數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計例子.ppt

選做一到二題 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計問題 數(shù)字鐘實驗 設(shè)計要求 設(shè)計一個能進行時 分 秒計時的十二小時制或二十四小時制的數(shù)字鐘 并具有定時與鬧鐘功能 能在設(shè)定的時間發(fā)出鬧鈴音 能非常方便地對小時 分鐘和秒進行手動調(diào)節(jié)以校準(zhǔn)時間 每逢整點 產(chǎn)生報時音報時 設(shè)計提示 主控電路計數(shù)器模塊掃描顯示 主控電路 A B 模式選擇 AB 00為模式0 計時狀態(tài) AB 01為模式1 手動校時狀態(tài) AB 10為模式2 鬧鐘設(shè)置狀態(tài) Turn turn 0時 在手動校對時 選擇調(diào)整分鐘部分 turn 1時 在手動校對時 選擇調(diào)整小時部分 Change 在手動校時或鬧鐘設(shè)置模式下 每按一次 計數(shù)器加1 Reset reset 0時 整個系統(tǒng)復(fù)位 reset 1時 系統(tǒng)計時或其它特殊功能操作 Reset1 reset1 0時 關(guān)閉鬧鈴信號 reset1 1時 可對鬧鈴進行設(shè)置 狀態(tài)顯示信號 發(fā)光管 LD alert 指示是否設(shè)置了鬧鈴功能 LD h 指示當(dāng)前調(diào)整的是小時信號 LD m 指示當(dāng)前調(diào)整的是分鐘信號 拔河游戲機 設(shè)計要求 設(shè)計一個能進行拔河游戲的電路 電路使用15個 或9個 發(fā)光二極管表示拔河的 電子繩 開機后只有中間一個發(fā)亮 此即拔河的中心點 游戲雙方各持一個按鈕 迅速地 不斷地按動 產(chǎn)生脈沖 誰按得快 亮點就向誰的方向移動 每按一次 亮點移動一次 亮點移到任一方終端二極管時 這一方就獲勝 此時雙方按鈕均無作用 輸出保持 只有復(fù)位后才使亮點恢復(fù)到中心 由裁判下達比賽開始命令后 甲乙雙方才能輸入信號 否則 輸入信號無效 用數(shù)碼管顯示獲勝者的盤數(shù) 每次比賽結(jié)束自動給獲勝方加分 設(shè)計提示 加 減計數(shù)器譯碼器得分計數(shù)顯示電路 數(shù)字式競賽搶答器 設(shè)計要求 設(shè)計一個可容納四組參賽的數(shù)字式搶答器 每組設(shè)一個按鈕供搶答使用 搶答器具有第一信號鑒別和鎖存功能 使除第一搶答者外的按鈕不起作用 設(shè)置一個主持人 復(fù)位 按鈕 主持人復(fù)位后 開始搶答 第一信號鑒別鎖存電路得到信號后 用指示燈顯示搶答組別 揚聲器發(fā)出 秒的音響 設(shè)置犯規(guī)電路 對提前搶答和超時答題 例如3分鐘 的組別鳴笛示警 并由組別顯示電路顯示出犯規(guī)組別 設(shè)置一個計分電路 每組開始預(yù)置 分 由主持人記分 答對一次加 分 答錯一次減 分 設(shè)計提示 鑒別鎖存模塊答題計時模塊計分電路模塊掃描顯示模塊 1 此模塊的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者并將其鎖存 實現(xiàn)的方法可使用觸發(fā)器或鎖存器 在得到第一信號后將輸入封鎖 使其它組的搶答信號無效 2 形成第一搶答信號后 用編碼 譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示第一搶答者的組別 控制揚聲器發(fā)出音響 并啟動答題計時電路 鑒別鎖存模塊 洗衣機控制器 設(shè)計要求 設(shè)計一個洗衣機洗滌程序控制器 控制洗衣機的電機作如下規(guī)律運轉(zhuǎn) 用兩位數(shù)碼管預(yù)置洗滌時間 分鐘數(shù) 洗滌過程在送入預(yù)置時間后開始運轉(zhuǎn) 洗滌中按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示 