数字电子技术课程设计

1、数字电路课程设计报告设计题目：生理刺激反映时间测量仪班级：自动化1304班学号：130940415姓名：朱可墨东华大学信息科学与技术学院2014年7月2日第一章 设计指标1.1 设计指标（1）受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。（2）当受试者按“测试开始”按键后，系统进入准备状态，“准备”灯亮，其他指示灯灭，显示器显示全零。（3）测试仪在“准备”灯亮后的110 s 时间内随机发出光刺激信号（“测试”灯亮）或声刺激信号（蜂鸣器响），“准备”灯灭。（4）当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时时。计时单位为0.1 ms。（5）以七段LED数码管显示时间测量值的

2、高3位，最低位测量值进行四舍五入处理（本次不要求），显示值保持到新的测试开始。（6）受试者的反应时间超过 999.5 ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下次测试开始。（7）若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出。1.2硬件环境测试仪的控制部分以FPGA实现，光刺激信号由发光二极管产生，生刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择买重建产生脉冲信号，刺激源选择电平键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计在ED2开发板或LP-

3、2900开发装置上实现。第二章 系统概述2.1设计思想由设计要求可知，生理刺激反应时间测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。分析系统功能, 可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为开始信号Start、准备信号Ready、随机信号Random、测试信号Test、反应信号Response、测试计数器溢出信号Oerflow 和违例信号Weili。若选择上升沿有效的点触键为“测试开始”键和“反应”键, 比如LP2900 开发装置上的PS3, PS4 键, 则Start , Response为相应按键产生的正脉冲信号。Ready , Test, Response,

4、 Overflow , Weili 设置为触发器产生的电平信号。系统电路根据控制功能划分为刺激信号随机产生、测试计时、显示、逻辑控制、时基信号产生这5个模块。其中随机信号采用模N （12s）的延时计数器、模M(10s) 的定时计数器及相应的控制逻辑产生, 测试计数器采用可预置、有使能控制的4 级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。时基电路是产生定时、延时、计时电路以及显示扫描电路的时钟脉冲, 蜂鸣器的发声也需要音频脉冲控制。各脉冲可以根据所用FPGA 开发装置的基准时钟分频获得。2.2可行性论证测试仪的控制部分以FPGA 实现

5、, 光刺激信号由发光二极管产生、声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键采用SW1键、“反应”按键选择点触键产生脉冲信号，刺激源选择采用自锁键产生电平信号。测量值采用4个七段LED 数码管显示，显示方式由FPGA 开发装置决定。设计随机脉冲发生模块在DE2 开发板或LP-900开发装置上实现。2.3各功能的组成（1）随机信号产生随机信号是指控制条件满足后脉冲出现时间无法确定的信号。如果以一个任意出现的控制电平去选通一个周期性定时出现的脉冲信号, 由于脉冲出现的时间与控制电平有效的时间没有任何关联, 当控制信号有效后, 在定时周期时间范围内会随机出现选通脉冲。在数字电路中, 计数器的溢出信号是循

6、环定时产生的。比如, 计数器的模为M、计数脉冲频率为1 s, 则计数器的溢出信号周期为M s, 信号宽度一般为1 s。若用一个电平信号通过逻辑门选通该计数器的溢出脉冲, 则当控制电平有效后, 逻辑门的输出在0 M s 之间产生随机脉冲信号。同样, 若用电平信号控制一个模为N、初始值为0、计数脉冲频率为1 s 的计数器使能端, 当使能电平有效后, 计数器产生溢出信号的延时时间为N - 1 N s。（2）DIV8十分频器由于实验中需要用到多种频率的时钟信号，该系统中的分频器模块设计为一个8级倍率为10的分频电路，输出频率分别为1HZ、10HZ、100HZ、1KHZ、10KHZ、100KHZ、1MH

7、Z、10MHZ 8组占空比为50%的脉冲信号，同时有FPGA来提供。为达到实验要求，采用十进制计数器级联实现。利用两片十进制计数器级联，可构成百分频电路。同理，多片十进制计数器级联可构成千分频、万分频等。（3）动态扫描显示电路动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在本实验数字电路中，采用计数器控制二进制译码器产生。采用LP-2900开发装置，由于已在FPGA外部设置了38线译码器74138控制显示器的公阴端，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。在LP-2900上实现4位动态扫描显示控制电路，选择前四位。采用四

