时序比较器课程设计报告.doc

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： 2013-6-242013-7-1 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62.2.2 ASM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（X3X0）设置完毕时，按“确认”键后输入的这组数据有效。Y1：第一组X3X0数据输入，若第一组为大数，则Y1=1，LED1亮。Y2：第二组X3X0数据输入，若第二组为大数，则Y2=1，LED2亮。D3D0：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：XaXb ，Xa=Xb 或 XaXb 时，LED1闪亮； Xa 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X3X0=0110,但是A3A0=0000；（2）RESET=0,T0=1，T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3X0=0110,但是A3A0=0000；（3）RESET= T0=0, T1=1，AJ=0,因为AJ=0，故不可以置数：A3A0=0000；（4）RESET= T0= T1=0,电路保持，即虽然AJ=1，但是A3A0=0000；（5）RESET= T0=0，T1= AJ=1，X3X0=0110，置数成功：A3A0=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=SET Xb=T2AJ, 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X3X0=1001,但是A3A0=0000；（2）RESET=0,T0=1，T1=AJ=0,系统整体清“0”，即虽然X3X0=1001,但是A3A0=0000；（3）RESET= T0=0, T1=1，AJ=0,因为AJ=0，故不可以置数：A3A0=0000；（4）RESET= T0= T1=0,电路保持，即虽然AJ=1，但是A3A0=0000；（5）RESET= T0=0，T1= AJ=1，X3X0=1001，置数成功：A3A0=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 , （AB）i=0 。2，比较器的功能（1）、A3A0 接A寄存器的Q3Q0 ;（2）、B3B0 接B寄存器的Q3Q0 ;（3）、输出FAB、FAB、FA=B ； A3A0= B3B0 ，则FA=B =1， FAB=FAB=0 A3A0 B3B0 ，则FAB =1，FA=B =FAB=0 A3A0 B3B0 ，则FAB =1，FA=B =FAB=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：X3X0=1001，则A3A0=1001；（3）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3X0=0101，则B3B0=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：X3X0=0001，则A3A0=0001；（6）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3X0=1001，则B3B0=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：X3X0=1001，则A3A0=1001；（9）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3X0=1001，则B3B0=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FAB。分析：当A=FAB=1时，选择D1数据输出（Y=B，B为大数）。当A=FAB=0时，AB，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：X3X0=0101，则A3A0=0101；（3）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3X0=1001，则B3B0=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Y4Y1=0000; （4）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0，T3=1;Y4Y1=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：X3X0=1001，则A3A0=1001；（7）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,T3=1，系统给B寄存器置数：X3X0=0001，则B3B0=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Y4Y1=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：X3X0=0001，则A3A0=0001；（10）RESET=T0=0,T2=AJ=1,T1=0,系统给B寄存器置数：X3X0=0001，则B3B0=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Y4Y1=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ag的电位信号），显示选择共阴极数码管，如图2-21：8421BCD码译成ag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。(1) 电路设计1）芯片设计图（如图2-25）： 2）仿真设计图（如图2-26）：(2) 分析仿真结果（1） CR=0，系统自动清“0”；（2） CR=1,表示每通过1000分频可以获得2HZ振荡信号。(3) 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SET Xa = T1AJ,SET E = T3;SET Xb = T2AJ,SET E = 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：（1） 芯片设计图（如图2-28）：（2） 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,立即输出比较结果，T3=1, LED1，LED2灯交替闪亮，表明两个数相等；(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）。2.4.9结论通过仿真，该每态一位能达到所要满足的控制器的功能。第3章 整体原理图1.原理图 2.pcb版图 整体结论 当将仿真电路烧入芯片后，实际连线成功后，过程如下：（1） 开RESET键（=1），电路整体清0；（2） 关闭RESET键（=0），此时LED1灯亮，表明要送入第一个数Xa；（3） 将X3-X0送数，打开AJ键，即刻关闭AJ键；（4） 此时LED2灯亮，表明要送入第二个数Xb；（5） 将X3-X0送数，打开AJ键，即刻关闭AJ键；（6） 送完第二个数，电路立即比较，译码管显示大数，对应的灯亮；（7） 持续8s后，电路自动清0，此时LED1灯亮，表明要送入第一个数Xa；（8） 重复过程（3）至（7）。第四章 实验小结4.1 实验小结（1）单单对芯片是不可以访问的，故得知：当生成芯片后，可以添加输入输出管脚产生一个完整的处理器部分，此时才