用LED表示電機的正 反轉(zhuǎn) 如果定時時間到 則停機并發(fā)出音響信號 設(shè)計提示 洗滌預(yù)置時間編碼模塊減法計數(shù)顯示時序電路譯碼驅(qū)動模塊 數(shù)字頻率表 設(shè)計要求 1 設(shè)計一個能測量方波信號頻率的頻率計 測量結(jié)果用十進制數(shù)顯示 2 測量的頻率范圍是1 10KHz 分成兩個頻段 即1 999Hz 1KHz 10KHz 用三位數(shù)碼管顯示測量頻率 用LED顯示表示單位 如亮綠燈表示Hz 亮紅燈表示KHz 3 具有自動校驗和測量兩種功能 即能用標(biāo)準(zhǔn)時鐘校驗測量精度 4 具有超量程報警功能 在超出目前量程檔的測量范圍時 發(fā)出燈光和音響信號 設(shè)計提示 脈沖信號的頻率就是在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù) 其表達式為f N T f為被測信號的頻率 N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù) T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間 所以 在1秒時間內(nèi)計數(shù)器所記錄的結(jié)果 就是被測信號的頻率 測量 校驗選擇模塊 計數(shù)器模塊送存選擇報警模塊鎖存模塊掃描顯示模塊 測量 校驗選擇模塊 輸入信號 選擇信號selet被測信號meas測試信號test輸出信號 CP1當(dāng)selet 0時 為測量狀態(tài) CP1 meas 當(dāng)selet 1時 為校驗狀態(tài) CP1 test 校驗與測量共用一個電路 只是被測信號CP1不同而已 設(shè)置1秒定時信號 周期為2秒 在1秒定時時間內(nèi)的所有被測信號送計數(shù)器輸入端 計數(shù)器對CP1信號進行計數(shù) 在1秒定時結(jié)束后 將計數(shù)器結(jié)果送鎖存器鎖存 同時將計數(shù)器清零 為下一次采樣測量做好準(zhǔn)備 設(shè)置量程檔控制開關(guān)K 單位顯示信號Y 當(dāng)K 0時 為1 999Hz量程檔 數(shù)碼管顯示的數(shù)值為被測信號頻率值 Y顯示綠色 即單位為Hz 當(dāng)K 1時 為1KHz 10KHz量程檔 被測信號頻率值為數(shù)碼管顯示的數(shù)值乘1000 Y顯示紅色 即單位為KHz 設(shè)置超出量程檔測量范圍示警信號alert 計數(shù)器由四級十進制計數(shù)構(gòu)成 帶進位C 若被測信號頻率小于1KHz K 0 則計數(shù)器只進行三級十進制計數(shù) 最大顯示值為999 Hz 如果被測信號頻率超過此范圍 示警信號驅(qū)動燈光 揚聲器報警 若被測信號為1KHz 10KHz K 1 計數(shù)器進行四位十進制計數(shù) 取高三位顯示 最大顯示值為9 99KHz 如果被測信號頻率超過此范圍 報警 電子密碼鎖 設(shè)計要求 設(shè)計一個電子密碼鎖 在鎖開的狀態(tài)下輸入密碼 密碼共4位 用數(shù)據(jù)開關(guān)K1 K10分別代表數(shù)字1 2 9 0 輸入的密碼用數(shù)碼管顯示 最后輸入的密碼顯示在最右邊的數(shù)碼管上 即每輸入一位數(shù) 密碼在數(shù)碼管上的顯示左移一位 可刪除輸入的數(shù)字 刪除的是最后輸入的數(shù)字 每刪除一位 密碼在數(shù)碼管的顯示右移一位 并在左邊空出的位上補充 0 用一位輸出電平的狀態(tài)代表鎖的開閉狀態(tài) 為保證密碼鎖主人能打開密碼鎖 設(shè)置一個萬能密碼 在主人忘記密碼時使用 設(shè)計提示 密碼輸入刪除控制模塊寄存模塊比較模塊掃描顯示模塊 脈沖按鍵電話按鍵顯示器 設(shè)計要求 設(shè)計一個具有7位顯示的電話按鍵顯示器 顯示器應(yīng)能正確反映按鍵數(shù)字 顯示器顯示從低位向高位前移 逐位顯示按鍵數(shù)字 最低位為當(dāng)前顯示位 