數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計

1、數(shù)字電路課程設(shè)計報告設(shè)計題目：生理刺激反映時間測量儀班級：自動化1304班學(xué)號：130940415姓名：朱可墨東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2014年7月2日第一章 設(shè)計指標1.1 設(shè)計指標（1）受試者可以按“刺激源選擇”鍵選擇刺激信號是光或聲。（2）當受試者按“測試開始”按鍵后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)，“準備”燈亮，其他指示燈滅，顯示器顯示全零。（3）測試儀在“準備”燈亮后的110 s 時間內(nèi)隨機發(fā)出光刺激信號（“測試”燈亮）或聲刺激信號（蜂鳴器響），“準備”燈滅。（4）當刺激信號發(fā)出后測試儀開始計時，直到受試者按下“反應(yīng)”鍵停止計時時。計時單位為0.1 ms。（5）以七段LED數(shù)碼管顯示時間測量值的

2、高3位，最低位測量值進行四舍五入處理（本次不要求），顯示值保持到新的測試開始。（6）受試者的反應(yīng)時間超過 999.5 ms，“溢出”燈亮指示，測試計數(shù)器立即停止計時，“測試”燈滅或蜂鳴器停，“溢出”燈持續(xù)發(fā)光直到下次測試開始。（7）若受試者在刺激信號未發(fā)出前按“反應(yīng)”鍵，“違例”指示燈亮，“準備”燈滅，并禁止刺激信號發(fā)出。1.2硬件環(huán)境測試儀的控制部分以FPGA實現(xiàn)，光刺激信號由發(fā)光二極管產(chǎn)生，生刺激信號由蜂鳴器產(chǎn)生?！皽y試開始”按鍵和“反應(yīng)”按鍵選擇買重建產(chǎn)生脈沖信號，刺激源選擇電平鍵產(chǎn)生電平信號。測量值采用3個七段LED數(shù)碼管顯示，顯示方式由FPGA開發(fā)裝置決定。設(shè)計在ED2開發(fā)板或LP-

3、2900開發(fā)裝置上實現(xiàn)。第二章 系統(tǒng)概述2.1設(shè)計思想由設(shè)計要求可知，生理刺激反應(yīng)時間測試儀的基本功能是隨機產(chǎn)生刺激信號、計時顯示以及對受試者的操作進行邏輯判斷。分析系統(tǒng)功能, 可以設(shè)置生理刺激反應(yīng)測試儀的主要控制信號為開始信號Start、準備信號Ready、隨機信號Random、測試信號Test、反應(yīng)信號Response、測試計數(shù)器溢出信號Oerflow 和違例信號Weili。若選擇上升沿有效的點觸鍵為“測試開始”鍵和“反應(yīng)”鍵, 比如LP2900 開發(fā)裝置上的PS3, PS4 鍵, 則Start , Response為相應(yīng)按鍵產(chǎn)生的正脈沖信號。Ready , Test, Response,

4、 Overflow , Weili 設(shè)置為觸發(fā)器產(chǎn)生的電平信號。系統(tǒng)電路根據(jù)控制功能劃分為刺激信號隨機產(chǎn)生、測試計時、顯示、邏輯控制、時基信號產(chǎn)生這5個模塊。其中隨機信號采用模N （12s）的延時計數(shù)器、模M(10s) 的定時計數(shù)器及相應(yīng)的控制邏輯產(chǎn)生, 測試計數(shù)器采用可預(yù)置、有使能控制的4 級8421BCD 碼十進制加計數(shù)器實現(xiàn)。由于正常測試時間小于1 s, 所以時間計數(shù)值可以不經(jīng)鎖存直接顯示。時基電路是產(chǎn)生定時、延時、計時電路以及顯示掃描電路的時鐘脈沖, 蜂鳴器的發(fā)聲也需要音頻脈沖控制。各脈沖可以根據(jù)所用FPGA 開發(fā)裝置的基準時鐘分頻獲得。2.2可行性論證測試儀的控制部分以FPGA 實現(xiàn)

5、, 光刺激信號由發(fā)光二極管產(chǎn)生、聲刺激信號由蜂鳴器產(chǎn)生?！皽y試開始”按鍵采用SW1鍵、“反應(yīng)”按鍵選擇點觸鍵產(chǎn)生脈沖信號，刺激源選擇采用自鎖鍵產(chǎn)生電平信號。測量值采用4個七段LED 數(shù)碼管顯示，顯示方式由FPGA 開發(fā)裝置決定。設(shè)計隨機脈沖發(fā)生模塊在DE2 開發(fā)板或LP-900開發(fā)裝置上實現(xiàn)。2.3各功能的組成（1）隨機信號產(chǎn)生隨機信號是指控制條件滿足后脈沖出現(xiàn)時間無法確定的信號。如果以一個任意出現(xiàn)的控制電平去選通一個周期性定時出現(xiàn)的脈沖信號, 由于脈沖出現(xiàn)的時間與控制電平有效的時間沒有任何關(guān)聯(lián), 當控制信號有效后, 在定時周期時間范圍內(nèi)會隨機出現(xiàn)選通脈沖。在數(shù)字電路中, 計數(shù)器的溢出信號是循

