时序比较器课程设计报告

PAGEPAGE26课程设计报告课程名称：电子技术课程设计题目：时序比较器学院：系：专业班级：学号：学生姓名：起讫日期：2013-6-24——2013-7-1指导教师：学院审核（签名）：审核日期：目录第一章技术指标 31.1整体功能要求 31.2系统的结构要求 31.3电气指标 31.4设计条件 4第二章整体电路的设计 42.1设计原理 42.1.1数据处理器的功能 52.1.2控制器的功能 52.1.3显示电路 52.2建立算法流程图 62.2.1算法流程图 62.2.2ASM图 62.3建立处理器的明细表 82.3.1建立明细表的分析 92.3.2寄存器 9一,A寄存器 9二,B寄存器 10三,CNT寄存器 122.3.3比较器 142.3.4数据选择器 162.3.5译码显示电路 182.3.6分频器 222.4控制器设计 232.4.1方案选择 232.4.2求激励函数 232.4.3控制器发出的命令 232.4.4外部发出的命令 242.4.5发光二极管的逻辑表达式 242.4.6画图 242.4.7仿真 262.4.8分析仿真结果 272.4.9结论 28第三章顶层图 283.1分频器图 283.2处理器图 283.3控制器图 293.4整体图 293.4.1整体图 293.4.2仿真图 303.4.3分析仿真结果 313.4.4结论 323.5整体结论 32第四章实验小结 334.1实验小结 334.2心得体会 33第一章技术指标1.1整体功能要求现代工业控制和微机系统中离不开数据处理器。时序比较器是数据处理器的一个部分，它能将输入的8421BCD码存储并进行比较，最终以十进制数显示其大小。时序比较器的功能是，用同一组输入端口分两次送入两组数据，经过比较显示出数值大的一组数据值。1.2系统的结构要求时序比较器的总体结构方框图如图1-1所示。在图1-1中：RESET：开机后按复位键，低电平有效，为整个系统的复位。AJ：当一组数据（X3～X0）设置完毕时，按“确认”键后输入的这组数据有效。Y1：第一组X3～X0数据输入，若第一组为大数，则Y1=1，LED1亮。Y2：第二组X3～X0数据输入，若第二组为大数，则Y2=1，LED2亮。D3～D0：较大数输出端，驱动显示电路显示十进制。1.3电气指标（1）数据输入采用并行送数，系统先后收到两组8421BCD码后比较其大小，将大数输出，用十进制数显示出来。（2）显示时间8S，显示结束电路自动清零，进入初始状态。（3）仅在开机后人工操作RESET开关，使RESET=0整机清零，整机立即进入工作状态；LED1点亮表示允许输入第一组数据Xa。（4）按一次AJ键，表示输入一脉冲信号，Xa被确认后LED2点亮，表示允许输入第二组数据Xb。（5）再按一次AJ键，Xb被确认,电路立即比较大小，输出显示大数。（6）对比较结果：Xa>Xb，Xa=Xb或Xa<Xb,应有LED显示。Xa>Xb时，LED1闪亮；Xa<Xb时,LED2闪亮；Xa=Xb时，两灯交替闪亮。（7）系统设计要求采用ASM图法。1.4设计条件（1）电源条件，直流稳压电源输出+5V。（2）必须采用ASM图法进行设计，否则设计无效。（3）可供选择的元件器件范围如下表1-1所示。表1-1型号名称及功能数量74160十进制计数器3片741944位双向移位寄存器2片74854位比较器1片74157四2选1数据选择器1片7448七段显示译码器1片741614位二进制计数器1片7402四2输入或非门2片74273三输入与非门1片74004二输入与非门3片第二章整体电路的设计2.1设计原理时序比较器是一个小型的数字系统，它包含控制器和受控器两大部分，其原理框图如图2-1所示。图2-1时序比较器原理框图2.1.1数据处理器的功能由框图2-1可以看出，数据处理器的功能是：（1）输入数据进行寄存，比较数据大小，选择比较结果。（2）大数送显示寄存器，通过译码器显示大数。同时比较器将结果送组合电路驱动两只发光二极管。2.1.2控制器的功能由框图2-1可以看出,控制器工作过程为:(1)开机后接收RESET键的复位信号,使控制器处于初始状态。（2）确认按键送来的单脉冲信号使控制器由初始状态进入工作状态。（3）控制器根据自身工作状态来控制数据寄存器，接收输入数据和将寄存器中的数据比较结果显示出来。2.1.3显示电路显示电路二—十进制译码器电路输入数据为二进制码，显示为十进制数。二进制码转换为十进制数的电路，需要加修正电路，列出二—十进制数转换的真值表，找出其修正电路的特点。十进制数转换的真值表，找出其修正电路的特点。其参考电路见“课题十六数字式电缆对线器”中的“二、电路设计提示”。2.2建立算法流程图2.2.1算法流程图根据前面介绍的电气指标,设计条件和设计原理可以得到如下所示的时序比较器的算法流程图2-2：图2-2时序比较器算法流程图2.2.2ASM图1，从算法流程图—>ASM图：原则1：在算法的起始点安排一个状态；如：图2-2图2-2原则2：必须用状态来分开不能同时实现的寄存器传输操作；如：图2-3图2-3原则3：如果判断框中的转移条件受前一个寄存器操作的影响，应在它们之间安排一个状态。如：图2-4图2-42，根据课题分析，RESET信号为外部控制信号，即根据算法流程图可以得到ASM图2-5。