数电课程设计报告.docx

数电课程设计报告.docx

《数电课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数电课程设计报告.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数电课程设计报告

生理刺激反应时间测试仪

目录

第一章设计指标……………………………………......................2

设计指标……………………………………………………………2

第二章系统概述……………………………………..…………..3

2.1设计思想……………………………………………………….3

2.2可行性论证…………………………………………….………3

2.3各功能的组成…………………………………………………..3

2.4总体工作过程…………………………………………………..4

第三章单元电路设计与分析……………………………………...6

3.1各单元电路的选择……………………………………………...6

3.2设计及工作原理分析………………………………………….18

第四章电路的组构与调试…………………………………...…..20

4.1遇到的主要问题……………………………………………….20

4.2现象记录及原因分析…………………………………………20

4.3解决措施及效果………………………………………………20

4.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据………………..20

第五章结束语………………………………………………………24

5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明………..24

5.2总结设计的收获与体会………………………………………..24

附图（电路总图）……………………………………………………...25

参考文献……………………………………………………………..28

数电课程设计报告

唐雅琴自动化0901********

第一章设计指标

人体在受到外界声、光信号刺激后作出反应的时间有快有慢,某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定要求。

比如,短跑、跨栏运动员的成绩都精确到0.01s,所以运动员在起跑瞬间对发令枪响做出的反应时间对其运动成绩有很大程度的影响。

生理刺激反应

时间测试仪就是用于测量被测试者在受到声、光信号刺激后做出反应动作的滞后时间。

本文通过生理刺激反应时间测试仪的设计和实现,介绍数字测量仪器的功能分析和设计综合方法。

其指标如下：

（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1～10s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,计时单位为0.1ms。

（5）以七段LED数码管显示计时测量值的高三位,最低位测量值进行四舍五入处理,显示值保持到新的测量开始。

（6）若受试者的反应时间超过999.5ms“,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。

第二章系统概述

2.1设计思想

分析设计要求可知,生理刺激反应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。

在数字逻辑电路中,计数器具有累计时钟脉冲的作用,可以实现定时、延时或计时功能,所以,生理刺激反应测试仪的主要部件是计数器和逻辑控制电路。

2.2可行性论证

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、声刺激信号由蜂鸣器产生。

“测试开始”按键和“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3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LP22900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环定时产生的。

比如,计数器的模为M、计数脉冲频率为1s,则计数器的溢出信号周期为Ms,信号宽度一般为1s。

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～Ms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1s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～Ns。

2、　最低位计数值的四舍五入处理

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。

3、　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,判断受试者发出的反应信号re2sponse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图1所示。

图1部分控制信号的时序关系及参考控制方法

2.4总体工作过程

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overflow和违例信号weili。

若选择下降沿有效的点触键为“测试开始”键和“反应”键,比如LP2900开发装置上的PS1,PS2键,则start,response为相应按键产生的负脉冲信号。

ready,test,response,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、时基信号产生等5个模块其中随机信号采用模N的延时计数器、模M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1s,所以时间计数值可以不经锁存直接显示。

时基电路产生定时、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。

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start负脉冲触发ready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1～2s。

当延时时间到,dealy信号有效。

dealy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～Ms。

这样,随机信号random比“测试开始”按键的作用时间滞后1～M+2s出现。

（3）当随机脉冲random出现后,触发test信号有效并控制ready,dealy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999.5s,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。

weil信号禁止随机脉冲产生,test信号始终无效。

第三章单元电路设计与分析

3.1各单元电路的选择

1、74LS160

74LS160是同步集成十进制计数器，技术状态从0000到1001循环变化，因此也称8421BCD码计数器。

它的逻辑符号、引脚图与74LS161完全相同，不同的是仅当T=1切计数状态为1001时，Qc才为高，并产生进位信号。

74LS160为异步清零，其功能表与74LS161相同。

P、T为计数器允许控制端，高电平有效，只有当清零端、置位端、P*T都为1时，在CP信号的作用下计数器才能正常计数。

当清零端、置位端为1，而P、T中有一个为低时，计数器处于保持状态。

P和T的区别是T影响进位输出Oc，而P不影响进位输出。

74LS160符号：

波形图如下：

2、74LS153数据选择器

符号：

D0—D3是数据输入端，也称为数据通道；A1、A0是地址输入端，或称选择输入端；Y是输入端；功能表如上。

3、分频器单元

采用8级分频器产生1µs~10s共10路分频倍率为10的时钟信号，其中1µs~1ms这4路信号满足周期测量信号参数表所显示的时基信号要求作为侧周计数（时基）脉冲，而10ms~10s这4路的信号满足频率测量信号参数表所示的采样时间要求作为测频采样定时（时基）信号。

十分频计数器由8个7490级联设计而成。

7490是二-五-十进制加计数器，片上有一个二进制计数器和一个异步五进制计数器输出器件。

其中QA为二进制计数器的输出；QB-QD为五进制计数器输出，位序从高至低依次为D、C、B。

CLKA和CLKB分别是两个计数器的脉冲输入端，下降沿触发有效。

CLRA和CLRB史两个计数器的复位清零端，同为高电平有效；SET9A和SET9B分别是两个计数器的置9控制端。

当同为高电平有效时，QD、QC、QB、QA被预置为1001。

7490片上的两个计数器级联后可以实现十进制计数器。

当计数脉冲CP控制二进制计数器的时钟CLKA，并以二进制计数器输出QA控制五进制计数器的时钟CLKB，即构成8421BCD码十进制计数器，输出码从高位至低位顺序为QD，QC,QB,QA。

