数字逻辑与数字系统课程设计报告.pdf

课程设计题目组长猜数字游戏的设计学号网络工程班级 院部计算机与信息工程专业数字逻辑与数字系统课程设计报告数字逻辑与数字系统课程设计报告组员指导教师1.设计一个具有用保存用来进行比较的数据，输入新的数据通过比较器与保存的数据进行比较，用计数器进行计数统计功能课程设计目的的电路。2.通过此次实验加深对所学数电知识的运用。3.锻炼 Multisim 10 的仿真能力和硬件调试能力。课程设计所需环境硬件环境：微型计算机软件环境：Windows XP Multisim 10 1.猜数字游戏由若干个按键、若干个发光二极管。课程设计任务要求2.输入为六位二进制数，与正确值进行比较，判断得出结果。3.如果出现连续 5 次猜错，则红灯亮，表示游戏结束。4.游戏开始时，可以对存储值进行设置。课程设计工作进度计划序号起止日期 工 作 内 容1 5.286.2 课程内容介绍和查找资料设计总体思路，基本原理和框图2 6.36.6 3 6.76.10 单元电路设计分工情况介绍课程内容查找资料分析数字电路所需的芯片对电路进行总设计负责了解各芯片功能负责连接线路搭建仿真电路并进 搭建电路4 6.116.12 行测试，调试电路5 6.136.15 整理文档与总结指导教师签字：年 月 日故障分析并进行改进负责整理文档系（教研室）审核意见：系（教研室）主任签字：年 月 日课程设计任务书目录1 引言 4 2 需求分析 4 2.1.题目 4 2.2.设计要求与目的 4 2.3.设计思想概述 4 2.3.1 器件选择 4 2.3.2 系统分析 5 2.4 运行环境 5 3 概要设计 6 4 详细设计 6 4.1 完成此实验需要的芯片及其功能4.2 实验步骤 8 6 5 调试与操作说明 9 6 课程设计总结与体会 13 7 致谢 13 8 参考文献 14 9 附录 14 1 引言当今社会中，数字时代已经成为一种现实，并且无时无刻不在影响着人们的日常生活，作为数字世道最基本的课程数字电子电路，更无疑具有着基础的作用，而数字电路课程设计便是培养这种能力，掌握这门课程的一种很好的实践，更是对培养学生理论联系实际的实际动手能力，严谨的实验作风有着重要的意义。数字游戏设计作为近年来快速发展的新兴学科，具有前沿性、交叉性等特征，具有其自身的技术要求、艺术特性和创新规律，具有成熟的学科基础和明确的学科定位，已经具备设立独立专业的基本条件。而笔者立足于数字逻辑这门课程的知识体系，力求通过本学科的一些知识对猜数字游戏显示电路进行模拟和作出一些分析改进。希望通过本次设计实践，达到三个目的，一是用已学的知识对猜数字游戏控制电路进行详尽的分析与模拟；二是锻炼自己的动手实践能力；三是在设计进行中进行模块划分，培养我们的模块化设计意识，同时加强团队合作能力。2 需求分析2.1 题目：猜数字游戏的设计2.2 设计要求与目的：猜数字游戏由若干个按键、若干个发光二极管。输入为六位二进制数，用单刀双掷开关来输入，当输入结束后，按确认键进行比较，如果与存储的数字相同则绿灯亮，如果输入比存储值大，则蓝灯亮，如果输入比存储值小，则黄灯亮，可以继续输入数字并验证。如果出现连续 5 次猜错，则红灯亮，表示游戏结束。戏开始时，可以对存储值进行设置分析。2.3 设计思想概述:2.3.1 器件选择 放置 8 个单刀双掷开关：其中 6 个开关既用来送值给寄存器，又同时完成输值猜数功能；再用一个开关来实现上升沿触发完成送数功能；有一个开关也是实现上升沿触发实现计数统计功能，同时此开关通过上升沿的触发将比较器中的比较结果送到存储器中（开关的一次打开就完成一次猜值的输入比较并实现上升沿的触发完成计数）。需对正确数字（也就是存储值、拟定为 48）的存储，所以采用基本寄存器（4 边沿 D 触发器 74LS175D）对数据 48 进行存储；由于是 6 位二进制数，所以需用 2 个基本寄存器进行级联使用。要完成存储数与所猜数的比较判断，所以采用 4 位数值比较器（74LS85N）；同时是 6 位二进制数与 6 位二进制数之间的比较，所以需用 2 个 4位数值比较器进行级联使用。需对所猜值次数的统计，所以采用 4 位二进制同步加法计数器（74161N）来完成计数功能。