8、进制计数器的输出控制DE1、DE2，并使DE3始终为0（端口接GND）,则74138输入码A以“000”、“001”、“010”、“011”循环变化，输出控制C1、C2、C3、C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显。由于数据选择器的输出Ni必须在相应的Ci有效有效时同步输出，所以可采用控制产生Ci顺序脉冲的计数器同步控制数据选择器各位的显示码，经过显示译码输出七段控制信号Ni,同时选择该位的小数点控制信号控制显示器的dp。（4）测试计时模块测试计数器采用可预置、有使能控制的4 级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直

9、接显示。生理刺激反应测试仪的时间测量为四位十进制数,而显示值为三位十进制数，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5 时, 高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4 时，高三位测量值加1 后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多。本设计可以利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5。这样, 测试结束时的计数值是实际测量值加5。当最低位测量值大于等于5 时, 必然产生向高位的进位, 实现了测量值的四舍五入功能。除此之外，还想到可能一种比较复杂的方法来控制，之后的模块会有论述。（4）逻辑控制电路逻辑控制电路的功能是根据按键信号控制延时、定时电路和测试计数器,

10、 判断受试者发出的反应信号Response 是否违例、测试计时是否溢出, 并根据各信号控制相应的指示灯点亮。在生理刺激反应测试仪中, 部分控制信号是互相关联的, 比如A 信号使Q 信号置位, B信号使Q 信号复位。这样的逻辑关系可以有很多方法实现, 比如利用D 触发器的同步触发功能和异步复位功能: A 脉冲的上升沿触发D 触发器使其输出Q 置位,B 脉冲的有效电平使D触发器立即复位。信号时序波形示例和参考电路原理如下图所示。2.4总体工作过程总体工作过程中，逻辑控制电路按控制要求产生各控制信号, 根据系统工作原理,各信号时序关系如下:（1）“测试开始”按键产生的Star t 负脉冲触发read

11、y信号有效, 控制test , Weili, Overflow 无效, 并预置测试计数器初值。（2）Ready 信号控制延时计数器开始计数, 延时时间1 2 s。当延时时间到, Delay 信号有效。Delay 信号等待选通模M 定时计数器的溢出信号产生随机脉冲Random, 等待时间为0 M s。这样, 随机信号Random比 测试开始!按键的作用时间滞后1 M+ 2 s 出现。（3）当随机脉冲Random 出现后, 触发Test 信号有效并控制Ready , Delay 信号无效。Test 信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响, 并允许测试计数器开始计时。( 4) 当“反应”键按下后, 产生

12、Response 负脉冲, 使Test 信号无效, 测试计数器停止计数。( 5) 若反应时间超过999. 5 s, 测试计数器产生的溢出脉冲触发Overflow 信号有效。Overflow 信号控制测试计数器停止计数。( 6) 若Test 信号无效时按下“反应”键, Response 脉冲触发Weili 信号有效, 并控制Ready 信号无效。Weili信号禁止随机脉冲产生, test 信号始终无效。生理刺激反应时间测试仪的总体设计思想框图如下图所示。 生理刺激反应时间测试仪设计思想框图从下图也可以简单明了地看出各个的条件。第三章 单元电路设计与分析（一）DIV8十分频器（1）DIV8十分频器

13、原理图（如下图）（2）原理分析7490芯片为模为10的集成计数器，也就是每一个7490就可得到一个十分频，将8个十分频串联即可依次得到十分频，百分频，千分频等，又因为仪器可提供10MHz的时钟频率，因此可依次得到1MHz、100kHz、10kHz、1kHz、100Hz、10Hz、1Hz、1/10Hz的时钟信号，以用来为其他模块提供频率。（3）元件符号（如下图）（二）动态扫描显示器（1）七段共阴显示器的元件符号如右图所示。（2）七段共阴显示器的编辑文件如下图所示。（3）动态扫描显示器的原理图如下图所示。(4)功能原理分析 动态扫描驱动电路中所有的显示器由相同的段信号控制，公共端有效的显示器将显示