图2-5时序比较器ASM图2.3建立处理器的明细表根据ASM图可列出处理器的明细表，如表2-1所示：2.3.1建立明细表的分析首先根据明细表可知，处理器有三个寄存器，即：A寄存器、B寄存器和CNT寄存器；其次处理器有比较器、数据选择器、译码器和振荡器。2.3.2寄存器一,A寄存器1，A寄存器的功能从处理器明细表，可知A寄存器有三个功能：保持、置数和清零。2，讨论,求出其控制命令根据分析A寄存器的功能以及数字电路第六章的学习，我们选取74194芯片作为实现其三个功能寄存器。从74194功能表可知，它有两个功能控制端M1M0，即：功能控制端的功能表如表2-2所示。同时74194芯片清零为异步清零。3,获得电路图（1）芯片设计图（如图2-6）：（2）仿真设计图（如图2-7）：4,分析仿真结果（1）RESET=1,T0=T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3—X0=0110,但是A3—A0=0000；（2）RESET=0,T0=1，T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3—X0=0110,但是A3—A0=0000；（3）RESET=T0=0,T1=1，AJ=0,因为AJ=0，故不可以置数：A3—A0=0000；（4）RESET=T0=T1=0,电路保持，即虽然AJ=1，但是A3—A0=0000；（5）RESET=T0=0，T1=AJ=1，X3—X0=0110，置数成功：A3—A0=0110。5,结论（1）RESET和T0中只要有一个置为1，则系统整体清“0”；（2）T1和AJ中两个都为1时，置数才会成功；反之，保持。（3）通过仿真，该74194能达到所要满足的A寄存器的功能。二,B寄存器1，B寄存器的功能从处理器明细表，可知B寄存器有三个功能：保持、置数和清零。2，讨论,求出其控制命令根据分析B寄存器的功能以及数字电路第六章的学习，我们同样选取74194芯片作为实现其三个功能寄存器。从74194功能表可知，它有两个功能控制端M1M0，即：功能控制端的功能表如表3所示。则M1=M0=SETXb=T2·AJ,CR=RESET+T0。3,获得电路图（1）芯片设计图（如图2-9）：（2）仿真设计图（如图2-10）：4,分析仿真结果（1）RESET=1,T0=T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3～X0=1001,但是A3～A0=0000；（2）RESET=0,T0=1，T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3～X0=1001,但是A3～A0=0000；（3）RESET=T0=0,T1=1，AJ=0,因为AJ=0，故不可以置数：A3～A0=0000；（4）RESET=T0=T1=0,电路保持，即虽然AJ=1，但是A3～A0=0000；（5）RESET=T0=0，T1=AJ=1，X3～X0=1001，置数成功：A3～A0=1001。4,结论（1）RESET和T0中只要有一个置为1，则系统整体清“0”，RESET信号为外部清零，T0信号为系统同步信号；（2）T1和AJ中两个都为1时，置数才会成功；反之，保持。（3）通过仿真，该74194能达到所要满足的B寄存器的功能。三,CNT寄存器1，CNT寄存器的功能从处理器明细表可知,它主要是作为定时器使用。定时长度为：8s,即为M=8的加法计数器。当控制器进入T3状态时，计数器开始计数；当所计的数为“8”时，计数器停止计数并清零返回到初始状态。因此，CNT寄存器的功能有3个：清零、计数和预置零。2，讨论,求出其控制命令根据以上分析CNT寄存器以及数字电路第六章的学习，我们可选用74161芯片来实现它的3个功能。同时74161芯片为异步清零，同步置数。CP=2HZ。即：功能控制端的功能表如表2-3所示:3,获得电路图(1)芯片设计图（如图2-12）：（2）仿真设计图（如图2-13）：4,分析仿真结果（1）RESET=1，T0=T3=0,系统整体清“0”；（2）RESET=0,T0=1,T3=0,系统整体清“0”；（3）RESET=T0=0,T3=1，当16个脉冲（即8S）后，CNT8=1，且CNT8维持1个脉冲；（4）RESET=T0=0,T3=0，74161寄存器不工作，CNT8始终为0。5,结论（1）RESET和T0只要有一个为1，则系统整体清“0”；（2）T3=1,74161工作，周期为8s;反之，T3=0,74161不工作。（3）通过仿真，该74161能达到所要满足的CNT寄存器的功能。2.3.3比较器1，分析根据分析处理器明细表以及数字电路第六章的学习，我们可选用7485芯片来实现Xa,Xb的比较。其（A=B）i=1,（A<B）i=0,（A>B）i=0。