数字电路课程设计指导书.docx
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数字电路课程设计指导书
数字逻辑电路
课程设计
2.22~2.26
南京师范大学计算机系
2010．2
《数字逻辑电路》课程设计指导书
一、课程设计目的
课程设计作为数字逻辑电路课程体系的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
按照本学科教学培养计划要求，在学完专业基础课电路与电子技术和数字逻辑电路课程后，应进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。
通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。
二、课程设计内容与要求
1．教学基本要求
要求学生独立完成选题设计，掌握数字系统设计方法；完成系统的组装配及调试工作；在课程设计中要注重培养工程质量意识，并写出课程设计报告。
教师应事先准备好课程设计任务书、指导学生查阅有关资料，安排适当的时间进行答疑，帮助学生解决课程设计过程中的问题。
2．能力培养要求
2.1．通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
2.2．通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、组装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
2.3．掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。
2.4.综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务（可自拟创新课题）。
2.5培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
三、课程设计报告的基本格式
课程设计报告要给出结构框图，对总体设计思想进行阐述，井给出每个单元逻辑电路且论述其工作原理，文字说明部分要求内容完整，言简意赅，书写工整。
电路图规范、逻辑关系正确，表达完整清楚。
其基本内容与要求如下：
1．总体设计思想。
根据功能要求确定整个电路的组成以及各单元电路完成的功能。
2．绘制系统逻辑框图，给出各单元电路之间的关系。
3．单元电路的设计及总体电路设计图（器件型号、元件参数应标出）。
4．硬件电路安装、调试（包括功能仿真和时序仿真结果）。
5．设计总结。
四、课程设计考核
1．每位（组）学生独立进行电路设计，在画出基本电路图并经理论验证无错误后可进入实验室完成电路元器件的组装与调试工作。
每位学生上交一份课程设计报告。
2.在检验设计作品时对学生所设计的内容和相关知识进行质疑和答辩。
3.根据电路设计和电路调试情况以及课程设计报告、质疑成绩、课程设计过程表现，由指导教师按优、良、中、及格、不及格评定成绩。
具体时间安排：
（2008级）
2.22动员并确定选题与分组；
2.23查找资料，设计电路（程序）模块；
2.24组装各个模块并功能仿真、调试；
2.25完善设计，撰写设计报告；
2.26验收。
完成课程设计。
提前完成的同学可以提前验收。
验收包括：
陈述完成的工作
回答相关问题
演示具体成果。
最终还需要提交：
课程设计报告（一人一份）
包括电子与纸质稿。
设计电路与源代码。
由课代表将每组一个文件夹.
设计题目仅供参考，自己也可选择难度相当的题目。
附录：
课程设计参考题目
设计课题一、算术运算器
一．设计任务
两位十进制数加法、两位十进制数加法、二位十进制乘法。
二、参考设计方案
系统总体设计（顶层设计）
图1-1图1-2
图1-1中a1代表被加数的个位，a2代表被加数的十位；b1代表加数的个位，b2代表加数的十位。
图1-2中a1代表被减数的个位，a2代表被减数的十位；b1代表减数的个位，b2代表减数的十位。
图1-3
注意这里减法的实现:
整体无进位（因为减法是变为补码的加法）的结果是负数位间无进位的要进行减6（实际为加上6的补码）修正.
