2013北科大自动化数电大作业报告

1、设计题目：两人乒乓游戏机 ,组长： 同组成员： 说明：百分比为每位同学对设计的贡献部分，总和应为 100% 一功能描述：本次我们小组的数电课程设计是一台两人乒乓游戏机， 该游戏机模拟乒乓球 比赛过程，主要实现按比赛规则自动裁判和计分。 （对电路功能有部分改动）1. 乒乓球基本左右移动功能： 共有 12 只发光二级管，两端的两只用来为电 路提供反馈信息（实际情况是看不到的） 。用 0 只发光二极管代表球台。 裁判 按动发球开关， 送出一个单脉冲信号， 靠近该方的第一个发光二极管点亮， 然后 按一定的速度向对方移动，要求移动速度 0.1到 0.5 s2. 基本计数功能： 采用 16进制计数器，能显

2、示数字 0-16，计数达到 16 后计 数器自动清零。3. 击球情况控制计数器功能： 接球方只有当球到达最后一只发光二极管，即 靠近本方的第一只管子点亮时， 才可按动击球开关， 将球击回。 提前击球或未接 住球均判为失分，当未接住来球时，发光二极管熄灭，表示乒乓球出台，对方得 分。此时需要按规则重新发球， 继续比赛。一方击球后， 双方可以较量多个回合， 直到一方失误为止，此时，胜方记分牌自动加一分。比赛进行到一方获得 16 分 时，一局结束，记分牌全部清零。二方案设计：总体设计思路（含电路原理框图） ：根据设计要求， 该电路须设计 3 块电路完成球台驱动、 控制和计分功能。 当 裁判按下启动按

3、钮时，游戏机电路开始运作。系统以 CP 信号作为球台驱动电路 和计数器计分的时钟信号，以 12 个二极管的依次被点亮代表球的移动位置，空 格键控制发球信号；选择开关 S3（按键 1）和 S4（按键 0）分别控制甲乙两人的击球信号。电 路设计总体原理图如下图 1：三个人承担的工作：（一）球台电路设计球台电路通过两个 4 位移位寄存器 74LS194接成一个 12 位的移位寄存器。 具体接法为：将第一片的左移串行输入端 SL 接到第二片的 QA 端，将第二 片的右移串行输入端接到第一片的 QD 端。再将第二片的左移串行输入端 SL 接 到第三片的 QA 端，将第三片的右移串行输入端接到第二片的 Q

4、D 端，然后将第 一片的 B端置 1，同时将剩余的其他几个置位输入端置 0。其功能表如下表 1：表一 74LS194 移位寄存器功能表功能说明：（1）当 RD =0，其他输入端均为任意值，寄存器输出 Q0、Q1、Q2、Q3均为 0。 清除后，置 RD =1。此功能对应于裁判员对系统进行初始化。（2）当 RD =S1=S2=1时，送入任意的 4位二进制数，当下一个上升沿到来时，将 Q0、Q1、Q2、Q3 置成相应的状态。（3）当 RD =1、S1=0、S0=1时，由右移输入端 SR输入二进制码 1000，通过时 钟脉冲 CP 依次右移。此功能对应于乒乓球右移。4）当 RD =1、S1=1、S0=

5、0时，由右移输入端 SR 输入二进制码 0001，通过时钟脉冲 CP 依次左移。此功能对应于乒乓球左移根据设计原理，使用 multisim 绘制并通过仿真的电路图如下：图 2 球台电路电路图二）驱动控制电路设计控制电路的理念就是：通过人为的操作和电路当前的状态的共同作用，使电路按照预期的结果变化到下一个状态。首先，要清楚人为的输入有哪些，我们需要利用的电路本身的状态有哪 些，通过输入信号和从电路中引出的反馈信号，共同作用于当前电路。1. 裁判控制：当裁判开关关闭时，电路锁定，并使相关元件清零。当裁判开 关打开时，球由甲方向乙方移动，电路进入工作状态。2. 球的往返移动的控制：移位寄存器的 12

6、 个输出中只有一个是 1，对应的正 在发光的二极管表示球的位置，其它输出均为 0。当“ 1”由 Q1 运动到 Q10的 时候， Q10输出为 1，同时选手击球，球反向。当输出 Q1和开关 S3同时为 1， 或者输出 Q10和开关 S4同时为 1 时，控制移位寄存器的信号 S0，S1在（ 0,1） 和（ 1,0）之间反转。难点一：由于击球时产生的高电位是顺时脉冲，要使移位寄存器持续右移， 需要 S0电位始终为高电位。 所以利用 JK 触发器，J=K=1，当有一个击球脉冲时， JK触发器反转，可使 S0=Q和 S1=Q保持应有的高低电位不变。3. 甲乙分数控制：己方得分有两种情况，一是对方击球过早