2，比较器的功能（1）、A3～A0接A寄存器的Q3～Q0;（2）、B3～B0接B寄存器的Q3～Q0;（3）、输出FA＞B、FA＜B、FA=B；A3～A0=B3～B0，则FA=B=1，FA＞B=FA＜B=0A3～A0＞B3～B0，则FA＞B=1，FA=B=FA＜B=0A3～A0＜B3～B0，则FA＜B=1，FA=B=FA＞B=03,获得电路图（1）芯片设计图（图2-15）：（2）仿真设计图（如图2-16）：4,分析仿真结果（1）RESET=1,TO=AJ=0,T1=T2=0;系统整体清“0”；（2）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=1001，则A3—A0=1001；（3）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3—X0=0101，则B3—B0=0101；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：GG=1,EE=LL=0；表明第一个数大于第二个数；（4）RESET=1,系统整体清“0”；（5）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=0001，则A3—A0=0001；（6）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3—X0=1001，则B3—B0=1001；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：EE=1,GG=LL=0；表明第一个数小于第二个数；（7）RESET=1,系统整体清“0”；（8）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=1001，则A3—A0=1001；（9）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3—X0=1001，则B3—B0=1001；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：GG=1,EE=LL=0；表明第一个数等于第二个数；5,结论（1）数a和数b是并行送入的，分别通过T1和T2控制，但在送数时，AJ=1，否则也不置数；其原理可以见2.3.2A、B寄存器；（2）当送完第二个数，系统立即进行比较。（3）通过仿真，该74161能达到所要满足的CNT寄存器的功能。2.3.4数据选择器1，分析根据题目技术要求选出大数，即从A和B两数中选出大数。可选用二选一数据选择器。由于A和B为四位而二进制数，则选用74157芯片四个二选一数据选择器。2,二选一MUX的地址,控制端和数据端连接从ASM图和处理器明细表可知，输出端输出大数，地址A端连接到FA〈B。分析：当A=FA〈B=1时，选择D1数据输出（Y=B，B为大数）。当A=FA〈B=0时，A〉B，选择D0数据输出（Y=A，A为大数）A=B，选择D0数据输出（Y=A，选A输出）3,二选一MUX的使能端的控制当=1，Y=0时，数据选择器不工作；当=0，Y输出取决于地址A。因此，从ASM图和处理器明细表可知：=当T3=0时，=1，Y=0时，数据选择器不工作；当T3=1时，=0，数据选择器工作。4,获得电路图（1）芯片设计图（如图2-18）：（2）仿真设计图（如图2-19）：4,分析仿真结果（1）RESET=1,TO=AJ=0,T1=T2=T3=0;系统整体清“0”；（2）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=T3=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=0101，则A3—A0=0101；（3）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3—X0=1001，则B3—B0=1001；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：EE=1,GG=LL=0；表明第一个数小于第二个数；但是因为T3=0，所以74157不工作，即Y4—Y1=0000;（4）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0，T3=1;Y4—Y1=1001显示的是大数；（5）RESET=1,系统整体清“0”；（6）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=1001，则A3—A0=1001；（7）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,T3=1，系统给B寄存器置数：X3—X0=0001，则B3—B0=1001；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：GG=1,EE=LL=0；表明第一个数大于第二个数；且Y4—Y1=1001；（8）RESET=1,系统整体清“0”；（9）RESET=T0=0,T1=AJ=1,T2=0,系统给A寄存器置数：X3—X0=0001，则A3—A0=0001；（10）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3—X0=0001，则B3—B0=0001；当给B寄存器置数结束后，立即进行比较：GG=1,EE=LL=0；表明第一个数等于第二个数；且Y4—Y1=0001。5,结论（1）当送完第二个数，系统立即进行比较。当T3=1时，74157工作。