设计课题二、交通灯控制器
一、实验目的与任务
学习利用计数器和状态机设计十字路口交通灯控制器。
设计一个简单十字路口交通灯控制器。
该控制器控制甲乙两道的红、黄、绿三色灯，指挥交通和行人安全通行。
复杂十字路口交通灯控制器要比简单交通灯控制器增加一些功能，如倒计时时间显示，左转弯（左拐）、指示灯闪烁及特殊紧急情况的处理等。
二、参考设计方案
下面以下面的十字路口交通灯系统为例，来说明上述功能的实现：
东西方向（甲道）循环为绿灯45s,黄灯5s，左拐灯15s，黄灯5s，红灯40s，黄灯5s南北方向（乙道）循环为红灯65s，黄灯5s，绿灯20s，黄灯5s，左拐灯15s，黄灯5s
其一个工作周期的时间关系示意图如下：
可以将一个周期划分成以下8种状态：
S0：
cnt=0-44：
甲道通行，乙道禁止；
S1：
cnt=45-49：
甲道停车，乙道禁止；
S2：
cnt=50-64；甲道左拐，乙道禁止；
S3：
cnt=65-69；甲道停车，乙道禁止；
S4：
cnt=70-89；甲道禁止，乙道通行；
S5：
cnt=90-94；甲道禁止，乙道停车；
S6：
cnt=95-109；甲道禁止，乙道左拐；
S7：
cnt=110-114；甲道禁止，乙道停车；
具体实现可采用VHDL/Verilog硬件描述语言设计。
设计课题三、数字频率计
一、课程设计内容及要求
本次课程设计要求设计并用CPLD实现一个数字频率计，具体设计要求如下：
测量频率范围：
10Hz～100KHz精度：
ΔF/F≤±2%
系统外部时钟：
1024Hz测量波形：
方波Vp-p＝3～5V
编程语言：
VerilogHDL/VHDL
二、系统总体设计
输入待测信号频率自动选择量程，并在超过最大量程时显示过量程，当复位脉冲到来时，系统复位，重新开始计数显示频率。
基于上述要求，可以将系统基本划分为四个模块，分别为分频、计数、锁存和控制，并可以确定基本的连接和反馈，如上图所示。
三、系统及模块设计与说明
如左图所示为数字频率计测量频率的原理图。
已知给定标准时钟脉冲高电平时间
，将此高电平信号作为计数器闸门电平，通过计数器得到
时间内待测脉冲的个数N，则有
。
由图示可以看出，一个闸门电平时间内计数的最大误差为N±1，为保证误差要求取N≥100。
经计算，四档的闸门电平时间
分别为10s、1s、0.1s和0.01s。
仅对计数器计数值N进行简单的移位即可得到结果。
产生闸门电平的工作由分频器完成。
分频器采用计数分频的方法，产生计数闸门电平和一系列控制脉冲，并接受计数器和控制器的反馈。
控制器主要用来判断计数器计数是否有效，从而控制档位转换，锁存器打开、关闭和设定值。
计数器在分频器和控制器的作用下对输入待测信号计数，并把计数值输出，在计数溢出时向控制器和分频器发送溢出脉冲。
锁存器用来储存有效计数值，以稳定输出。
设计课题四、智力竞赛抢答电路
一、设计任务与要求
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮0~7表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关Space，该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时灯亮提示。
选手抢答实行锁存让然后进行编码并用七段显示器显示，选手抢答权利平等，抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4.抢答器具有定时抢答功能，当主持人启动"开始"键后，定时器进行加计时，同时扬声器发出短声响。
5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示9。
二、参考设计方案：
数字抢答器总体方框图：
如上图所示为总体方框图。
其工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布"开始"抢答器工作。
定时器计时。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
编号锁存，编号显示、灯亮提示。
当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
设计课题五、电梯控制器的设计与实现
一、设计任务
本电梯控制器分为主控制器和分控制器。
主控制器是电梯内部的控制器，每个楼层有一个分控制器。
主控制器的功能：
