數(shù)字電路課程設(shè)計指導書

1、數(shù)字邏輯電路課程設(shè)計南京師范大學計算機學院2013 12數(shù)字邏輯電路課程設(shè)計指導書一、課程設(shè)計目的課程設(shè)計作為數(shù)字邏輯電路課程體系的重要組成部分， 目的是使學生進一步理解課程內(nèi)容， 基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的方法， 增加集成電路應(yīng)用知識， 培養(yǎng)學生實際動手能力以及分析、解決問題的能力。按照本學科教學培養(yǎng)計劃要求， 在學完專業(yè)基礎(chǔ)課電路與電子技術(shù)和數(shù)字邏輯電路課程后， 應(yīng)進行課程設(shè)計， 其目的是使學生更好地鞏固和加深對基礎(chǔ)知識的理解， 學會設(shè)計中小型數(shù)字系統(tǒng)的方法， 獨立完成調(diào)試過程， 增強學生理論聯(lián)系實際的能力， 提高學生電路分析和設(shè)計能力。 通過實踐教學引導學生在理論指導下有所創(chuàng)新， 為專

2、業(yè)課的學習和日后工程實踐奠定基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計內(nèi)容與要求1 教學基本要求要求學生獨立完成選題設(shè)計，掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法；完成系統(tǒng)的組裝配及調(diào)試工作；在課程設(shè)計中要注重培養(yǎng)工程質(zhì)量意識，并寫出課程設(shè)計報告。教師應(yīng)事先準備好課程設(shè)計任務(wù)書、 指導學生查閱有關(guān)資料， 安排適當?shù)臅r間進行答疑，幫助學生解決課程設(shè)計過程中的問題。2能力培養(yǎng)要求2.1 通過查閱手冊和有關(guān)文獻資料培養(yǎng)學生獨立分析和解決實際問題的能力。2.2 通過實際電路方案的分析比較、設(shè)計計算、元件選取、組裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。2.3 掌握常用儀器設(shè)備的使用方法，學會簡單的實驗調(diào)試，提高動手能力。2.4 綜

3、合應(yīng)用課程中學到的理論知識去獨立完成一個設(shè)計任務(wù)（可自擬創(chuàng)新課題） 。2.5 培養(yǎng)嚴肅認真的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。三、課程設(shè)計報告的基本格式課程設(shè)計報告要給出結(jié)構(gòu)框圖， 對總體設(shè)計思想進行闡述， 井給出每個單元邏輯電路且論述其工作原理，文字說明部分要求內(nèi)容完整，言簡意賅，書寫工整。電路圖規(guī)范、邏輯關(guān)系正確，表達完整清楚。其基本內(nèi)容與要求如下：1 總體設(shè)計思想。根據(jù)功能要求確定整個電路的組成以及各單元電路完成的功能。2 繪制系統(tǒng)邏輯框圖，給出各單元電路之間的關(guān)系。3 單元電路的設(shè)計及總體電路設(shè)計圖（器件型號、元件參數(shù)應(yīng)標出） 。4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試（包括功能仿真和時序仿真結(jié)果） 。5 設(shè)計總

4、結(jié)。四、課程設(shè)計考核1. 每位（組）學生獨立進行電路設(shè)計，在畫出基本電路圖并經(jīng)理論驗證無錯誤后可進入實驗室完成電路元器件的組裝與調(diào)試工作。每位學生上交一份課程設(shè)計報告。2. 在檢驗設(shè)計作品時對學生所設(shè)計的內(nèi)容和相關(guān)知識進行質(zhì)疑和答辯。3. 根據(jù)電路設(shè)計和電路調(diào)試情況以及課程設(shè)計報告、質(zhì)疑成績、課程設(shè)計過程表現(xiàn)，由指導教師按優(yōu)、良、中、及格、不及格評定成績。具體時間安排： （ 2012 級）2.17 動員并確定選題與分組；2.18 查找資料，設(shè)計電路（程序）模塊；2.19 組裝各個模塊并功能仿真、調(diào)試；2.20 完善設(shè)計，完成課程設(shè)計；2.21 驗收。撰寫設(shè)計報告。提前完成的同學可以提前驗收。驗