（2）通过仿真，该74157能达到所要满足的CNT寄存器的功能。2.3.5译码显示电路1,显示管译码器选择7448芯片（8421BCD码译成a～g的电位信号），显示选择共阴极数码管，如图2-21：8421BCD码译成a～g的电位信号表（如表2-4）：2.3.6分频器实验箱上提供2KHz振荡信号，通过1000分频可获的2Hz振荡信号。电路设计1））芯片设计图（如图2-25）：2））仿真设计图（如图2-26）：分析仿真结果CR=0，系统自动清“0”；CR=1,表示每通过1000分频可以获得2HZ振荡信号。结论通过仿真，该74160能达到所要满足的分频器的功能。2.4控制器设计2.4.1方案选择1,每态一位：控制器中状态寄存器有多种形式，采用每态一位的方法设计控制器。这种设计方法在状态不多的情况下便于设计和调测。控制器采用每态一个D触发器实现，由于ASM图中有四个状态，所以需要4个D触发器。2,数据选择器+寄存器+译码器：控制器中状态寄存器有多种形式，采用数据选择器+寄存器+译码器的方法设计控制器。这种设计方案占用的资源少，但设计和调测相对复杂。通过以上的认真分析和比较本电路决定选择方案一（即：每态一个D触发器），目的在于设计和调测控制器比较容易。2.4.2求激励函数2.4.3控制器发出的命令SETXa=T1·AJ,SETE=T3;SETXb=T2·AJ,SETE=T3;2.4.4外部发出的命令2.4.5发光二极管的逻辑表达式依靠ASM图可以求出二极管的逻辑表达式：2.4.6画图控制电路图：芯片设计图（如图2-28）：仿真设计图（如图2-29）：发光二极管图：（1）芯片设计图（如图2-30）：（2）仿真设计图（如图2-31）：2.4.8分析仿真结果1、分析图（1）RESET=1，T0=1,系统整体清“0”；（2）RESET=0,T0=CNT8=0,LED1=1(亮)，T1=1,T2=T3=0，表明现在可以送第一个数Xa;AJ=0,故GG=1,EE=LL=0，数并没有送进A寄存器，系统一直在等待送数；（3）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，GG=1,EE=LL=0，即将数Xa送入A寄存器，立即LED1=0,LED2=1，表明现在可以送第二个数Xb；（4）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,故GG=1,EE=LL=0，数并没有送进B寄存器，系统一直在等待送数；（5）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，GG=1,EE=LL=0，即将数Xb送入B寄存器；（6）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,立即输出比较结果，T3=1,LED1灯闪亮，LED2=0,表明第一个数大；(7)RESET=0,AJ=0,CNT8=1,T0=1,系统内部自动清“0”，T1=T2=0。（8）循环到（2）。2、分析图（1）RESET=1，T0=1,系统整体清“0”；（2）RESET=0,T0=CNT8=0,LED1=1(亮)，T1=1,T2=T3=0，表明现在可以送第一个数Xa;AJ=0,故LL=1,EE=GG=0，数并没有送进A寄存器，系统一直在等待送数；（3）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，LL=1,EE=GG=0，即将数Xa送入A寄存器，立即LED1=0,LED2=1，表明现在可以送第二个数Xb；（4）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,故LL=1,EE=GG=0，数并没有送进B寄存器，系统一直在等待送数；（5）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，LL=1,EE=GG=0，即将数Xb送入B寄存器；（6）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,立即输出比较结果，T3=1,LED2灯闪亮，LED1=0,表明第二个数大；(7)RESET=0,AJ=0,CNT8=1,T0=1,系统内部自动清“0”，T1=T2=0。（8）循环到（2）。3、分析图（1）RESET=1，T0=1,系统整体清“0”；（2）RESET=0,T0=CNT8=0,LED1=1(亮)，T1=1,T2=T3=0，表明现在可以送第一个数Xa;AJ=0,故EE=1,LL=GG=0，数并没有送进A寄存器，系统一直在等待送数；（3）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，EE=1,LL=GG=0，即将数Xa送入A寄存器，立即LED1=0,LED2=1，表明现在可以送第二个数Xb；（4）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,故EE=1,LL=GG=0，数并没有送进B寄存器，系统一直在等待送数；（5）RESET=T0=CNT8=0，AJ=1，EE=1,LL=GG=0，即将数Xb送入B寄存器；（6）RESET=T0=CNT8=0，AJ=0,立即输出比