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EDA课程设计

EDA课程设计报告

—八位二进制密码锁

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专业班级  

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学  号    

指导教师   

 2013年12月

摘　要

EDA是当今世界上最先进的电子电路设计技术，已经成为电子工程师必需具备的基本技能，其重要性日益突出，需求也不断提高。

本文主要介绍了利用multism11开发环境，综合运用数字电子技术的基本知识，选用合适的芯片，如74LS194D、74LS85D等，设计了一款具有八位二进制密码设定、八位二进制密码输入、密码检验模块、密码匹配显示模块、密码错误次数计数模块、蜂鸣器报警模块、音频方波信号发生模块的八位二进制密码锁，并进行相应的电路图的绘制、仿真及测试故障诊断与调试等。

关键词：

八位二进制密码锁、multisim11、密码设定、密码检验、蜂鸣器报警

目录

摘要1

1、设计目的3

2、基本原理3

2.1、仿真环境3

2.2、基本功能3

2.3、整体框图3

2.4、各元件功能4

3、设计步骤7

3.1、八位二进制密码设定模块7

3.2、八位二进制密码输入模块8

3.3、密码检验模块8

3.4、密码匹配显示模块9

3.5、密码错误次数计数模块10

3.6、蜂鸣器报警模块11

3.7、音频方波信号发生模块12

4、设计结果13

4.1、元件清单13

4.2、整体电路总图13

4.3、模块仿真测试结果14

4.4、整体仿真测试结果18

5、故障诊断分析18

6、收获22

7、参考文献23

1、设计目的

EDA是当今世界上最先进的电子电路设计技术，已经成为电子工程师必需具备的基本技能，其重要性日益突出，需求也不断提高。

利用multism11开发环境，综合运用数字电子技术的基本知识，选用合适的芯片，如74LS194D、74LS85D等，设计一款具有八位二进制密码设定、八位二进制密码输入、密码检验模块、密码匹配显示模块、密码错误次数计数模块、蜂鸣器报警模块、音频方波信号发生模块的八位二进制密码的电子锁，并进行相应的电路图的绘制、仿真及测试故障诊断与调试等。

通过EDA课程设计，加深自己对电子电路技术的理解。

2、基本原理

2.1仿真环境

Multisim11

2.2基本功能

八位二进制密码锁，通过两个四位移位寄存器74LS149D以及外加开关进行八位二进制密码的设定；另外两个四位移位寄存器74LS149D以及外加开关实现八位二进制密码的输入。

利用两个四位数值比较器74LS85D构成相应的八位密码检验环节。

再利用各种门电路根据逻辑关系构成相应的密码匹配显示电路，若输入的密码是对的，则相应的绿色的二极管会亮，且进行开锁这一过程；若输入密码是错的，则相应的红色的二极管会亮，不进行开锁这一过程。

与此同时，计数模块会将输入密码错误的次数记下来，当错误次数超过3次时会启动蜂鸣器报警模块进行报警并将输入信号锁存，再输入的信号不会起作用。

2.3整体框图

2.4各元件功能

1.双向移位寄存器74LS194

1）逻辑功能：

移位寄存器是指所存的代码能在移位脉冲的作用下依次位移的寄存器，它是一种可以用二进制形式保存数据的双稳器件。

即能左移又能右移的寄存器称为双向移位寄存器。

2）逻辑符号

3）引脚图

4）功能表

2.四位数值比较器74LS85

1）逻辑功能：

对四位二进制数进行比较，以判断其大小的电路。

2）逻辑符号

3）引脚图

4）功能表

3.JK触发器74LS109

1）逻辑功能

JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。

JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。

2）逻辑符号

3）功能表

4.555定时器

1）逻辑功能

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

2）逻辑符号

3）引脚图

4）功能表

在电路的设计中还用到逻辑门电路、按键等其他元件，由于它们的功能相对简单，这里就不再赘述。

3、设计步骤

3.1八位二进制密码设定模块

1.电路图

2.设计思路：

1）密码设定模块由两片四位双向移位寄存器74LS194构成八位移位寄存器，第一片寄存器的最高位输出端QD接到第二片的向右串行输入端SR，且两片移位寄存器都设置为向右输出（即S0设为1，S1设为0）。

2）设置三个开关，最上面的输入开关接到第一片移位寄存器的向右串行输入端，当输入开关打到上面时，则给寄存器的数据是1；打到下面时，给寄存器的数据是0.