14、相同的字符。所以，要使各显示器显示不同的内容，必须控制它们的公共端粉丝轮流有效。每个显示器只在其公共端为有效电平时根据段码信号显示相应的字符，公共端无效时灭显。图中D3 D2 D1 D0为第一块显示屏所显示符号的对应二进制数；依次类推，C3 C2 C1 C0为第二块显示屏所显示符号的对应二进制数；B3 B2 B1 B0为第三块显示屏所显示符号的对应二进制数； A3 A2 A1 A0为第四块显示屏所显示符号的对应二进制数。由于每个显示屏需要每秒导通次数多于50次时，才会因视觉暂留效果，不会让人感觉显示屏在闪烁。因此，四块显示屏轮流导通则需要200HZ以上的时钟脉冲来控制计数器，本设计选用的1KH

15、Z的时钟信号。（5）其元件符号：（三）测试计时器（1）测试计时器原理图（2）测试计时器原理分析计时器主体部分是由四片级联的十进制计数器组成，该实验运用了74161计数器，上面是低位，下面是高位。利用前面控制块的各种输出来控制计时器的开始、停止、置数、清零、溢出等功能分别有一些逻辑门和D触发器构成。当test有效时，开始计数当有response触发时，计数器停止计数。Ready和单片溢出共同控制置零。当然在计数模块和前面的控制模块有连接的模块。下图为两者之间的转换模块：（3）计数器模块及中间的转换模块元件符号（四）控制逻辑原理图其元件符号为： 控制模块在本次操作过程中感觉是最难的一块，在这边的设

16、计上出现了不少的问题，也是比较关键的一块。我是直接将伪随机random信号都放在这个模块里，所以就更加复杂。虽然我是在之前都列出各个信号的相互限制关系，并分别列出了每个信号的逻辑关系，但是在最后整合的过程中还是会出现问题。第四章 电路的组构与调试4.1 遇到的主要问题（1）D触发器接高电平，在没有其他状态使其复位的话，初始状态一直为“1”，因此就会在很多地方出错。（2）计时器的波形无法显示，改变不了CP信号的持续时间。（3）ready信号在仿真中无法正常显示。（4）test信号灯始终无法点亮。 (5)4.2 现象记录及原因分析 （1）针对第一个现象，就是要让start接D触发器的复位端，这样就

17、能保证每个触发器的原状态都为“0”。 （2）经老师提示，CP始终信号只能维持1us，只能通过暂时提高频率来看计数器是否是十分频正常转换，然后再将信号还原。 （3）可能是因为start同时触发，但start因为要经过与门才使控制ready的D触发器有效，期间可能就会有冒险竞争，使其不能同时触发。加入一个与门，一段接极高频cp一直触发，另一端接start信号。这样一旦start为“1”时，即刻出发ready信号。（4）基础的的4个74161组成的四位十进制计数器可以正常运行，但是一旦加入四舍五入和超时清零的功能以后，test信号灯无法再被触发，至今未能解决原理。4.3 功能的测试方法、步骤、设备、

18、记录的数据测量计时器的测试：（1） 没有response，也没有溢出，就一直保持，只有跟start有关，如图（2） 在test触发后，有一个response，就会正常工作，如图：（3） 在test触发前，有一个response，就会违例，如图：（4） 没有response，但在计时一个周期后有溢出，就会有overflow，如图：附加：抢答控制如图互加反向器，抢答的response信号可以触发违例信号，使红灯L1触发。四舍五入将第一个74161改成74160，然后在A，C端加入高电平，B,D端接地，一旦start信号激活74160，对其预置0101，相当于加上了0.5ms，然后在response按下后信号再次触发一次74160的清零，使输出的字符为四舍五入状态。第五章 结束语首先，参加本次课设让我有点小激动，毕竟在平时接触的多是理论内容，实际动手操作的机会相对比较少，同时也能接触新的事物；我觉得通过本次的实验，既巩固我们学习的数电理论知识，又让这些知识通过实验联系实际，提高同学们的操作能力，也让我们从中发现些问题。通过本次实验，明显感觉到理论和实际的一些差别。我在仿真软件上可以较好运行的数据在实际仪器中运行有点误差。本因此，个人建议