5、收包括：陳述完成的工作回答相關(guān)問題演示具體成果。最終還需要提交： 課程設(shè)計報告 （一人一份）包括電子與紙質(zhì)稿。設(shè)計電路與源代碼。由課代表將每組一個文件夾11設(shè)計題目僅供參考，自己也可選擇其他難度相當?shù)念} 目（經(jīng)老師同意）。附錄：課程設(shè)計參考題目設(shè)計課題一、算術(shù)運算器一.設(shè)計任務(wù)兩位十進制數(shù)加法、兩位十進制數(shù)加法、二位十進制乘法。、參考設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計（頂層設(shè)計）圖1-1圖1-2alu2 10en prod uct_i (3:0)圖1-1中al代表被加數(shù)的個位，a2代表被加數(shù)的十位；b1代表加數(shù)的個位，b2代表加數(shù)的十位。圖1-2中a1代表被減數(shù)的個位，a2代表被減數(shù)的十 位；b1代表減數(shù)的

6、個位，b2代表減數(shù)的十位。bip：0)productj(3:&)b2(3：0) ：-product_4(3:0) count(1:0)圖1-3注意這里減法的實現(xiàn)整體無進位（因為減法是變?yōu)檠a碼的加法）的結(jié)果是負數(shù)位間無進位的要進行減6（實際為加上6的補碼）修正.設(shè)計課題二、交通燈控制器一、實驗?zāi)康呐c任務(wù)學習利用計數(shù)器和狀態(tài)機設(shè)計十字路口交通燈控制器。設(shè)計一個簡單十字路口交通燈控制器。該控制器控制甲乙兩道的紅、黃、綠三色燈，指揮交通和行人安全通行。復雜十字路口交通燈控制器要比簡單交通燈控制器增加一些功能，如倒計時時間顯示， 左轉(zhuǎn)彎（左拐）、指示燈閃爍及特殊緊急情況的處理等。二、參考設(shè)計方案

7、下面以下面的十字路口交通燈系統(tǒng)為例，來說明上述功能的實現(xiàn)：東西方向（甲道）循環(huán)為綠燈45s,黃燈5s,左拐燈15s,黃燈5s,紅燈40s,黃燈5s南北方向（乙道）循環(huán)為 紅燈65s,黃燈5s,綠燈20s,黃燈5s,左拐燈15s,黃燈5s 其一個工作周期的時間關(guān)系示意圖如下：綠45s黃5s 左拐15秒黃5s紅40s黃5s甲道乙道紅65s展5s綠20s 伎5s ：左拐15s黃5s|i11hl)狀態(tài)表不s0s1s2s3s4s5s6s7可以將一個周期劃分成以下8種狀態(tài)：50: cnt=0-44 :甲道通行，乙道禁止；51: cnt=45-49 :甲道停車，乙道禁止；52: cnt=50-64;甲道左拐

8、，乙道禁止；53: cnt=65-69 ;甲道停車，乙道禁止；54: cnt=70-89 ;甲道禁止，乙道通行；55: cnt=90-94 ;甲道禁止，乙道停車；56: cnt=95-109;甲道禁止，乙道左拐；57: cnt=110-114;甲道禁止，乙道停車；具體實現(xiàn)可采用 vhdl/verilog 硬件描述語言設(shè)計。設(shè)計課題三、數(shù)子頻率計、課程設(shè)計內(nèi)容及要求本次課程設(shè)計要求設(shè)計并用cpld實現(xiàn)一個數(shù)字頻率計，具體設(shè)計要求如下:測量頻率范圍：10hz100khz 精度： a f / f < ±2 %系統(tǒng)外部時鐘：1024hz 測量波形： 方波vp-p = 35 v編程語言：

9、verilog hdl / vhdl、系統(tǒng)總體設(shè)計待測信號 1024hz標準時鐘r>-reset >系統(tǒng)框圖考慮到測量方便，將數(shù)字 頻率計劃分為四檔：1099hz、100 999hz、1000 9999hz、 1000099999hz。這樣可以保證每一檔三位有效數(shù) 字，而且第三位有效數(shù)字誤差 在±2以內(nèi)時即可達到精度要 求。三個輸入信號：待測信號、標 準時鐘脈沖信號和復位脈沖信 號。設(shè)計細化要求：頻率計能根據(jù)輸入待測信號頻率 自動選擇量程，并在超過最大量程時 顯示過量程，當復位脈沖到來時， 系 統(tǒng)復位，重新開始計數(shù)顯示頻率?；谏鲜鲆?，可以將系統(tǒng)基本劃分為四個模塊，分別