6、環(huán)定時產(chǎn)生的。比如, 計數(shù)器的模為M、計數(shù)脈沖頻率為1 s, 則計數(shù)器的溢出信號周期為M s, 信號寬度一般為1 s。若用一個電平信號通過邏輯門選通該計數(shù)器的溢出脈沖, 則當控制電平有效后, 邏輯門的輸出在0 M s 之間產(chǎn)生隨機脈沖信號。同樣, 若用電平信號控制一個模為N、初始值為0、計數(shù)脈沖頻率為1 s 的計數(shù)器使能端, 當使能電平有效后, 計數(shù)器產(chǎn)生溢出信號的延時時間為N - 1 N s。（2）DIV8十分頻器由于實驗中需要用到多種頻率的時鐘信號，該系統(tǒng)中的分頻器模塊設(shè)計為一個8級倍率為10的分頻電路，輸出頻率分別為1HZ、10HZ、100HZ、1KHZ、10KHZ、100KHZ、1MH

7、Z、10MHZ 8組占空比為50%的脈沖信號，同時有FPGA來提供。為達到實驗要求，采用十進制計數(shù)器級聯(lián)實現(xiàn)。利用兩片十進制計數(shù)器級聯(lián)，可構(gòu)成百分頻電路。同理，多片十進制計數(shù)器級聯(lián)可構(gòu)成千分頻、萬分頻等。（3）動態(tài)掃描顯示電路動態(tài)掃描顯示控制的關(guān)鍵問題在于產(chǎn)生順序脈沖分時選通各顯示器的公共端，并同步輸出其段控制信號。在本實驗數(shù)字電路中，采用計數(shù)器控制二進制譯碼器產(chǎn)生。采用LP-2900開發(fā)裝置，由于已在FPGA外部設(shè)置了38線譯碼器74138控制顯示器的公陰端，因此只要采用計數(shù)器產(chǎn)生二進制計數(shù)信號控制譯碼器即能實現(xiàn)動態(tài)顯示掃描。在LP-2900上實現(xiàn)4位動態(tài)掃描顯示控制電路，選擇前四位。采用四

8、進制計數(shù)器的輸出控制DE1、DE2，并使DE3始終為0（端口接GND）,則74138輸入碼A以“000”、“001”、“010”、“011”循環(huán)變化，輸出控制C1、C2、C3、C4輪流為低電平，C5、C6始終為高電平，后兩位顯示器滅顯。由于數(shù)據(jù)選擇器的輸出Ni必須在相應(yīng)的Ci有效有效時同步輸出，所以可采用控制產(chǎn)生Ci順序脈沖的計數(shù)器同步控制數(shù)據(jù)選擇器各位的顯示碼，經(jīng)過顯示譯碼輸出七段控制信號Ni,同時選擇該位的小數(shù)點控制信號控制顯示器的dp。（4）測試計時模塊測試計數(shù)器采用可預(yù)置、有使能控制的4 級8421BCD 碼十進制加計數(shù)器實現(xiàn)。由于正常測試時間小于1 s, 所以時間計數(shù)值可以不經(jīng)鎖存直

9、接顯示。生理刺激反應(yīng)測試儀的時間測量為四位十進制數(shù),而顯示值為三位十進制數(shù)，最低位測量值要求進行四舍五入處理。即當最低位計數(shù)值小于5 時, 高三位測量值直接顯示；當最低位計數(shù)值大于4 時，高三位測量值加1 后顯示。數(shù)字電路中實現(xiàn)數(shù)值四舍五入的方法很多。本設(shè)計可以利用計數(shù)器的預(yù)置數(shù)功能，在測量前將測試計數(shù)器的初始值預(yù)置為5。這樣, 測試結(jié)束時的計數(shù)值是實際測量值加5。當最低位測量值大于等于5 時, 必然產(chǎn)生向高位的進位, 實現(xiàn)了測量值的四舍五入功能。除此之外，還想到可能一種比較復(fù)雜的方法來控制，之后的模塊會有論述。（4）邏輯控制電路邏輯控制電路的功能是根據(jù)按鍵信號控制延時、定時電路和測試計數(shù)器,