3）中间的开关连接两片芯片的脉冲输入端，当输入开关拨好后，按一下确定开关，则会给芯片一个正脉冲，相应的二进制数就存入了移位寄存器中。

4）最下面的开关连接两片芯片的清零端，当清零开关按下时，寄存器中的数据都被置为零。

5）在八位二进制密码锁使用之前，应该先预置八位二进制密码，为了便于查看密码的值，在移位寄存器的后面连了一排LED灯，共有八个二极管灯，灯亮说明该位为1，灭说明该位为0.

3.2八位二进制密码输入模块

1.电路图

2.设计思路

八位二进制密码输入模块与八位二进制设定模块基本相似，只是多了个开关-密码最终确认。

这个开关与该模块本身并无直接相连，但是这个开关信号作为接下来的密码检测功能的控制信号。

当八位二进制密码都输入完毕后，将该开关置1后，就开始进行后续比较。

否则，后续电路不会工作。

3.3密码检验模块

1.电路图

2.设计思路：

1）首先，两片四位数值比较器串联构成八位数值比较器，将第一片的OAGTB，OAEQB，OALTB三个输出端分别接第二片的AGTB，AEQB，ALTB。

2）之后，将密码输入模块的八个输出端对应接到八位数值比较器的A输入端；将密码设定模块的八个输入端对应接到八位数值比较器的B输入端。

3）若密码输入值和密码设定值相等，则在第二片芯片的OAEQB输出端会有高电平输出。

若不相等，则在第二片芯片的OAEQB输出端会有低电平输出。

3.4密码匹配显示模块

1.电路图

2.设计思路：

1）第一个与门的1管脚接密码检验模块的输出信号，即第二片数值比较器的输出OAEQB。

2管脚接八位二进制密码输入模块的控制信号。

只有当以上两个信号都是高电平时，才说明密码是正确的，此时绿色的二极管会亮。

图中的两个电阻是二极管的限流电阻。

2）图中的非门和第二个与门组合后再串接红色二极管，构成了密码错误的显示电路。

与密码正确时的显示电路的逻辑相反。

3.5密码错误次数计数模块

1.电路图

1）计数部分和显示部分

2）计数部分（放大后）

2.设计思路：

1）这部分是由两个JK触发器构成了一个三进制的计数器。

每个JK触发器都是利用的翻转功能，第一个JK触发器是低位，需每次都翻转，故J、K端都是使能的；第二个JK触发器是高位，只在低位是1的时候翻转，故第二个的J，K端取反连着第一个的输出端。

2）图中JK触发器为同步的，CLK端接的是密码输入错误信号，逻辑功能是每当输入密码错误一次，CLK信号有一个正脉冲，计数器计数一次。

3）图中的非门连的是密码正确的信号，该信号经过取反后连接与门，与门的另一端连接密码输入模块上的清零控制信号，逻辑功能是当密码输入正确或按下清零键后对计数器进行清零，重新开始计数。