10、為分頻、計數(shù)、鎖存和控制，并可以確定基本的連接和反饋，如上圖所示。三、系統(tǒng)及模塊設(shè)計與說明h士jblflfl_rt_rlflh12n0»如左圖所示為數(shù)字頻率 計測量頻率的原理圖。 已知給定標準時鐘脈沖高電平時間t0,將此高電平信號作為計數(shù)器閘 門電平，通過計數(shù)器得n到to時間內(nèi)待測脈沖的個數(shù) n,則有f =。由圖不可以看出，一個閘門電平時間內(nèi)計數(shù)to的最大誤差為 n±1,為保證誤差要求取 n>100o經(jīng)計算，四檔的閘門電平時間t0分別為10s、1s、0.1s和0.01s。僅對計數(shù)器計數(shù)值 n進行簡單的移位即可得到結(jié)果。產(chǎn)生閘門電平 的工作由分頻器完成。分頻器采用計數(shù)分

11、頻的方法，產(chǎn)生計數(shù)閘門電平和一系列控制脈沖，并接受計數(shù)器和控制器的反饋。控制器主要用來判斷計數(shù)器計數(shù)是否有效，從而控制檔位轉(zhuǎn)換，鎖存器打開、 關(guān)閉和設(shè)定值。計數(shù)器在分頻器和控制器的作用下對輸入待測信號計數(shù)，并把計數(shù)值輸出，在計數(shù)溢出時向控制器和分頻器發(fā)送溢出脈沖。設(shè)計課題四、智力競賽搶答電路鎖存器用來儲存有效計數(shù)值，以穩(wěn)定輸出。設(shè)計任務(wù)與要求1 .搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用 8個按鈕0 7表示。2 .設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)space,該開關(guān)由主持人控制。3 .搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在led數(shù)碼管上顯示，同時燈亮提示。選手搶答實行鎖

12、存讓然后進行編碼并用七段顯示器顯示，選手搶答權(quán)利平等，搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。4 .搶答器具有定時搶答功能，當主持人啟動"開始"鍵后，定時器進行加計時，同時揚聲器發(fā)出短聲響。5 .參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的 編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。6 .如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯 示9。二、參考設(shè)計方案：數(shù)字搶答器總體方框圖:如上圖所示為總體方框圖。 其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到"清除”狀態(tài), 搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示

13、器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀 態(tài)，宣布"開始"搶答器工作。定時器計時。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：編號鎖 存，編號顯示、燈亮提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答。如果再次搶答必 須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。設(shè)計課題五、電梯控制器的設(shè)計與實現(xiàn)一、設(shè)計任務(wù)本電梯控制器分為主控制器和分控制器。主控制器是電梯內(nèi)部的控制器，每個樓層有個分控制器。主控制器的功能：(1)完成6個樓層多用戶的載客服務(wù)控制。(2)電梯運行時顯示電梯的運行方向和所在的樓層。(3)當電梯到達選擇的樓層時，電梯自動

14、開門。(4)具有提前關(guān)電梯門和延時關(guān)電梯門的功能。(5)響應(yīng)分控制器的有效請求，如果到達有請求的樓層，電梯自動開門。分控制器的功能：(1)顯示電梯的運行狀態(tài)和所在的樓層。(2)顯示乘客的上升和下降請求。分控制器的有效請求原則：(1)電梯處于等待狀態(tài)時，上升和下降請求都響應(yīng)。(2)電梯處于上升狀態(tài)時，有上升請求的分控制器所在樓層數(shù)大于電梯所在的樓層數(shù)。(3)電梯處于下降狀態(tài)時，有下降請求的分控制器所在樓層數(shù)小于電梯所在的樓層數(shù)。二、參考設(shè)計方案控制器的功能模塊如上圖所示，包括主控制器、分控制器、樓層選擇器、狀態(tài)顯示器、譯碼器和樓層顯示器。乘客在電梯中選擇所要到達的樓層，通過主控制器的處理，電梯開