分别用三个灯泡（蓝绿黄各一个）来显示输值与存储值得大小关系，再用一个红灯泡来判断是否猜错 5 次。（电路中又外加 4 个橙色的灯泡来显示计数时的逐步累加情况）。用一个与门来连接到计数器上 OA 与 OC 的引脚上，来集成数值 5（101）。用一个非门来连接绿灯和计数器上的端，因为一旦绿灯亮表明猜对，计数器就没有必要显示，让其清零，而绿灯不亮通过非门的取反作用就保证了 CLK 端接高电平，具有计数功能。因为猜值的过程中，应按照先猜数计数最后再显示结果的过程，所以在放置一个基本寄存器（4 边沿 D 触发器 74LS175D）在比较器的输出端，这样开关Key=Y 由低电平到高电平就先完成了猜数值的计数，再实现了两值的比较。2.3.2 系统分析用开关 Key=6、5、4、3、2、1 分别存储由高到低存储 6 位二进制数。假如设置存储的数值为 110000，则可能的结果有：表 21 Y 6 5 4 3 2 1 S 灯泡颜色猜字结果说明值未送入寄存器，比较器中A=48，B=0 偏大猜错了值送入寄存器，比较器中A=48，B=48 输值是 56，比较器中 A=56，B=48，计数器加 1，计为 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0-10 1 1 0 0 0 0 0-1 1 1 1 0 0 0 1 蓝灯0-1 1 0 1 0 0 0 1 黄灯偏小猜错了偏大猜错了偏小猜错了偏小输值是 40，比较器中 A=40，B=48，计数器加 1，计为 2 输值是 60，比较器中 A=60，B=48，计数器加 1，计为 3 输值是 20，比较器中 A=20，B=48，计数器加 1，计为 4 输值是 39，比较器中 A=39，B=48，计数器加 1，计为 5 0-1 1 1 1 1 0 0 1 蓝灯0-11 0-10-0 1 0 1 0 0 1 黄灯1 0 0 1 1 1 1 黄灯 猜错了,累计 5次，游戏结束1 1 0 0 0 0 1 绿灯2 猜对了，游戏结输值是 48，比较器中 A=48，束B=48，计数器清零12.4 运行环境软件环境：windows xp Multisim10 硬件环境：微型电脑3 概要设计整个系统包括控制单元、信息处理单元 1、信息处理单元 2、信息处理单元3、存储单元和显示单元五个逻辑部分。控制单元有：开关；信息处理单元 1 有：计数器和非门；信息处理单元 2 有：集成数值比较器和输入猜字的值的开关；信息处理单元 3 有：计数器；存储单元有：集成寄存器和输入存储值的开关；显示单元有：亮不同颜色的灯泡显示、猜字结果大小的显示、游戏结束的显示。图 3-1 系统总设计框图正如图 3-1 系统框图所示，控制单元只执行两项任务：输入存储的数值和输入猜的数值；信息处理单元 1：主要是对输入的次数进行统计；信息处理单元 2：主要是对猜的数值和储存的数值进行比较大小；信息处理单元 3：主要是控制显示单元的灯泡亮和灭，起到监督作用；存储单元：主要是将输入的数值储存起来并将其送到比较器中；显示单元则执行各个部分的显示功能，例如：猜的数值过大，则蓝灯亮，连续五次猜字过后红灯亮了，则表明游戏结束了。4 详细设计该猜数字游戏的设计是利用寄存器存储功能，比较器比较数据，计数器对比较结果进行统计，从而实现猜数字游戏的设计功能。4.1 完成此实验需要的芯片及其功能74161N 同步 4 位二进制加法计数器：CLK 是输入计数脉冲，也就是加到各个触发器的时钟信号端的时钟脉冲，CLR 是清零端；LOAD 是置数控制端；ENP 和 ENT是两个计数器工作状态控制端；A-D 是并行输入数据端；RCO 是进位信号输出端；QA-QD 是计数器状态输出端。如图 4-1 所示：图 4-1 同步加法计数器 74161N 芯片引脚图表 4-1 同步加法计数器 74161N 状态表输 入输 出 ENP ENT CLK A B C D QAn+1 QBn+1 QCn+!QDn+1 CO 0 0 注0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1*a b c d 1 0 1 计数清零置数 保持1 1 0 保持74LS175D 的的寄存器：它在确定的时间（IS）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经寄存后才能获得稳定的显示值。