基于EDA的多路抢答器设计

1、 指导教师： 班级 ： 学号 ： 姓名 ： 第一部分：EDA技术综述摘要：1.EDA技术的发展历程 EDA技术的发展大致可分为三类：（1）20世纪70年代，在集成电路制作方面，MOS工艺得到广泛的应用。可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工具已经在科研领域得到广泛应用。在70年代后期，CAD的概念已现雏形，这一阶段人们开始利用计算机辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。（2）20世纪80年代，集成电路设计进入了CMOS（互补场效应管）时代，复杂可编程逻辑器件已经进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用，而在80年代末期，出现了FPGA（Field Programma

2、ble Gate Array），CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要角色。特别是各种硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）的出现、应用和标准化方面的重大进步，为EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。（3）进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得了更加广泛的应用，与此同

3、时，电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，也极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成。2.常见的EDA工具软件及相关设计方法和应用展望(1)EDA工具软件EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、PSPICE、multisim7、OrCAD、P

4、CAD、LSIIogic、MicroSim，ISE，modelsim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。（2)相关设计方法a. 前端设计(系统建模RTL 级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模b. IP 复用c. 前端设计d. 系统描述：建立系统的数学模型。e. 功能描述：描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。f. 逻辑设计：将系统功能结构化，通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。g. 仿真：包括功能仿真和时序仿真，主要验证系统功能的正确性及时序特性

5、。（3）应用展望a.EDA技术将广泛用于高校电类专业的实践教学工作中。b.EDA技术将广泛应用于科研工作和新产品的开发中。c.EDA技术将广泛应用于专用集成电路的开发。d.EDA技术将广泛应用于传统机电设备的升级换代和技术改造。EDA技术的主要内容:EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编

6、译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA软件 目前在国内比较流行的EDA 软件工具主要有Altera公司的MAX+plus和Quartus,Lattice公司的Expert LEVER和Synario,Xilinx公司的Foundation和Alliance,Actel公司的Actel Designer等.第二部分：EDA设计实践报告1).多路抢答器2).内容摘要多路抢答器是一种竞赛中常见的仪器，基于数字电子技术，模拟电子技术，和电路等基础专业课的知识，我们做出了供四个选手或代表队用的四路抢答器。四路抢答器的核心元件是数字电

7、子技术中的D触发器、与非，非门、编码器和七段译码器及其显示电路。通过这些基本元件的连接实现锁存和显示的功能。设计的第一个阶段是原理图的设计，在理论学习的基础上我们设计出了理论上能够实现抢答器功能的逻辑电路，所用的器件主要有四D触发器、与非门、非门、优先编码器和七段数码显示管；设计的第二个阶段是用Multisim2001实现电路功能的仿真，这个阶段除了将原理图中的器件转换成Multisim2001软件提供的器件以外还要完成电路的调试、逻辑功能的实现以及仿真结果与理论结果的对比。第三个阶段是用Protel99SE进行电路器件的模拟操作，将原理图中的器件按照Protel99SE提供的模拟器件进行安装

8、。第四个阶段是设计结果分析和总结，这个阶段主要是对前三个阶段的回顾和对结果的分析总结，以及课设的收获和体会。以下是具体要求以及仿真结果演示设计一个智力竞赛抢答器，可同时供4名选手或4个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1S4。 给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管行显示出选手的编号。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。再打开仿真

9、软件，按下F5，在将鼠标点向每一个开关，其仿真的结果如下： “×”表示“0”或“1”。仿真的结果与设计实验的预期结果相同，说明了这套实验的设计是没有错误的，与要求的实验结果相同，则可以差能这实验电路答应出来，制成电路板了。主持人一组二组三组四组灯一灯二灯三灯四显码器0××××不亮不亮不亮不亮011（先）×××亮不亮不亮不亮11×1（先）××不亮亮不亮不亮21××1（先）×不亮不亮亮不亮31×××1（先）不亮不亮不亮亮43).设

10、计内容及要求1. 抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S1S4表示；2.设置一个系统清除和抢答控制开关R，该开关由主持人控制；抢答器具有锁存与显示功能。即选手按按钮，锁存相应的编码，并在LED数码管上显示。先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4).设计方案及系统框图(1). 系统框图抢答按钮编 码电路锁存电路译码电路抢答者号码显示主持人控制按钮控制电路 (2). 设计方案a、 抢答器电路：（如下图）b、数字抢答器操作应完成情况接通电源后，主持人将开关拨到关闭状态（开关接地），抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关置于打开状态（接高电平，即1），宣布&quo