七位數(shù)字輸入完畢后 電話接通 揚聲器發(fā)出 嘟 嘟 接通聲響 直到有接聽信號輸入 若一直沒有接聽 10秒鐘后 自動掛斷 顯示器清除顯示 揚聲器停止 直到有新號碼輸入 設(shè)計提示 號碼輸入顯示控制模塊主控制模塊掃描顯示模塊 乒乓球比賽游戲機 任務(wù)與要求 設(shè)計一個由甲 乙雙方參賽 有裁判的3人乒乓球游戲機 用8個 或更多個 LED排成一條直線 以中點為界 兩邊各代表參賽雙方的位置 其中一只點亮的LED指示球的當(dāng)前位置 點亮的LED依此從左到右 或從右到左 其移動的速度應(yīng)能調(diào)節(jié) 當(dāng) 球 點亮的那只LED 運動到某方的最后一位時 參賽者應(yīng)能果斷地按下位于自己一方的按鈕開關(guān) 即表示啟動球拍擊球 若擊中 則球向相反方向移動 若未擊中 則對方得1分 一方得分時 電路自動響鈴3秒 這期間發(fā)球無效 等鈴聲停止后方能繼續(xù)比賽 設(shè)置自動記分電路 甲 乙雙方各用2位數(shù)碼管進行記分顯示 每計滿21分為1局 甲 乙雙方各設(shè)一個發(fā)光二極管 表示擁有發(fā)球權(quán) 每隔5次自動交換發(fā)球權(quán) 擁有發(fā)球權(quán)的一方發(fā)球才有效 設(shè)計思路 用雙向移位寄存器的輸出端控制LED顯示來模擬乒乓球運動的軌跡 先點亮位于某一方的第1個LED 由擊球者通過按鈕輸入開關(guān)信號 實現(xiàn)移位方向的控制 也可用計數(shù)譯碼方式實現(xiàn)乒乓球運動軌跡的模擬 如利用加 減計數(shù)器的2個時鐘信號實現(xiàn)甲 乙雙方的擊球 由表示球拍的按鈕產(chǎn)生計數(shù)時鐘 計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)譯碼驅(qū)動LED發(fā)亮 任何時刻都保持一個LED發(fā)亮 若發(fā)亮的LED運動到對方的終點 但對方未能及時輸入信號使其向相反方向移動 即失去1分 控制電路決定整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動作 必須嚴(yán)格掌握各信號之間的關(guān)系 交通信號燈控制器 任務(wù)與要求 設(shè)計一個交通信號燈控制器 由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口 在每個入口處設(shè)置紅 綠 黃三色信號燈 紅燈亮禁止通行 綠燈亮允許通行 黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停在禁行線外 用紅 綠 黃發(fā)光二極管作信號燈 用傳感器或邏輯開關(guān)作檢測車輛是否到來的信號 主干道處于常允許通行的狀態(tài) 支干道有車來時才允許通行 主干道亮綠燈時 支干道亮紅燈 支干道亮綠燈時 主干道亮紅燈 主 支干道均有車時 兩者交替允許通行 主干道每次放行45秒 支干道每次放行25秒 設(shè)立45秒 25秒計時 顯示電路 在每次由綠燈亮到紅燈亮的轉(zhuǎn)換過程中 要亮5秒黃燈作為過渡 使行駛中的車輛有時間停到禁行線外 設(shè)立5秒計時 顯示電路 設(shè)計思路 主 支干道用傳感器檢測車輛到來情況 實驗電路用邏輯開關(guān)代替 45秒 25秒 5秒定時信號可用順計時 也可用倒計時 計時起始信號由主控電路給出 定時結(jié)束信號也輸入到主控電路 由主控電路啟 閉三色信號燈或啟動另一計時電路 設(shè)計思路 主控電路是核心 這是一個時序電路 其輸入信號為 1 車輛檢測信號 A B 2 45秒 25秒 5秒定時信號 C D E 其狀態(tài)表為 狀態(tài)主干道支干道時間0綠燈亮 允許通行紅燈亮 禁止通行45秒1黃燈亮 停車紅燈亮 禁止通行5秒2紅燈亮 禁止通行綠燈亮 允許通行25秒3紅燈亮 禁止通行黃燈亮 停車5秒 具體設(shè)計 時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生1HZ系統(tǒng)時鐘 