15、始運行，狀態(tài)顯示器顯示電梯的運行狀態(tài)，電梯所在的樓層數(shù)通過譯碼器譯碼從而在樓層顯示器中顯示。分控制器把有效的請求傳給主控的樓層數(shù)。由于分控制器相對簡單很多，所以主控制器是核心部分?？傮w(頂層設(shè)方t圖一基于 vhdd一一二一二 一 -a=一1 一 二3- -l八。 k'akrl2:3:llz3口寫后 h33。與&1,2:工。56 llhgluutjijiljo口口口 口口© 。o口口 gggago c u i c - - 聲ou ccc&cccccacl k full & ho quick cl r g_u jl c_u2 c_u3c-u1poorc 1

16、 a _ &j'c_dsl毛#r互一 .c_d3le nfc_c_d' s 4 . qj1c_ d-=lle id_d s _c_ dsurhi ahrdxaliardoorx, , 01lsoc * . 3b ojl e d_c_e> ;5 * a 01l_ e 口_ 口 e 5 _ _ 0ui r h h h aud)ri l fl r mupdowmdsg3g5-時鐘信號（頻率為2 hz）-超載、關(guān)門中斷、提前關(guān)門清除報警信號-電梯外人的上升請求信號-電梯外人的下降請求信號-電梯內(nèi)人的請求信號-到達樓層信號-電梯門控制信號-電梯所在樓層顯示- -電梯外人上升

17、請求信號顯示- -電梯外人下降請求信號顯示- -電梯內(nèi)請求信號顯示- -看門狗報警信號- -電梯運動方向顯示，超載警告信號- 電機控制信號和電梯運動-文件名：dianti.vhd。-功能：6層樓的電梯控制系統(tǒng)。最后修改日期：2004.4.12。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity dianti isport ( clk : in std_logic;full,deng,quick,clr : in std_logic

18、;c_u1,c_u2,c_u3,c_u4,c_u5: in std_logic; c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6 : in std_logic; d1,d2,d3,d4,d5,d6 : in std_logic;g1,g2,g3mg5,g6 : in std_logic;door : out std_logic_vector(1 downto 0); led : out std_logic_vector(6 downto 0); led_c_u:out std_logic_vector(5 downto 0); led_c_d:out std_logic_vector(5 d

19、ownto 0); led_d : out std_logic_vector(5 downto 0); wahaha : out std_logic;ud,alarm : out std_logic;up,down : out std_logic );end dianti;設(shè)計課題六、出租車里程計價器的設(shè)計、設(shè)計任務(wù)及要求本出租車計費器要實現(xiàn)的功能是出租車按行駛里程收費，起步費為7.0元，行駛3公里后再按2元/公里計費，車停時不計費。能預置起步費和每 公里收費，并能模擬汽車啟動、停止、車速等狀態(tài)。、設(shè)計原理及框圖如下圖，當起/停開關(guān)及清零信號resets為1'時，汽車啟動就開始 進入計

20、費器工作狀態(tài)（即在基本速率端輸入一個時鐘信號clk表示每來一個脈沖，汽車運行了 0.1公里），最終通過狀態(tài)顯示電路模塊將車費和里程 顯示出來（有一位小數(shù)）。通過改變車速選擇端的輸入值可以實現(xiàn)模擬汽 車行駛的快慢。當起/停開關(guān)變?yōu)?',則計費器處于保持狀態(tài)，顯示的是 當前的計費結(jié)果和里程，而當 reset®號為1'時，無論其它端輸入什么 信號，輸出都為0'。車速選擇reset車速控制模塊里程 計數(shù) 模塊計費*計數(shù) 模塊七段4數(shù)碼 管顯 小命動態(tài)掃描電路模塊圖6-1出租車計費器原理框圖設(shè)計流程圖圖6-2整體系統(tǒng)的編程流程圖頂層模塊設(shè)計出租車計費器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn) 此

21、圖能完全實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的要求 原理圖如下：型唾1; 御儂磔白、ckreset.putput,領(lǐng)即_ gieirr-czz> out20-j> cut21用畫斤 vccup_dovm1>-h>out22就如解口, ,也做丁 insotutjlh即out23clrtsold9u koi1>ihfput 世?匕-1_>加密：7 5ko2l_>- input - vcc.jyh>out31利耐094 s，閹/44 ：19ddi二"町olftputout32cut33 vgg iwput 比巴rimltt -i =c=>jrki81pfei8