寄存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器，寄存器为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。图 4-2 4 边沿 D 触发器 74LS175D 芯片引脚图如图 4-2 所示，在设计中我们采用了 74LS175,74LS175 是用四个 D 触发器组成的四位寄存器，用以存储 4 位二进制数，在 cp 上升沿到达时 1D4D 端状态被同时到各个触发器中，形成 1Qn+14Qn+1 状态。RD 为异步清零控制端。当 RD=0 时，不需要和 cp 同步，就可以完成寄存器 1Q4Q 清零工作。工作原理：4 边沿 D 触发器 74175，74LS175 的状态表如表 4-2 所示：表 4-2 74LS175 的状态表输 入CLR CTK 1D 2D 3D 4D 0 1 d1 d2 d3 d4 清零=0，异步清零。无论寄存器中原来的内容是什么，只要=0，就立即通过异步输入端将 4 个边沿 D 触发器都复位到 0 状态。送数当 CR=1 时 CLK 上升沿送数。无论寄存器中原来存储的数码是什么，在=1 时，只要送数控制时钟脉冲 CLK 上升沿到来，加在并行数码端输入的数码 d1d4马上就被送入寄存器中，即1Qn+1=d0 输 出1Qn+1 2Qn+1 3Qn+1 4Qn+1 0 0 0 0 d1 d2 d3 d4 注置零送数2Qn+1=d1 CLK 上升沿时刻有效3Qn+1=d2 4Qn+1=d3 B 保持当=1，CLK 上升沿以外时间，寄存器保持内容不变，即各个输出端 Q，Q 的状态与 d无关，都将保持不变。用边沿 D 触发器做寄存器，其 D 端具有很强的抗干扰能力。74LS85N 比较器：比较方法，输出输入之间因果关系分析。从最高位开始比较，依次逐位进行，直到比较出结果为止。若 A3 B3,则 AB,L=1、G=M=0。当 A3=B3 即 G3=1 时，若 A2B2 则 AB,L=1、G=M=0。当 A3=B3、A2=B2 即 G3=G2=1 时，若 A1B1 则 AB,L=1、G=M=0。当 A3=B3、A2=B2、A1=B1 即 G3=G2=G1 时，若 A0B0 则 AB，L1、G=M=0。对 AB 即 L1，上述四种情况是或的逻辑关系 只有当 A3=B3、A2=B2、A1=B1、A0=B0 即 G3=G2=G1=G0=1 时，才会有 A=B即 G=1。显然，对于 A=B 即 G=1，G3、G2、G1、G0 是与的逻辑关系。如果 A 不大于 B 也不等于 B，即 L=G=0 时，则 A 必然小于 B，即 M=1。表 4-3 74LS85N 比较器状态表输入A3 B3 A3B3 A3B2 A2B1 A1B0 A0B AB1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 FA1控制寄存器值的输入，同时让 Key=S 一直为 1 状态，结合用这六个开关向内送入数字与寄存器内的数字进行比较，且用另外一个寄存器存储比较的结果。Key=Y用来控制计数器同时通过控制寄存器来显示比较结果；四个橙色的灯用来统计连续猜错的次数，当出现连续五次猜错时，红灯亮。初始状态：仿真开关闭合，六个单刀双掷固定数 48，Key=S 接低电平时：（A=48，B=0）。图 5-1 初始状态送数：让 Key=S 接高电平 1，此时所猜的正确值 48 送到寄存器，同时传给比较器：（A=48，B=48）。图 5-2 送数第一次猜数：通过开关输值 56（111000），数值完成后让 Key=Y 接高电平，计数器加 1，计数器的值为 1；同时蓝灯亮，表示第一次猜错了。图 5-3 第一次猜数让 Key=Y 接低电平，这就完成了一次输入；同时方便了下一次的输值猜数。第二次猜数：通过开关输值 40（101000），数值完成后让 Key=Y 接高电平，计数器加 1，计数器的值 2；同时黄灯亮，表示第二次也猜错了。图 5-4 第二次猜数让 Key=Y 接低电平，这就完成了一次输入；同时方便了下一次的输值猜数。