4）利用计数器的输出与一位数码管对应位相连即可显示此时计数器的计数结果。

3.6蜂鸣器报警模块

1.电路图

2.设计思路：

1）这部分是由音频方波信号发生模块和相应的蜂鸣器逻辑电路构成，音频方波信号发生模块之后单独介绍。

2）三输入与门一端接八位二进制密码输入模块的控制信号。

另外两端分别接计数器模块的两个JK触发器的输出端，逻辑功能是当八位二进制密码输入模块有控制信号且计数器记到3时，开始驱动蜂鸣器报警

3）图中的2输入或门起到对八位二进制密码输入模块的控制信号锁存的作用，当开始报警时，三输入与门的输出是高电平，对或门进行封锁，控制信号不再起作用。

3.7音频方波信号发生模块

1.电路图

2.设计思路

音频方波信号发生模块由555定时器组成的多谐振荡器构成，在设计中为了方便起见，我采用了555TimerWizard生成多谐振荡器（见下图）。

并且由于只是用于报警，对方波频率要求不是很高，电阻的参数可以更改。

555TimerWizard如下图：

4、设计结果

4.1元件清单

元件

电阻

芯片

开关

电容

LED灯

其他

型号

50Ω

60Ω

100Ω

74LS194D、74LS85D、74LS08J、74LS04N、

74S32N、

74LS11N、

74LS109D、

555、

双向开关

按键开关

10nF

红色

绿色

蓝色

蜂鸣器

数量

3个

1个

1个

4个

2个

4个

3个

1个

1个

2个

1个

3个

4个

2个

1个

1个

一排

一排

1个

4.2整体电路总图

4.3模块仿真测试结果

1.八位二进制密码设定模块

如下图所示，设定密码为00110011：

2.八位二进制密码输入模块

如下图所示，输入密码为00110011：

3.密码匹配显示模块

1）当输入密码正确时，绿色的二极管亮：

2）当输入密码正确时，绿色的二极管亮：

4.密码错误次数计数模块

1）使用逻辑分析仪分析计数模块：

逻辑分析仪显示的结果：

由逻辑分析仪的波形可以看出，计数器从00-01-10-11，波形是正确的。

2）数码管显示结果也是正确的：

5.蜂鸣器报警模块

1）多谐振荡器的输出波形

2）当试过连续三次错误时，蜂鸣器报警：

4.4整体仿真测试结果

5、故障诊断分析

5.1八位二进制密码设定和输入模块故障诊断分析

故障：

按输入键，与移位寄存器相连的一排LED没有变化。

诊断1：

LED灯的亮灭代表着移位寄存器的输出，而对于移位寄存器，其周围没有再接其他电路，只接了开关，所以有很大的可能是连线错了。

故经过检查连线，发现第一个移位寄存器的串行输入端接错了，应接SR而不是SL。

诊断2：

由以上分析经检查连线，发现S0和S1的高低电平接错了，S0为1、S1为0时才能使移位寄存器向右移。

5.2密码检验模块故障诊断分析

故障：

数据比较器的输出有逻辑错误，即当两个要比较的数据相等时，输出端不是高电平，故障见下图：

诊断：

经过检查发现74LS85D芯片的管脚分布与数电课上学习的数据比较器的逻辑符号不太一样，A和B是挨在一起的，而不是上面的四个输入端是一个数据且下面的四个输入端是另外一个数据。

经过重新连线后，经过测试，结果正常。

5.3密码匹配显示模块故障诊断分析

故障：

当密码正确匹配成功时，对应的绿色二极管不亮；当密码输入不正确时，对应的红色二极管不亮。

诊断：

当密码输入正确时，用电压表测绿色二极管两端的电压，发现两端电压只有1.982V，十分的低。

为了排除二极管坏掉这种情况，又用电压表测了一下二极管和限流电阻之间的电压，发现该电压为5V，是正常的。

排除了二极管短路或断路的情况后，只有一种原因，那就是限流电阻给的太大了，故将1K的电阻适当减小。

故障现象：

解决故障后现象：

管两端的电压大于2V，能够正常发光。

5.4密码错误次数计数模块故障诊断分析

故障：

错误次数还不到三次时，计数模块就显示三次。

诊断：

使用逻辑分析仪分析计数模块，得到其计数波形图，发现计数直接由01跳到了11，丢掉了10这个状态。

经过检查电路，分析JK触发器的功能表，发现K输入端是低使能，数电课本上都是高使能，故需变化一下连接方法，再加个非门或接地。

逻辑分析仪分析计数模块：

计数波形图:

修正后的模块电路图：

最后，对于蜂鸣器报警模块，只要逻辑对一般没有什么故障。

6、收获

经过EDA课程设计,我设计了一个八位二进制密码锁电路.八位二进制密码锁电路是采用数字电路实现的。

在经过选题，设计，仿真，故障分析诊断等过程之后，我有很多收获。

首先，EDA课程设计使我对仿真软件multisim有了更多地了解，在原来的基础上我又学会了用逻辑分析仪等数字仪表，还学会许多其他功能。

其次，我对电子电路设计的整个过程有了更全面的理解和收获。

再次，故障诊断分析环节让我对仿真中出现的错误进行了思考分析，并采取相应的措施去解决问题，锻炼了我分析解决问题的能力。

7、参考文献

[1]梁青侯传教Multisim11电路仿真与实践北京：

清华大学出版社,2012

[2]郭锁利基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用北京：

人民邮电出版社,2012

[3]秦长海数字电子技术北京：

北京大学出版社,2012.10