22、3gutmjt 彘th! itt '-czz> <m140-i ""i 'ajt4l'ji肝pmr jjd>第2jifei 1前痂3，1、mh3州一卿fir¥l-=>ei72ojgo/pfei73omitfout61卅聲國：:|itei73we2ml63/麗二：迎曹:sr- output"hi>: .rpltt"cout:4-1.：-koiko2fenpin1&elkclockssuntreselglkj.)m *. *上 1 j."遙t j a -l-r u u 1 hs

23、um£ 3 . . 0cnt16.oi*3ccmcnt 10resetclkore se tocqutup downout6ddresetupjjuwnclk2£ nrbler e setsyo 3 . . 0jupdd>wmptics. 1. 031d3. - 0coutfcnt9sout4oirt5a*.resetout20unim_ vcc ihpiwiwot vccup.duvvn loadclk2e nrbliere sie t mvo1 3 _ _ 01,up ucl wmi,v 1 c 9 . h 6l_ o fto 2.5 5d3 . . 0口口 u

24、i| r*ccmjlto輸ii047md被6州 而施32 j 永ii05 口； 而皿c(xnt1 ccmjrts coint3mr."w'(m2其中，koi、ko2為車速控制開關(guān)，clk為時鐘信號，reset為復位信號，up_down 為起/?？刂菩盘枺琧ount為預置每公里收費的信號，load為預置使能信號，dd 為預置起步費信號，out5、out4為記錄里程的整數(shù)位，out6為記錄里程的小數(shù) 位，outi、out2為記錄費用的整數(shù)位，out3為記錄費用的小數(shù)位。設(shè)計課題七、數(shù)字鐘的設(shè)計一.設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)字時鐘，基本功能如下：1 .準確計時，以數(shù)字形式顯式時、分、秒的時

25、間；2 .小時的計時要求為“ 12進1”，分和秒的計時要求為 60進位;3 .系統(tǒng)具有校正時間功能。系統(tǒng)的擴展功能：定時控制；.參考設(shè)計方案數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴展電路完成數(shù)字鐘的定時控制擴展功能。系統(tǒng)的工作原理是： 振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，然后經(jīng)分頻器輸出標準脈沖。 秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)據(jù)計滿60后向小時計 數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“12進1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。 計時出現(xiàn)誤差時可以用校正電路校時、校分、校秒。數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖如圖9-1所示。主體

26、電路1定時控制擴展電路振蕩器一分頻器圖7-1數(shù)字鐘電路系統(tǒng)框圖設(shè)計課題八、電子密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)電子數(shù)字密碼鎖能夠事先設(shè)置一組或多組的口令，當破解者試探次數(shù)超過一定次數(shù)時，進入死鎖狀態(tài)并發(fā)出報警.與普通機械鎖相比，它有許多獨特的優(yōu)點：保密性好，防盜性強，可 以不用鑰匙，記住密碼即可開鎖等.隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子密碼鎖的設(shè)計也在不斷地發(fā)展 一.電子密碼鎖的設(shè)計要求該密碼鎖的密碼由六位十進制數(shù)字組成， 初始設(shè)定“000000':可由用戶任意設(shè)置密碼， 密碼輸入正確時開鎖，連續(xù)三次輸入錯誤密碼時系統(tǒng)報警。 同時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。二、參考

27、設(shè)計方案此設(shè)計問題可分為密碼輸入（含編碼功能）刪除控制模塊、寄存模塊、比較模塊、掃描 顯示模塊幾個部分構(gòu)成。（圖8-1）輸入與設(shè)置密碼/密碼鎖/*信號定義：n0、n1n9:數(shù)據(jù)開關(guān)，分別代表0,1,29;back:刪除信號；check:密碼檢驗信號；set :密碼確認信號；close:關(guān)鎖信號；lock:密碼鎖狀態(tài)顯示信號；num! num2 num3 num4密碼輸出顯示信號，每個數(shù)代表四位二進制數(shù)*/modulecode(n0,n1,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9,back,check,set,close,lock,num1,num2, num3,mum4,clk);input n0,n1,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9;input bac