（1）完成6个楼层多用户的载客服务控制。
（2）电梯运行时显示电梯的运行方向和所在的楼层。
（3）当电梯到达选择的楼层时，电梯自动开门。
（4）具有提前关电梯门和延时关电梯门的功能。
（5）响应分控制器的有效请求，如果到达有请求的楼层，电梯自动开门。
分控制器的功能：
（1）显示电梯的运行状态和所在的楼层。
（2）显示乘客的上升和下降请求。
分控制器的有效请求原则：
（1）电梯处于等待状态时，上升和下降请求都响应。
（2）电梯处于上升状态时，有上升请求的分控制器所在楼层数大于电梯所在的楼层数。
（3）电梯处于下降状态时，有下降请求的分控制器所在楼层数小于电梯所在的楼层数。
二、参考设计方案
控制器的功能模块如上图所示，包括主控制器、分控制器、楼层选择器、状态显示器、译码器和楼层显示器。
乘客在电梯中选择所要到达的楼层，通过主控制器的处理，电梯开始运行，状态显示器显示电梯的运行状态，电梯所在的楼层数通过译码器译码从而在楼层显示器中显示。
分控制器把有效的请求传给主控的楼层数。
由于分控制器相对简单很多，所以主控制器是核心部分。
总体（顶层设计图—基于VHDL）
--
--文件名：
dianti.vhd。
--功能：
6层楼的电梯控制系统。
--最后修改日期：
2004.4.12。
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
useieee.std_logic_arith.all;
entitydiantiis
port（clk:
instd_logic;--时钟信号（频率为2Hz）
full,deng,quick,clr:
instd_logic;--超载、关门中断、提前关门清除报警信号
c_u1,c_u2,c_u3,c_u4,c_u5:
instd_logic;--电梯外人的上升请求信号
c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6:
instd_logic;--电梯外人的下降请求信号
d1,d2,d3,d4,d5,d6:
instd_logic;--电梯内人的请求信号
g1,g2,g3,g4,g5,g6:
instd_logic;--到达楼层信号
door:
outstd_logic_vector（1downto0）;--电梯门控制信号
led:
outstd_logic_vector（6downto0）;--电梯所在楼层显示
led_c_u:
outstd_logic_vector（5downto0）;--电梯外人上升请求信号显示
led_c_d:
outstd_logic_vector（5downto0）;--电梯外人下降请求信号显示
led_d:
outstd_logic_vector（5downto0）;--电梯内请求信号显示
wahaha:
outstd_logic;--看门狗报警信号
ud,alarm:
outstd_logic;--电梯运动方向显示，超载警告信号
up,down:
outstd_logic）;--电机控制信号和电梯运动
enddianti;
设计课题六、出租车里程计价器的设计
一、设计任务及要求
本出租车计费器要实现的功能是出租车按行驶里程收费，起步费为7.0元，行驶3公里后再按2元/公里计费，车停时不计费。
能预置起步费和每公里收费，并能模拟汽车启动、停止、车速等状态。
二、设计原理及框图
如下图，当起/停开关及清零信号RESET都为‘1’时，汽车启动就开始进入计费器工作状态（即在基本速率端输入一个时钟信号CLK，表示每来一个脉冲，汽车运行了0.1公里）,最终通过状态显示电路模块将车费和里程显示出来（有一位小数）。
通过改变‘车速选择’端的输入值可以实现模拟汽车行驶的快慢。
当起/停开关变为‘0’，则计费器处于保持状态，显示的是当前的计费结果和里程，而当RESET信号为‘1’时，无论其它端输入什么信号，输出都为‘0’。
图6-1出租车计费器原理框图
二、设计流程图
图6-2整体系统的编程流程图
顶层模块设计
出租车计费器系统结构的实现
此图能完全实现设计任务的要求。
原理图如下：
其中，ko1、ko2为车速控制开关，clk为时钟信号，reset为复位信号，up_down为起/停控制信号，count为预置每公里收费的信号，load为预置使能信号，dd为预置起步费信号，out5、out4为记录里程的整数位，out6为记录里程的小数位，out1、out2为记录费用的整数位，out3为记录费用的小数位。
设计课题七、数字钟的设计
一.
