使用2片74ls190芯片并行連接成一個100進(jìn)制的倒數(shù)計數(shù)器，可是我們需要的是55進(jìn)制和50進(jìn)制的計數(shù)器，那么就應(yīng)該使用置數(shù)端來對190芯片進(jìn)行置數(shù)處理。根據(jù)開始計數(shù)時，計數(shù)器為99，我們需要的是從54開始，那么我就可以在計數(shù)計數(shù)到

18、99的時候使用置數(shù)端置數(shù)成54，經(jīng)過分析，可以從兩片190的Qd端引出兩條線接與非門后再分別接到兩個計數(shù)器的置數(shù)端，那么計數(shù)器就會一開始從54計數(shù)，倒數(shù)至0后跳到99又被置成54，形成了一個55進(jìn)制，也就顯示時間為55秒的計數(shù)器，同理再用2片190接成一個50進(jìn)制的計數(shù)器，用一片190接成一個5進(jìn)制的計數(shù)器。這樣所有計數(shù)器的連接就連接好了。如下圖所示：</p><p>　　計數(shù)器的選通和轉(zhuǎn)換處理</p>

19、;<p>　　現(xiàn)在我們已經(jīng)有了連接好數(shù)碼管的三個計數(shù)器了?？梢詮纳蠄D看到，我把所有的計數(shù)器的脈沖輸入都用同一個脈沖接上了，那么意味著仿真的時候所有計數(shù)器都將同時計數(shù)，數(shù)碼管必然會顯示亂碼，那么如何讓計數(shù)器有條理的一個接著一個工作呢？</p><p>　　想讓計數(shù)器從紅燈開始，讀完55秒后綠燈開始計數(shù)，50秒后黃燈開始計數(shù)，顯然，我們需要對計數(shù)器進(jìn)行選通處理。于是我又使用了一個74ls160芯片，這個

20、芯片的作用就是對計數(shù)器進(jìn)行選通處理，該工作的時候工作，不該工作的時候停止計數(shù)，否則會使數(shù)碼管顯示亂碼。我們只要三個狀態(tài)，即為紅燈，綠燈，和黃燈，那么我先將160接成一個3進(jìn)制的計數(shù)器，就是在計數(shù)器Qd至Qa輸出為0011時對160進(jìn)行置零處理，這樣計數(shù)器的Qd至Qa就只有0000,0001,0010這三個狀態(tài)。有了三個不同的狀態(tài)，控制選通3個狀態(tài)是很容易的。只要讓0000的時候55進(jìn)制計數(shù)器工作，0001時50進(jìn)制計數(shù)器工作，0010時

21、5進(jìn)制的計數(shù)器工作即可。通過簡單的與門和非門的控制，講00 01 10這三個狀態(tài)和脈沖輸入相與后分別接到相應(yīng)控制得計數(shù)器上完成對應(yīng)的控制。那么問題來了，如何實現(xiàn)三個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換呢？</p><p>　　計數(shù)器之所以能夠計數(shù)，是因為脈沖的作用，來一個脈沖計數(shù)器就計一個數(shù)，那么我們只需要控制計數(shù)器的脈沖端時計數(shù)器計數(shù)即可。</p><p>　　要使每個燈相應(yīng)計數(shù)器計數(shù)完畢后160計數(shù)器轉(zhuǎn)換到

22、下一個狀態(tài)使下一個燈相應(yīng)的計數(shù)器開始計數(shù)，顯然我們需要用到190芯片的進(jìn)位輸出端。2片并行連接的190的計數(shù)器，在0到99的時候，RCO有輸出，且RCO為取反輸出，就是在正常計數(shù)的時候RCO為1，有進(jìn)位的時候RCO為0。紅燈的進(jìn)位端我記為Q1，綠燈進(jìn)位端為Q2，黃燈為Q3?，F(xiàn)在假設(shè)紅燈的計數(shù)器正在進(jìn)行計數(shù)，那么Q1Q2Q2的狀態(tài)為100，當(dāng)紅燈讀完54秒到0時，下一個脈沖到達(dá)時，Q1Q2Q3的狀態(tài)為000，也就是在此時我們需要讓160記