11、t;开始"抢答器工作。选手在开始抢答时，抢答器完成优先判断、编号锁存、编号显示。当抢答者确定后通过反馈使触发脉冲停止对74LS175N的控制以致使其他选手或代表不能再参加抢答。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。5).仿真电路设计完成图Protel图Protel封装图6).仿真调试过程及结果记录(1). 仿真调试过程在设计的抢答器电路原理图的基础上，用仿真软件Multisim2001进行电路仿真，验证设计的电路原理图能否实现所要求的功能。打开仿真软件，在元件库里找到所需要的元件，放到仿真图上，按照设计的原理图进行布线，检

12、查无误后按下F5件，进行仿真测试，打开不同的开关观察结果并记录结果，在与理论的结果进行核对。仿真过程出现的问题有：（1）数码管完全不显示数字（2）小灯不受开关的的控制，始终处于亮灯的状态。（3）74LS175N的逻辑功能和理论上的不一样，无法掌握输入与输出的对应关系。针对以上问题我们对电路原理图进行了改进。原来的原理图中所用的器件基本以集成的元件为主，在调试过程中我们将原来集成的与门、与非以及非门改成了独立的门电路。在调试过程中，我们发现原来使用的电源和脉冲与理论上的相差甚远。于是在Multisim2001软件提供的元件库中选出了和理论上相匹配的电源和元件。电路原理图也做了相应的调整。在原来的

13、模拟仿真电路的基础之上，第二个阶段做出的模拟仿真电路实现了理论所要求的结果即：开始抢答后，主持人的清零开关处于接高电平状态，若开关S1先闭合，数码管显示数字“1”，与其对应的指示灯亮，其他开关的状态不再对电路产生影响；若开关S2先闭合，数码管则显示数字“2”,与其对应的指示灯亮，其他开关状态不再对电路产生影响，以此类推。每一次抢答完成后，主持人都必须进行清零操作，清零后，任何一个选手开关的闭合都不会对电路产生影响，四个指示灯始终处于熄灭状态。(2). 结果记录主持人控制开关选手1（及代表）控制开关选手2（及代表）控制开关选手3（及代表）控制开关选手4（及代表）控制开关LED指示灯LED指示灯L

14、ED指示灯LED指示灯数字显示器显示结果××××熄灭熄灭熄灭熄灭显示最先按开关（输入高电平）×××灯亮熄灭熄灭熄灭显示×最先按开关（输入高电平）××熄灭灯亮熄灭熄灭显示××最先按开关（输入高电平）×熄灭熄灭灯亮熄灭显示×××最先按开关（输入高电平）熄灭熄灭熄灭灯亮显示7).设计结果分析功能一：分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；功能二：禁止其他选手按键操作无效。工作过程：主持人开关置于接地后，74LS

15、175N集成的四D触发器的脉冲处于低电平，抢答器不工作。当主持人控制开关S置于接高电平状态时，抢答器处于工作状态，当有选手将键按下时（如按下S1），74LS175N的输出经门电路输出，1Q=1,LED指示灯灯亮，74LS48D处于工作状态，经译码显示为"1"。同时74LS175N处于禁止状态，确保不会出现二次按键时输入信号会有相应结果，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将开关重新接地后再接高电平，然后再进行下一轮抢答。时序控制电路：时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：主持人将控制开关拨到接高电平时，抢答电路进人正常抢答工作状态；当参赛选手按动抢答

16、键后，抢答电路停止工作；当主持人按下开关接地后，系统清零。显示电路：这部分电路实现的功能是显示最先按键的数字。主要由74LS48D译码器和七段数码显示管组成。通过必要地门电路和74LS48D译码器实现对数字的显示。 部分芯片真值表:74LS175N四-D触发器的集成元件，D触发器的真值表如下表所示:CLKDQQ×××Q00001010111174LS136或非门的真值表为：ABY000011101110四输入与非门74LS20的真值表为：ABCDY111100×××1×0××1××0&

17、#215;1×××0174LS48译码器的真值表如下所示：LTRBIDCBABI/RBOabcdefg01100001111111011X00011011000021X00101110110131X00111111100141X01001011001151X01011101101161X01101001111071X01111111000081X10001111111191X100111110011101X101010001101111X101110011001121X110010100011131X110111001011141X111010001111BIXX

18、XXXX00000000RBI10000000000000LT0XXXXX111111118). 所用元件及仪器：74LS175 一片 74LS136两片 74LS11 两片 74LS20 一片 74LS30一片 74LS48 一片 74LS04 一片BCD七段显示译码器以及开关若干、导线若干指示灯四只9).课程设计的收获、体会和建议 这次的课程设计是我接触的第一次设计性课题，跟以往的那些课程有很大的差异。这门课是一门具有很强的灵活性和综合性的课程，主要考察学生们的思维灵敏度和对问题的分析能力，综合了我们所学的数电、protel技术、电路以及电子等方面的内容。第一次接触这样的课题，确实比以往的那些课多了许多的迷茫，总是感觉好抽象，但是由于是团体一起合