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数字电子技术基础课程设计

2013-10-21 18:23:49 2121

数字电子技术基础课程设计

拔河游戏机

一、 内容摘要：

拔河游戏机是一种用数字信号模拟拔河比赛的实验装置。比赛双方通过控制指示灯的移动方向来模拟绳子被拉向哪一方，当指示灯先到达某一方的终点时，则判该方取胜。

拔河游戏机电路可分为脉冲发生器电路、计数/译码器电路和比赛时间控制电路三大部分。脉冲发生器电路部分采用两个与非门组成的基本RS触发器，经整形后产生脉冲信号。计数/译码器电路部分已CC40193为主体，译码器采用集成芯片CC4514.计数器根据脉冲输入发生变化，CC4514的输出随之发生相应的变化，当脉冲信号移动至Q7或Q9时，将CC4514的输出端锁存。比赛时间控制电路部分以CC40193为主体，当计时器计数到Q3Q2Q1Q0=1001（9）时，即若经过9个时钟信号，比赛双方还不分正负的话，计数器停止计数，置数端 =0，处于预置状态，由于计数器数据端A、B、C、D和输出端Q1、Q2、Q3、Q4对应相连，输入也就是输出，从而使计数器对输入脉冲不起作用。经调试，整机功能效果等各项性能指标均达到本实验要求。

二、 内容及要求

1）设计内容：给定实验设备和主要元器件，按照电路的各部分组合成一个完整的拔河游戏机。

1、拔河游戏机需用9个发光二极管排列成一行，开机后只有中间一个点亮，以此作为拔河的中心线，游戏双方各持一个按键，迅速地、不断地按动产生脉冲，谁按得快，亮点向谁方向移动，每按一次，亮点移动一次。移到任一方终端二极管点亮，这一方就得胜，此时双方按键均无作用，输出保持，只有经复位后才使亮点恢复到中心线。

2、显示器显示胜者的盘数

3.要有比赛时间控制和显示电路，当比赛停止后时间锁定，且必须复位后方可重新比赛。

2）设计要求：

1．比赛双方各自拥有7盏灯，每次只有一盏灯亮。通过点亮的指示灯的位置来判断绳子偏向于哪一方。比赛开始前，点亮的指示灯应位于双方的中点。

2．比赛开始后，无论哪方获胜，均要停止比赛，直到裁判宣布后方可重新比赛。

3．比赛要在规定的时间内决出胜负，否则，由记时电路停止比赛，直到裁判宣布后方可重新开始。

4．要求能显示双方获胜的局数。

三、 比较和选写设计的系统方案,画出系统框图

1）设计步骤：

1、实验电路框图如图1所示。

按键A、B

整形电路

可逆计数器

4-16线译码器

取胜锁定电路

比赛时间控制电路

译码器

比赛时间显示

取胜计数器

译码器

取胜局数显示

计时电路

图1 拔河游戏机线路框图

图1为拔河游戏机整机线路图。

可逆计数器CC40193原始状态输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，由于控制电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。如按动复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。

将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器CC4518的允许控制端EN，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个下降沿使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。

当任意一方胜出，计时电路停止计时；当达到所限制的时间，双方还没分出胜负，计时器停止计时和控制电路。

四、 单元电路设计、参数计算和器件选择

1、编码电路

编码器有二个输入端，四个输出端，要进行加 / 减计数，因此选用

CC40193双时钟二进制同步加 / 减计数器来完成。

3）编码电路：

器件选择：1、＋5V直流电源 2、CC40193 同步递增／递减二进制计数器 1只

2、整形电路

CC40193是可逆计数器，控制加减的CP脉冲分别加至5脚和4脚，此时当电路要求进行加法计数时，减法输入端CPD 必须接高电平；进行减法计数时，加法输入端CPU 也必须接高电平，若直接由A、B键产生的脉冲加到5脚或4脚，那么就有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器不能计数，双方按键均失去作用，拔河比赛不能正常进行。加一整形电路，使A、B二键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每按一次键都有可能进行有效的计数。整形电路由与门CC4081和与非门CC4011实现。

2）整形电路

2、CC4011 与非门 3只

CC4081 与门 1只

电阻 1K 4只

3、译码电路

选用4－16线CC4514译码器。译码器的输出Q0～Q14 分别接15个（或9个）个发光二极管，二极管的负端接地，而正端接译码器；这样，当输出为高电平时发光二极管点亮。

比赛准备，译码器输入为0000，Q0 输出为“1”，中心处二极管首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。

2）译码电路：

器件选择：1、＋5V直流电源 2、译码显示器

4、控制电路

为指示出谁胜谁负，需用一个控制电路。当亮点移到任何一方的终端时，判该方为胜，此时双方的按键均宣告无效。此电路可用异或门CC4030和与非门CC4011来实现。将双方终端二极管的正极接至异或门的两个输入端，当获胜一方为“1”，而另一方则为“0”，异或门输出为“1”，经非门产生低电平“0”，再送到CC40193计数器的置数端，于是计数器停止计数，处于预置状态，由于计数器数据端A、B、C、D和输出端QA、QB、QC、QD对应相连，输入也就是输出，从而使计数器对输入脉冲不起作用。

5、胜负显示

将双方终端二极管正极经非门后的输出分别接到二个CC4518计数器的EN端，CC4518的两组4位BCD码分别接到实验装置的两组译码显示器的A、B、C、D插口处。当一方取胜时，该方终端二极管发亮，产生一个上升沿，使相应的计数器进行加一计数，于是就得到了双方取胜次数的显示，若一位数不够，则进行二位数的级联。胜负显示器的复位用一个开关来控制胜负计数器CC4518的清零端R，使其重新计数。