7、，二是对方错过击球时机对方击球过早：当 Q10不是 1的时候， S4输出高电位，则己方得一分。对方错过击球时机： Q11输出为 1 的时候，己方得一分。如果甲方击球过早， 球依旧继续移动， 无法及时显示出甲的错误时间， 所以 当有某一方击球过早时，令 S0=S1=0，移位寄存器停止移位，发光二级管静止， 此时裁判重新发球。难点二 ：如何在某方击球过早时，使电路静止。再次利用 JK触发器，裁判 开关每闭合一次，使 JK触发器清零一次， Q=1，当过早击球脉冲产生时， Q=0， 通过“与门”使 S0和 S1 的输入关闭，均保持零，电路静止。4. 综合：要实现以上的控制，需要的输入信号有：电源开关

8、（按键=Q），裁判 开关（按键 =空格），选手击球开关 S3，S4，移位寄存器输出 Q0，Q1，Q10，Q11， 等四个开关，四个反馈，共 8 个输入。需要的输出信号有：控制移位方向的 S0，S1，JK 触发器的清零端，两个计 分加法器的输入端，等 5 个输出。可以对每个输出都列出真值表，卡诺图进行化简，这样就能实现对整个电路 的控制。但是该方法有明显的局限性：一是，化简的结果只能用“与或非”三种 基本门电路的组合表示， 该方法更适合组合逻辑电路， 往往可以得到最简的电路 图。但是对时序逻辑电路，由于存在 JK 触发器，储能元件，不仅分析起来麻烦， 而且恰当的使用触发器等，有时候会得到更简单，

9、更有效的电路图。二是，对于 本设计，有 8 个输入，卡诺图是画不出来的。 对于较复杂的电路， 该方法不适用。 三是，也是最致命的缺点， 电路图的设计往往不是一次完成的， 需要反复的修改， 调试，再设计。 用真值表化简出的表达式虽然简单， 可是失去了输入信息的原始 组合意义， 就是说虽然输入输出间的电路功能实现了， 但是电路内部单个 “与或 非门”元件的实际意义会有一定程度的丢失。一旦功能错误，不知从何修改，只 能重头再来。 如果后期需要对电路做适当的改进， 就无法直接对内部线路和元件 进行增删， 因为线路和元件并不代表真实的信息关系。 需要对新的真值表， 卡诺 图进行化简，反而会加大工作量。所

10、以，我用的方法是： 像搭积木一样， 一步一步的， 先把简单的框架实现了， 再对细节问题进行改进， 优化。因为没有对电路做任何化简， 每条导线上的电位 都与某个实际的信息对应，每个门电路都代表输入信息与输出信息的真实关系。 对电路中导线和元件的改动， 就等价于对相应的现实信息的直接操作。 实现了电 路中电流与实际的信息流的完整完整模拟。这种方法有一定的优点，对关键的元件添加标签，还可以方便对电路的记忆 和修改。这样的设计方法开始的时候不熟悉， 但时间久了， 能加深对元件功能的 了解和掌握， 对设计出的电路的工作原理也能有很清晰的理解。 缺点也是显而易 见的，因为设计过程没有一定的章法，设计结果受

11、设计者主观因素影响大。图 3 控制电路电路图（三）计分电路设计本电路主要由两片 74LS160 十进制计数器、一个 7409 与非门构成计数器 74LS160 的真值表如下：74LS160是 10进制计数器，要做成 16进制计数器，先要做一个比 16 大的 计时器。这里用两片 74LS160 级联成一个 100 进制计数器，再通过置 0 法实现 16 进制计数。 由计数器 74LS160 的功能表可知，当 RD=LD=EP=ET=1 时工 作状态为计数，此时CLR=LOAD=ENT=ENP=1 。选用 ENP、ENT 作为 74LS160 的计数控制端， 当 ENT=ENP=1 时计数， 当

12、ENT=ENP=0 时计分电路处于保持状 态。RCO 为进位输出端，即当选手计满 16 分时给出报警信号。 计分电 路图如 下：图 4 计分电路电路图（四）总体电路的设计即可得根据上述三个模块电路， 将它们按一定的次序进行组合并通过仿真，到下面的总电路：图 5 整体电路图四总结： 一电路设计中发现的问题？ 如何解决问题的？ 学到的知识或参考文献， 对本 设计及本课程的建议等问题一：如何实现选手击球的冲击脉冲对电路产生持续的控制 ?通过 JK 触发器，可以讲单个脉冲信号变成持续的阶跃信号。问题二： 甲乙在比赛过程中，难免会有一些误操作，如何排除非正常击球对计分的影 响？1. 只有当球向甲运动时（