23、一個數(shù)，轉(zhuǎn)移到下一個狀態(tài)。那么100的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到000的狀態(tài)需要形成一個上升的脈沖顯然我們可以使用或非門，Q1Q2Q3為100時也就是正常計數(shù)的時候或非門的輸出為0，Q1Q2Q3為000的時候或非門輸出為1，顯然形成了一個脈沖使得160記了一個數(shù)形成了狀態(tài)的裝換。</p><p><b>　　電路圖如下:</b></p><p><b>　　交通燈的連接&l

24、t;/b></p><p>　　萬事俱備，只欠東風(fēng)。我們只要將每個燈連接上就完成了交通燈的設(shè)計了。把東西南北所需要用到的紅丶綠丶黃燈先調(diào)出來圍成十字路口的樣子。在160QbQa為00狀態(tài)紅燈亮，01綠燈亮，10黃燈亮，前面已經(jīng)對QbQa做了簡單的與門和非門處理調(diào)出了這三個狀態(tài)，只需把這三個狀態(tài)的與門輸出端分別接到相應(yīng)的燈上即可，這樣就完成的十字路口交通燈的設(shè)計。</p><p>&l

25、t;b>　　調(diào)試過程及結(jié)果分析</b></p><p><b>　　計數(shù)器調(diào)試</b></p><p>　　計數(shù)器在連接的過程中，由于計時器在上學(xué)期的仿真中使用次數(shù)頻繁，所以在進(jìn)行計數(shù)器的連接和置數(shù)時并沒有發(fā)現(xiàn)問題，接了小燈和數(shù)碼管來觀察計數(shù)器的顯示情況正常。</p><p><b>　　數(shù)碼管顯示調(diào)試</b&

26、gt;</p><p>　　在連接數(shù)碼管的時候，由于比較簡單，所以除了出現(xiàn)了上一節(jié)所出現(xiàn)的沒有使用或門出現(xiàn)亂碼的問題，沒有發(fā)現(xiàn)其他問題，各個技術(shù)器單獨作用時，數(shù)碼管均能正常計數(shù)。</p><p><b>　　數(shù)碼管的連接</b></p><p>　　現(xiàn)在我們已經(jīng)有了分別為55進(jìn)制，50進(jìn)制，5進(jìn)制的計數(shù)器。我們之所以用單獨的計數(shù)器來分別表示紅綠

27、黃燈的狀態(tài)，這樣方便了我們連接數(shù)碼管。根據(jù)要求，東西和南北電路各使用一個2位的數(shù)碼管，但數(shù)碼管可以分別顯示紅燈，綠燈，黃燈的時間，我們只需要把計數(shù)器的輸出端口QaQbQcQd分別連接在數(shù)碼管的QaQbQcQd接口就可以了。一開始在連接數(shù)碼管的時候出現(xiàn)了一點小問題，就是有多條線同時連接在數(shù)碼管的一個接口時，需要加一個或門，如果不加或門直接連接，會形成線與結(jié)構(gòu)，仿真時計數(shù)器將會顯示亂碼。</p><p>　　連接好的

28、數(shù)碼管如下圖所示：</p><p>　　計數(shù)器的選通和轉(zhuǎn)換調(diào)試</p><p>　　在這一部分的設(shè)計過程中，花費(fèi)的較多的時間，也嘗試了很多不同的方法。</p><p>　　首先要實現(xiàn)交通燈的選通，我最開始想到的是用他們進(jìn)位端來進(jìn)行控制。已知190在00到99的時候RCO有從1到0的跳變，在RCO接一個非門后和脈沖相與接到下一對190的脈沖輸入端，來完成轉(zhuǎn)換。一開始看

29、到RCO為取反輸出，沒有考慮到在不計數(shù)的時候RCO的輸出端為0，而不是1，這樣一開始三個計數(shù)器都不能計數(shù)了，這個方案已失敗告終。</p><p>　　后來第二個方案是想接一個鎖存器，把進(jìn)位輸出的這個跳變保存下來傳給鎖存器。這樣的話就可以將每一對190的高位輸出端接或門然后接非門后連接到觸發(fā)器的的脈沖端，這樣每當(dāng)RCO從00跳到99的時候原本是1到0跳變現(xiàn)在變?yōu)?到1跳變，形成脈沖，使觸發(fā)器完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。于是我就