主控電路由兩個JK觸發(fā)器和邏輯門構(gòu)成 其輸出經(jīng)譯碼后 控制主干道三色燈R G Y和支干道三色燈r g y 三個定時器分別產(chǎn)生45秒 25秒 5秒定時信號 電路都是計數(shù)器 并受主控電路和來自主 支干道車輛信號控制 每當(dāng)計滿所需時間 即向主控電路輸出 時間到 信號 并使計數(shù)器清零 設(shè) A 主干道車輛情況 有車為 1 無車為 0 B 支干道車輛情況 有車為 1 無車為 0 C 45秒定時信號 45秒定時已到為 1 45秒定時未到為 0 D 25秒定時信號 25秒定時已到為 1 25秒定時未到為 0 E 5秒定時信號 5秒定時已到為 1 5秒定時未到為 0 S0 S1 S2 S3 BAC 0 BAC 1 E 0 E 1 BAD 1 BAD 0 E 0 E 1 狀態(tài)編碼 S0 00S1 01S2 11S3 10若選JK觸發(fā)器 其輸出為Q2Q1則狀態(tài)表為 ABCDEQ2nQ1nQ2n 1Q1n 1x0 xxx0000110 xx000001xxx0001111xx0001xxxx00101xxxx1011111x0 x111101xxx1111x0 xxx1110 xxxx01010 xxxxx1000 維持S045秒定時 由S0 S1 維持S1 由S1 S2 維持S2 由S2 S3 維持S3 由S3 S0 5秒定時 25秒定時 5秒定時 從狀態(tài)表得狀態(tài)方程得觸發(fā)器驅(qū)動方程 45S 25S 5S定時器CP脈沖驅(qū)動方程 則主控電路和各定時電路如圖1 5 3所示 計數(shù)器驅(qū)動脈沖如圖1 5 4所示 譯碼驅(qū)動電路真值表 譯碼驅(qū)動電路如圖1 5 5所示 此例也可以完全由VerilogHDL文件完成 具有四種信號燈的交通燈控制器 設(shè)計一個具有四種信號燈的交通燈控制器 設(shè)計要求是 由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口 在每個入口處設(shè)置紅 綠 黃 左拐允許四盞信號燈 紅燈亮禁止通行 綠燈亮允許通行 黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停在禁行線外 左拐燈亮允許車輛向左拐彎 信號燈變換次序為 主支干道交替允許通行 主干道每次放行40S 亮5S紅燈讓行駛中的車輛有時間停到禁行線外 左拐放行15秒 亮5S紅燈 支干道放行30S 亮5S黃燈 左拐放行15秒 亮5S紅燈 各計時電路為倒計時顯示 系統(tǒng)框圖如圖4 7 1所示 彩燈控制器 任務(wù)與要求 設(shè)計一個彩燈控制器 使彩燈 LED管 能連續(xù)發(fā)出四種以上不同的顯示形式 隨著彩燈顯示圖案的變化 發(fā)出不同的音響聲 總體設(shè)計方案 彩燈顯示的不同形式可由不同進制計數(shù)器驅(qū)動LED顯示完成 音響由不同頻率CP脈沖驅(qū)動揚聲器形成 簡易電子琴 任務(wù)與要求 設(shè)計一個簡易電子琴 利用實驗箱的脈沖源產(chǎn)生1 2 3 共7個或14個音階信號 用指示燈顯示節(jié)拍 能產(chǎn)生顫音效果 出租車自動計費器 任務(wù)與要求 設(shè)計一個出租車自動計費器 具有行車?yán)锍逃嬞M 等候時間計費 及起價三部分 用四位數(shù)碼管顯示總金額 最大值為99 99元 行車?yán)锍虇蝺r1元 公里 等候時間單價0 5元 10分鐘 起價3元 3公里起價 均能通過人工輸入 總體設(shè)計方案 行車?yán)锍痰挠嬞M電路將汽車行駛的里程數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的脈沖數(shù) 然后由計數(shù)譯碼電路轉(zhuǎn)換成收費金額 實驗中以一個脈沖模擬汽車前進十米 則每100個脈沖表示1公里 然后用BCD碼比例乘法器將里程脈沖乘以每公里單價的比例系數(shù) 比例系數(shù)可由開關(guān)預(yù)置 例如單價是1 0元