第三次猜数：通过开关输值 60（111100），数值完成后让 Key=Y 由低电平接高电平，计数器加 1，计数器的值 3；同时蓝灯亮，表示第三次也猜错了。图 5-5 第三次猜数让 Key=Y 接低电平，方便了下一次的输值猜数。第一个分支：第四次猜数：通过开关输值 20（010100），数值完成后让 Key=Y 由低电平接高电平，计数器加 1，计数器的值 4；同时黄灯亮，表示第四次也猜错了。图 5-6 第四次猜数让 Key=Y 接低电平，方便了下一次的输值猜数。第五次猜数：通过开关输值 39（100111），数值完成后让 Key=Y 由低电平接高电平，计数器加 1，计数器的值 5；同时黄灯亮，此时红灯亮，表示第五次也猜错了，游戏结束。图 5-7 第五次猜数第二个分支：第六次猜数：通过开关输值 48（110000），数值完成后让 Key=Y 由低电平接高电平，计数器加 1，计数器的值 4；此时绿灯亮，表示猜对了，表明游戏结束。图 5-8 第六次猜数6 课程设计总结与体会通过两周来的课程设计实践，主要有以下几点总结和体会；这次设计是通过查阅各种资料、与同学讨论以及独立思考设计出来的。在设计过程中，用到了本学期所学过的移位寄存器 74175N、二进制同步加法计数器 74161N 和比较器74Ls85N。因此，对它们的功能和运用有了更深一步的了解。同时通过 Multisim 软件对电路进行模拟仿真，从而使设计结果得到了验证。通过这次课程设计环节，了解到模拟电路和数字电路之间的联系，对单元功能电路的理解和运用能力有了一定的提高。将理论与实践相结合，知识的价值才会真正体现出来。但将所学的知识合理有效的应用于实践中，是很艰难的。但是面对困难我们需要勇气和执着。如果缺乏勇气不能在挫折面前我们便会不知所措，不愿有所作为，这样是不会有进展的。一开始接触这样综合性的电路实验，心里很没底，不知从何处着手。但是通过指导老师的指点和查阅一些资料便能渐渐理清思路。另外还想提一下的就是 Multisim 的使用，开始的时候对 Multisim 很不熟悉，但是摸索一段时间，我们还是能用用它来进行仿真设计的。当然要进行一项比较复杂的实践时，光有勇气还是不够的，更加需要执着地付出。我们组这次的前期设计过程是这样的：先是看懂范例，然后是设计自己的电路，最后仿真调试。这三个环节我们都花费了不少时间。这次的课程设计主要是关于数字电路的知识，譬如寄存器 74175N 的原理，计数器对连续五次猜错的计数，模式开关电路的设计，各种芯片（74175N、74161N、74LS85N）的结构与功能等。这时需要静下心来复习，把电路的各个部分原理弄清楚。在查到的诸多设计电路图中基本的模块大同小异，通过对这些电路图的比较和分析。在实验过程中，我们做了很多的改进，由原来的 13 个控制开关减少到 8 个控制开关，增加了寄存器。这让我们深刻认识到了完成一个设计可以有很多方法，我们将繁杂的设计不断地改进，最后设计了一个比较简单的，我们较为满意的电路。7 致谢感谢张永定老师对我们组课程设计的耐心指导。我们组的课程设计是猜数字游戏，是一个很综合的课程设计。用到了寄存器、计数器、比较器。这当中我们只是在书本中看到过，知道基本原理。但是在真正实践的过程中就不知所措了，真正的实物与书中的不一样。在我们最手足无措的时候老师给了我们很大的帮助，给了我们很多的建议。比如存六位的二进制数可以用寄存器，比较两个数大小可以用比较器，用计数器记录输入数字的次数等等。我们的疑问老师都耐心的解答。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”光知道理论知识是不够的，我们在实践过程中张永定老师给了我们非常大的帮助。非常感谢张永定老师！8 参考文献1 康光华编著数字电路与设计基础M.北京：高等教育出版社,2009.2 王连英编著基于 MUltisim 10 的电子仿真实验与设计M.北京：北京邮电大学出版社,2010.3 余孟尝编著数字电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社,2006.9 附录寄存器（74175N）：3 个比较器（74LS85N）：2 个同步二进制加法计数器（74161N）：1 个评语：评阅教师签名：年 月 日成 绩