13、即 S1=1），甲的击球有效，通过与门使 S1和 S3同 时为 1，甲的击球信息有效。2. 当球向乙运动时，甲的击球开关被关闭，对电路不产生任何作用。3. 当甲过早击球时，电路冻结，此时不论甲乙是否再次击球，电路均不做任 何变化。4. 当甲错过击球时机，球已经出界。移位寄存器中数据全部为零，不论甲乙 是否再次击球，都不会有发光二极管再次点亮。问题三： 电路优化前，当甲击球太晚，会因为球出界和甲错过击球时机，而使乙因此 得到 2 分。如果能使裁判每开始一局， 有且只有一个人会得到 1分，就能使电路 更稳定。依旧使用 JK触发器， J=1，K=0，裁判发球后， JK触发器清零， Q=1，当一 方得

14、分时，有一个脉冲信号，使 Q =0，并以此关闭另一方的计分电路。即使再 次输入得分信号，因为 J=1 保持不变，不会使计分的累加器加 1，这样就实现了 每局比赛有且只有一人得分，且只能得一分。问题四：为什么有时候电路反应迟钝？甚至会有错误？本设计中的计数器和 JK 触发器都是时钟信号下降沿触发的。为了使电路及 时做出反应，应该利用非门，使“ 010”脉冲信号变成“ 101”脉冲信号，这样就 能直接接收到下降脉冲，而不是等脉冲上升以后再降下来。问题五：如何实现不同优先级的信号的控制？对优先级最高的信号， 可以在它的输出端和其它低优先级的信号之间接一个 与门，只要它是 0，其它低优先级的信号就不会

15、产生作用。问题六：当电路的运行有错的时候，如何对电路进行调试？ 从输入到输出，信号会经过多个元件，利用示波器仪表，从最先经过的元件 输出端开始观察， 看其能否跟随输入做应有的变化， 如果可以， 再对下一级输出 进行测试。 如果该层级的输出与理想不符， 则问题首先出现在当前被测试的元件 上。二经验：1. 有些集成元件在使用的时候，不能有输入端悬空，对于无用的输入端， 根据需要接 0 或 1，否则该集成元件会无法正常工作。 但是输出端可以闲 置悬空。2. 有时候发光二极管在合适的电压电流下才能正常发光。需要串联电阻。 有更简单的方法是，修改二极管的正常发光电流， 5V 电压源的数字电路 里，将 5

16、mA 的电流改为 20mA 即可。使电路看起来更简洁。3. 元件的输入端可以用一根导线连接，但输出端绝对不能直接连在一根导 线上，否则电路会报错。因为两个输出，如果一高一低的话，是不能作 用在导线上的。要通过或门使其产生共同作用。4. 对于常用的元件，可以放在图纸边缘，用的时候复制粘贴比较方便。不 用总去元件库中找。三不足之处：1.每次发球由裁判控制，且只能是甲发给乙，不符合常理，有违公平性的原 则。有待进一步改进。2.由于元件过多， 电路传输有延迟效应， 有时候过早击球， 不会使电路冻结。发生这种情况的概率约为 5%。但分数记录等其它功能不受任何影响附感悟：通过实验，我提高了逻辑思维能力，使

17、我们在逻辑电路的分析与设计上有了 很大的进步。 加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识， 进一步增进了 对一些常见逻辑器件的了解。 我们通过讨论共同研究， 解决了很多关于数字电路 方面的难题，锻炼了团队合作能力， 增进队友间感情， 也对自己的能力有了更深 的认识。看到题目时就觉得不简单， 等真正开始做的时候， 才体会到比想象中的更难。 但是有队友的相互帮助， 以及大家的共同努力， 最终克服了各种困难， 完成了任 务。增强了对知识的感悟和应用能力， 加深了对设计过程和设计方法的体会和了 解。在整个过程中也收获了很多快乐！团队合作的优势不仅仅是人多力量大，合 作能给每一个成员更大的责任感。 不能让其他队员的辛苦白费， 所以自己的任务 一定要完成。看到队友投入那么多， 做的那么好， 我们对自己负责的部分也会要 求更高。就比如， 队友辛辛苦苦做了