30、連接了一個4個狀態(tài)的觸發(fā)器如圖：</p><p>　　圖中有4個狀態(tài)00,10,01,11，而我令11的時候接與非門連接到置零端，奇怪的是并不能置零，電路中依然有4個狀態(tài)存在，使得沒有辦法正常的運(yùn)行，于是這個方法又暫時放了一放。</p><p>　　有了上面觸發(fā)器的基礎(chǔ)，很快使我聯(lián)想到了用計數(shù)器來進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換，我們就是需要一個能夠在3個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的裝置，顯然74ls160滿足這個要求，連

31、接3進(jìn)制的74ls160電路后調(diào)試成功，便有了最終的電路。</p><p>　　后來完成后仔細(xì)一想，其實觸發(fā)器也可以不用置零也可以接成3進(jìn)制的觸發(fā)器，同樣可以完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可是置零端為什么不能起作用還并未得到解決。</p><p>　　設(shè)計丶安裝及調(diào)試中的體會</p><p>　　這個設(shè)計的完成我用了三天的時間，主要費(fèi)時間的不是理論設(shè)計方面，而是仿真軟件的使用，因

32、為交通燈的交替亮暗變化規(guī)律已經(jīng)給出，只需使用芯片及門電路完成設(shè)計即可。有些理論設(shè)計好的門電路卻在仿真軟件中找不到，這時就不得不重新改變部分邏輯表達(dá)，將其化為能使用仿真軟件中的門電路仿真的邏輯。主要困難還是在仿真軟件元器件的選取，有時候電路連對了，卻不一定得到正確的結(jié)果，這與門電路類型及門電路時間的延遲等有關(guān)。比如HC和LS電路以及CMOS電路具體有什么不同我并不了解，74ls190芯片就有4種，一開始選錯芯片導(dǎo)致我仿真遇到較大的困難，這

33、學(xué)期我們學(xué)習(xí)了模擬電子線路，這門課使我對電路的內(nèi)部部分有一了解，當(dāng)然只是一些皮毛，希望在日后的學(xué)習(xí)中能夠更加熟悉仿真軟件元器件的選取操作。</p><p>　　我是一個粗心的人，在設(shè)計過程中我的粗心表現(xiàn)的更加突出，首先是列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的時候?qū)⒁粋€“0”錯寫為“1”，導(dǎo)致結(jié)果全錯。第二，就是自以為已經(jīng)設(shè)計好了，但是仿真的時候發(fā)現(xiàn)只有第一次符合規(guī)律，而其它時間卻不在準(zhǔn)確，后來才發(fā)現(xiàn)原來計數(shù)器多了一個狀態(tài)，看到這個結(jié)果，

34、我又一次前功盡棄了，復(fù)雜的電路圖又要重新連接了。這是由于我對細(xì)節(jié)的操控不是很到位所造成的，在數(shù)字電路中，操控好每一個細(xì)節(jié)才是關(guān)鍵。</p><p>　　對本次課程設(shè)計的意見及建議</p><p>　　課程設(shè)計完成的時間有限，由于這學(xué)期課業(yè)也比較繁重，課余時間需要花掉時間完成作業(yè)或者消化一下這學(xué)期新學(xué)習(xí)的知識，課程設(shè)計的占用了比較多的課余時間，由于時間緊迫，就沒有時間去把細(xì)節(jié)部分再想一想，或

35、者再完善電路圖使它更美觀更簡潔，留下的一些問題也沒有得到解決。對課程設(shè)計的一些建議就是安排的時間可以安排在暑假或者寒假上，這樣我們有足夠的時間去分析和操作，當(dāng)然布置的題目也可以稍加難度或著加大設(shè)計量，然后返校后能夠組織同學(xué)們開一次研討會，把自己設(shè)計過程中遇到的問題與大家分享，互相借鑒才會有進(jìn)步，因為完成同一個任務(wù)有很多種不同的方法，如果只局限于自己那一套的話，日后在更加復(fù)雜的電路中有可能就會感到黔驢技窮了，所以互相學(xué)習(xí)是必要的。這樣本來

36、的問題能夠得到解決還能學(xué)到別人設(shè)計的好的方面，取長補(bǔ)短，更有益于我們對電路設(shè)計的提升。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　元器件清單</b></p><p>　　74ls190十塊丶74ls160兩塊丶 脈沖輸入一塊丶電源（5V）一個</p><p>　　74ls