10、 判斷受試者發(fā)出的反應(yīng)信號Response 是否違例、測試計時是否溢出, 并根據(jù)各信號控制相應(yīng)的指示燈點亮。在生理刺激反應(yīng)測試儀中, 部分控制信號是互相關(guān)聯(lián)的, 比如A 信號使Q 信號置位, B信號使Q 信號復(fù)位。這樣的邏輯關(guān)系可以有很多方法實現(xiàn), 比如利用D 觸發(fā)器的同步觸發(fā)功能和異步復(fù)位功能: A 脈沖的上升沿觸發(fā)D 觸發(fā)器使其輸出Q 置位,B 脈沖的有效電平使D觸發(fā)器立即復(fù)位。信號時序波形示例和參考電路原理如下圖所示。2.4總體工作過程總體工作過程中，邏輯控制電路按控制要求產(chǎn)生各控制信號, 根據(jù)系統(tǒng)工作原理,各信號時序關(guān)系如下:（1）“測試開始”按鍵產(chǎn)生的Star t 負脈沖觸發(fā)read

11、y信號有效, 控制test , Weili, Overflow 無效, 并預(yù)置測試計數(shù)器初值。（2）Ready 信號控制延時計數(shù)器開始計數(shù), 延時時間1 2 s。當延時時間到, Delay 信號有效。Delay 信號等待選通模M 定時計數(shù)器的溢出信號產(chǎn)生隨機脈沖Random, 等待時間為0 M s。這樣, 隨機信號Random比 測試開始!按鍵的作用時間滯后1 M+ 2 s 出現(xiàn)。（3）當隨機脈沖Random 出現(xiàn)后, 觸發(fā)Test 信號有效并控制Ready , Delay 信號無效。Test 信號點亮“測試”燈或控制蜂鳴器鳴響, 并允許測試計數(shù)器開始計時。( 4) 當“反應(yīng)”鍵按下后, 產(chǎn)生

12、Response 負脈沖, 使Test 信號無效, 測試計數(shù)器停止計數(shù)。( 5) 若反應(yīng)時間超過999. 5 s, 測試計數(shù)器產(chǎn)生的溢出脈沖觸發(fā)Overflow 信號有效。Overflow 信號控制測試計數(shù)器停止計數(shù)。( 6) 若Test 信號無效時按下“反應(yīng)”鍵, Response 脈沖觸發(fā)Weili 信號有效, 并控制Ready 信號無效。Weili信號禁止隨機脈沖產(chǎn)生, test 信號始終無效。生理刺激反應(yīng)時間測試儀的總體設(shè)計思想框圖如下圖所示。 生理刺激反應(yīng)時間測試儀設(shè)計思想框圖從下圖也可以簡單明了地看出各個的條件。第三章 單元電路設(shè)計與分析（一）DIV8十分頻器（1）DIV8十分頻器

13、原理圖（如下圖）（2）原理分析7490芯片為模為10的集成計數(shù)器，也就是每一個7490就可得到一個十分頻，將8個十分頻串聯(lián)即可依次得到十分頻，百分頻，千分頻等，又因為儀器可提供10MHz的時鐘頻率，因此可依次得到1MHz、100kHz、10kHz、1kHz、100Hz、10Hz、1Hz、1/10Hz的時鐘信號，以用來為其他模塊提供頻率。（3）元件符號（如下圖）（二）動態(tài)掃描顯示器（1）七段共陰顯示器的元件符號如右圖所示。（2）七段共陰顯示器的編輯文件如下圖所示。（3）動態(tài)掃描顯示器的原理圖如下圖所示。(4)功能原理分析 動態(tài)掃描驅(qū)動電路中所有的顯示器由相同的段信號控制，公共端有效的顯示器將顯示

14、相同的字符。所以，要使各顯示器顯示不同的內(nèi)容，必須控制它們的公共端粉絲輪流有效。每個顯示器只在其公共端為有效電平時根據(jù)段碼信號顯示相應(yīng)的字符，公共端無效時滅顯。圖中D3 D2 D1 D0為第一塊顯示屏所顯示符號的對應(yīng)二進制數(shù)；依次類推，C3 C2 C1 C0為第二塊顯示屏所顯示符號的對應(yīng)二進制數(shù)；B3 B2 B1 B0為第三塊顯示屏所顯示符號的對應(yīng)二進制數(shù)； A3 A2 A1 A0為第四塊顯示屏所顯示符號的對應(yīng)二進制數(shù)。由于每個顯示屏需要每秒導(dǎo)通次數(shù)多于50次時，才會因視覺暫留效果，不會讓人感覺顯示屏在閃爍。因此，四塊顯示屏輪流導(dǎo)通則需要200HZ以上的時鐘脈沖來控制計數(shù)器，本設(shè)計選用的1KH