6、复位

为能进行多次比赛而需要进行复位操作，使亮点返回中心点，可用一个开关控制CC40193的清零端R即可。

注：

1、 CC40193同步递增/递减二进制计数器引脚排列及功能

参照实验七 CC40192。

2、 CC4514 4线－16线译码器引脚排列及功能

A0～A3 — 数据输入端

INH — 输出禁止控制端

LE — 数据锁存控制端

Y0～Y15 — 数据输出端

输入						高电平输出端	输入						高电平输出端
LE	INH	A3	A2	A1	A0	高电平输出端	LE	INH	A3	A2	A1	A0	高电平输出端
1	0	0	0	0	0	YO	1	0	1	0	0	1	Y9
1	0	0	0	0	1	Y1	1	0	1	0	1	0	Y10
1	0	0	0	1	0	Y2	1	0	1	0	1	1	Y11
1	0	0	0	1	1	Y3	1	0	1	1	0	0	Y12
1	0	0	1	0	0	Y4	1	0	1	1	0	1	Y13
1	0	0	1	0	1	Y5	1	0	1	1	1	0	Y14
1	0	0	1	1	0	Y6	1	0	1	1	1	1	Y15
1	0	0	1	1	1	Y7	1	1	×	×	×	×	无
1	0	1	0	0	0	Y8	0	0	×	×	×	×	①

① 输出状态锁定在上一个LE＝“1”时，A0～A3的输入状态

3、 CC4518双十进制同步计数器引脚排列及功能

1CP、2CP — 时钟输入端

1R、2R — 清除端

1EN、2EN — 计数允许控制端

1Q0～1Q3 — 计数器输出端

2Q0～2Q3 — 计数器输出端

输入			输出功能
CP	R	EN	输出功能
↑	0	1	加计数
0	0	↓	加计数
↓	0	×	保持
×	0	↑
↑	0	0
1	0	↓
×	1	×	全部为“0”

五、 画出完整的电路图, 并说明电路的工作原理：

1）工作原理：按动复位键后，可逆计数器复位，输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。同时计时电路开始工作，当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，则该方取胜。由于取胜锁定电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用，同时使计时器停止工作。如按动复位键，亮点又回到中点位置，计时器清零，比赛又可重新开始。如规定时间到，仍没决出胜负，则比赛时间控制电路使可逆计数器的输出状态锁定，同时使计时电路停止工作。

将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个脉冲使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。

2）拔河游戏机基本功能的电路图：（见图2）

图 2 拔河游戏机完整功能的线路图

六、 组装调试的内容：

首先按设计好的电路图把整形电路部分的上半部分接好，然后接至编码电路CC40193双时钟二进制同步加/减计数器的加法输入端Cpu，进而把编码电路部分全部接好。需要注意的是，减法输入端CPD接高电平，再把后面电路接上，接通+5V电源。按下开关按钮A，如果每按两次，亮点会右移一位，如按动复位键，亮点又回到起始中点位置，则说明这部分电路正常，否则不正常。

七、调试电路的方法和技巧：

电路需要按各个部分组装起来，各自测试是否正常后再接到一起进行最后调试和工作，就能提高工作效率，同时也可以把各部分分给不同组员负责，加强小组办事效率和团结力。

八、测试的数据和波形并与计算结果比较分析：无

九、调试中出现的故障、原因及排除方法：

实验中我小组分开中姚柱良负责计时器与显示器部分，其余的部分则由我与卢嘉杰负责，姚柱良在完成负责部分后，我们的部分电路也接好了，但是在调试过程中出现问题，电路不能完成计数及指示灯移位的功能，所以我们就一起研究，在经过三次调试及重接后，终于实验要求的功能并找到是因为CC4081 与门没有短接两输入端导致不能工作的原因。

十、总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：

优点：该电路在满足客户要求的同时，也能增强了各个小部分的组合工作能力，使该游戏机有一定的性价比，电路各部分功能明确，便于研究与分析差错。

缺点：电路稳定性差，不能方便其他功能的加装与改良。

核心及实用价值：三大功能模块：信号整形、加减计数器与显示、时间显示及反馈控制。

提出改进意见和展望：使用PLC或嵌入式系统能更好完成其要求功能，并系统稳定，易于改进，而且能更大、更深入地发挥所学知识。

十一、列出系统所用的元器件清单：

实验设备及元器件

　　1、＋5V直流电源 2、译码显示器

3、逻辑电平开关

4、CC4514 4线－16线译码／分配器 1只

CC40193 同步递增／递减二进制计数器 1只

CC4518 十进制计数器 2只

CC4011 与非门 3只

CC4081 与门 1只

CC4030 异或门 1只

电阻 1K 4只

十二、列出参考文献：

阎石主编：《数字电子技术基础》（第五版）,清华大学电子学教研组编

十三、收获、体会：

该次数字电子技术基础的课程设计是一次运用本学期所学知识与动手能力完成自己所希望功能的机械的好机会，是一次与同学一起合作努力完成一个项目的尝试。这样的实验能加强我对所学数字电子技术的应用，同时这也能增强本人从电路设计、元件需要、元件参数计算、设计功能以及团结组员进行组装的能力，因此印象十分深刻，对于以后生活、工作都有一定的参考与帮助。同时这次试验中所遇到的问题也是以后工作中完成任务时必须要注意的，因为如何更高效、具有更高的性价比是当今社会中更为需要的。