设计任务
设计一个数字时钟,基本功能如下：
1．准确计时，以数字形式显式时、分、秒的时间；
2．小时的计时要求为“12进1”，分和秒的计时要求为60进位；
3．系统具有校正时间功能。
系统的扩展功能：
定时控制；
二．参考设计方案
数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成数字钟的基本
功能，扩展电路完成数字钟的定时控制扩展功能。
系统的工作原理是：
振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，然后
经分频器输出标准脉冲。
秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数据计满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“12进1”规律计数。
计数器的输出分别经译码器送显示器显示。
计时出现误差时可以用校正电路校时、校分、校秒。
数字钟电路系统的组成框图如图9-1所示。
图7-1数字钟电路系统框图
设计课题八、电子密码锁的设计与实现
电子数字密码锁能够事先设置一组或多组的口令,当破解者试探次数超过一定次数时,进入死锁状态并发出报警.与普通机械锁相比,它有许多独特的优点:
保密性好,防盗性强,可以不用钥匙,记住密码即可开锁等.随着电子技术的发展,电子密码锁的设计也在不断地发展
一．电子密码锁的设计要求
该密码锁的密码由六位十进制数字组成，初始设定“000000”。
可由用户任意设置密码，密码输入正确时开锁，连续三次输入错误密码时系统报警。
同时为保证密码锁主人能打开密码锁，设置一个万能密码，在主人忘记密码时使用。
二、参考设计方案
此设计问题可分为密码输入（含编码功能）删除控制模块、寄存模块、比较模块、扫描显示模块几个部分构成。
（图8-1）
删除
输入与设置密码
//密码锁
/*信号定义：
n0、n1……n9:
数据开关，分别代表0,1,2……9；
back:
删除信号；check:
密码检验信号；set：
密码确认信号；
close:
关锁信号；lock:
密码锁状态显示信号；
num1、num2、num3、num4：
密码输出显示信号，每个数代表四位二进制数。
*/
module
code（n0,n1,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9,back,check,set,close,lock,num1,num2,num3,mum4,clk）;
inputn0,n1,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9;
inputback,check,set,close,clk;
outputlock;
output[3:
0]num1,num2,num3,mum4;………
设计课题九、乒乓灯游戏控制系统
一．设计任务
乒乓灯游戏是一个供两人游戏的乒乓玩具，用八只排成长串的指示灯用来代表球的轨迹，其中一个亮的指示灯用来显示球。
用两个按钮开关作为球拍，甲乙两人参加游戏。
当球到达甲方时，应立即按动开关（电路应只能响应按钮信号的前沿），表示回球，球到达乙时，同样也应立即按动乙方的开关，将球回击到对方去。
用一个时钟脉冲源来移动球，约每1／4秒左右移动一次，如果双方操作准确，则球往返运动．如果玩者按动开关的时机超前或迟后，球就会在终端位置消失，灯熄灭，表示失败，游戏将重新开始。
二．参考设计方案
该设计问题可由甲方、乙方的开关控制电路以及发球开关控制模块、球左右往返运动控制模块（由两个双向移位寄组成）、显示驱动电路构成。
开关控制模块实现发球和回球，球的运动轨迹由左右往返运动控制模块实现，八个发光二极管显示球的位置。
系统的结构框图如图9-1所示。
图9-1乒乓灯游戏控制系统的结构框
设计课题十、汽车尾灯控制电路
一．设计任务
设计一个汽车尾灯控制电路，要求汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用发光二极管模拟），当在汽车正常运行时指示灯全灭；在右转弯时，右侧3个指示灯按右循环顺序点亮；在左转弯时，左侧3个指示灯按左循环顺序点亮；在临时刹车时，所有指示灯同时点亮。
二．参考设计方案
分析以上设计任务，由于汽车左转弯或右转弯时，3个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。
由此得出在每种运行状态下，各指示灯与给定条件间的关系，即逻辑功能表10-1所示。
汽车尾灯控制电路设计总体框图如图10-1所示。
汽车尾灯和汽车运行状态表10-1
开关控制
汽车运行状态
右转尾灯
左转尾灯
S1S2
D1D2D3
D4D5D6
00
正常运行
灯灭
灯灭
01
右转弯
按D1D2D3顺序循环点亮
灯灭
10
左转弯
灯灭
按D4D5D6顺序循环点亮
11
临时刹车
所有尾灯同时点亮
图10-1汽车尾灯控制电路设计总体框图
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