15、Z的時鐘信號。（5）其元件符號：（三）測試計時器（1）測試計時器原理圖（2）測試計時器原理分析計時器主體部分是由四片級聯(lián)的十進制計數(shù)器組成，該實驗運用了74161計數(shù)器，上面是低位，下面是高位。利用前面控制塊的各種輸出來控制計時器的開始、停止、置數(shù)、清零、溢出等功能分別有一些邏輯門和D觸發(fā)器構(gòu)成。當test有效時，開始計數(shù)當有response觸發(fā)時，計數(shù)器停止計數(shù)。Ready和單片溢出共同控制置零。當然在計數(shù)模塊和前面的控制模塊有連接的模塊。下圖為兩者之間的轉(zhuǎn)換模塊：（3）計數(shù)器模塊及中間的轉(zhuǎn)換模塊元件符號（四）控制邏輯原理圖其元件符號為： 控制模塊在本次操作過程中感覺是最難的一塊，在這邊的設(shè)

16、計上出現(xiàn)了不少的問題，也是比較關(guān)鍵的一塊。我是直接將偽隨機random信號都放在這個模塊里，所以就更加復(fù)雜。雖然我是在之前都列出各個信號的相互限制關(guān)系，并分別列出了每個信號的邏輯關(guān)系，但是在最后整合的過程中還是會出現(xiàn)問題。第四章 電路的組構(gòu)與調(diào)試4.1 遇到的主要問題（1）D觸發(fā)器接高電平，在沒有其他狀態(tài)使其復(fù)位的話，初始狀態(tài)一直為“1”，因此就會在很多地方出錯。（2）計時器的波形無法顯示，改變不了CP信號的持續(xù)時間。（3）ready信號在仿真中無法正常顯示。（4）test信號燈始終無法點亮。 (5)4.2 現(xiàn)象記錄及原因分析 （1）針對第一個現(xiàn)象，就是要讓start接D觸發(fā)器的復(fù)位端，這樣就

17、能保證每個觸發(fā)器的原狀態(tài)都為“0”。 （2）經(jīng)老師提示，CP始終信號只能維持1us，只能通過暫時提高頻率來看計數(shù)器是否是十分頻正常轉(zhuǎn)換，然后再將信號還原。 （3）可能是因為start同時觸發(fā)，但start因為要經(jīng)過與門才使控制ready的D觸發(fā)器有效，期間可能就會有冒險競爭，使其不能同時觸發(fā)。加入一個與門，一段接極高頻cp一直觸發(fā)，另一端接start信號。這樣一旦start為“1”時，即刻出發(fā)ready信號。（4）基礎(chǔ)的的4個74161組成的四位十進制計數(shù)器可以正常運行，但是一旦加入四舍五入和超時清零的功能以后，test信號燈無法再被觸發(fā)，至今未能解決原理。4.3 功能的測試方法、步驟、設(shè)備、

18、記錄的數(shù)據(jù)測量計時器的測試：（1） 沒有response，也沒有溢出，就一直保持，只有跟start有關(guān)，如圖（2） 在test觸發(fā)后，有一個response，就會正常工作，如圖：（3） 在test觸發(fā)前，有一個response，就會違例，如圖：（4） 沒有response，但在計時一個周期后有溢出，就會有overflow，如圖：附加：搶答控制如圖互加反向器，搶答的response信號可以觸發(fā)違例信號，使紅燈L1觸發(fā)。四舍五入將第一個74161改成74160，然后在A，C端加入高電平，B,D端接地，一旦start信號激活74160，對其預(yù)置0101，相當于加上了0.5ms，然后在response按下后信號再次觸發(fā)一次74160的清零，使輸出的字符為四舍五入狀態(tài)。第五章 結(jié)束語首先，參加本次課設(shè)讓我有點小激動，畢竟在平時接觸的多是理論內(nèi)容，實際動手操作的機會相對比較少，同時也能接觸新的事物；我覺得通過本次的實驗，既鞏固我們學(xué)習(xí)的數(shù)電理論知識，又讓這些知識通過實驗聯(lián)系實際，提高同學(xué)們的操作能力，也讓我們從中發(fā)現(xiàn)些問題。通過本次實驗，明顯感覺到理論和實際的一些差別。我在仿真軟件上可以較好運行的數(shù)據(jù)在實際儀器中運行有點誤差。本因此，個人建議