在每个计数器的下降沿QA翻转；而在QA的下降沿，五进制计数器加1.每10个计数脉冲QD-QA状态循环变化一周。

而本次课程设计我们选用的是占空比为50%的脉冲信号，所以计数脉冲CP控制五进制计数器的始终CLKB，并以五进制计数器的最高位输出QD控制二进制的时钟CLKA，即构成5421BCD码十进制计数器，输出码从高位至低位顺序为QA、QD、QC、QB。

在每个计数脉冲的下降沿五进制计数器加1；而每个QD的下降沿QA翻转。

每10个计数脉冲周期计数器输出状态循环一周。

十进制计数器的溢出信号的频率是输入计数脉冲频率的1/10。

7490的设计电路如下所示：

7490元件及其波形：

十分频的设计电路如下所示：

元件形式：

a——10MHz

b——1MHz

c——100kHz

d——10kHz

e——1kHz

f——100Hz

g——10Hz

h——1Hz

4、动态扫描显示电路单元

①动态显示扫描控制

动态扫描驱动电路中所有的显示器有相同的段信号控制，公共端有效的显示器将显示相同的字符。

所以，要是个显示器显示不同的内容，必须控制他们的公共端分时轮流有效。

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。

比如，若LP—2900上FPGA端口DE3、DE2、DE1按“000”→“001”→“010”→“011”→“100”→“101”→“000”循环输出二进制码，使用3—8线译码器74LS138将输出顺序脉冲扫描控制6个共阴显示器的公共端C1~C6。

每路脉冲信号的周期为6个时钟周期，只有1个时钟周期为低电平，且低电平时间依序错开。

由于个显示器的阴极段分时轮流选通，任意瞬时只有一个显示器的公共端为有效（低）电平。

动态扫描显示电路每位显示的时间为一个CP周期，显示扫描周期T为时钟周期的n倍（n为显示位数），每个显示器的显示时间为1/n。

当扫描时钟CP较低时，因为轮流导通可能造成显示信息闪烁。

但当扫描频率提高到使美格显示器每秒的导通次数多于50次（T<20ms）时，由于人眼的视觉暂留效应，就不会感觉显示器闪烁。

但扫描位数过多时，显示亮度将受到影响。

②显示译码电路

本设计要求实现4位动态扫描显示，可以任选LP—2900装置上6位显示中的前4位或后4位显示。

若采用六进制计数器产生“000”~“101”6组码控制74138，全部显示的选通信号轮流有效，可以使N1、N2为全“0”灭显前两位显示器或使N5、N6为全零灭显后两位。

如果采用四进制计数器的输出控制DE2、DE1，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~C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显，不必输出N5、N6信号。

③AHDL文件编辑

AHDL文件必须以英文输入方式编辑，基本描述分为3个部分：

实体名、实体对外端口、实体内部的逻辑描述。

AHDL文件编辑如下图：

元件形式：

用四片74153M作为数据选择器，分别选择4位数的最低位，第二位、第三位和最高位，然后通过七段显示译码控制a~g七个显示段灯的亮或灭。

在用一片74153M作为小数点的数据选择器，总共5片选择器的输入端A1、A0二进制计数器的输出，以“00”、“01”、“10”、“11”的循环变化。

七段显示器图：

动态扫描电路如下图：

其元件形式如下：

5、随机脉冲发生及逻辑控制单元

用74160产生模为10随机信号，即每十秒产生一个脉冲，违例灯取反和1Hz相与给次片74160脉冲；再用一片74160产生延迟信号，延迟时间为两秒；按下“START”键给D触发器一个脉冲，使准备灯亮，用随机信号和违例灯取或非控制此触发器的清零端；再用一个D触发器控制违例灯，准备灯（电平）和反应键的与给触发器一个脉冲，“START”和测试信号的或非控制此触发器的清零端；用“A”电平键取反和测试信号、10kHz相与控制蜂鸣器；用测试信号和“A”电平键相与控制测试灯；同样用一个D触发器控制溢出灯，计数器的最高位进位信号通过一片74160延迟一次计数，QA输出给此D触发器一个脉冲，“START”取反控制此触发器的清零端。

随机脉冲发生及逻辑控制电路图如下：

6、计数计时及动态扫描显示单元

5片74160级联，第一片为小数点后一位，将其以五置数，用“ＳＴＡＲＴ”取反置数，用溢出和测试信号相与、违例取反和测试信号相与，然后两者再相或控制第一片74160的P使能端；每一篇的进位信号给下一片CP脉冲；中间３片74160即为计时作用，最后一片74160的作用是控制延迟一个脉冲溢出，是显示器显示“000”，所以用“QA”为输出给D触发器一个脉冲控制溢出灯；同时，用“ＳＴＡＲＴ”取反控制每一片计数器的清零端。

7、3片74160计数器及其波形

波形：

3.2设计及工作原理分析

生理刺激反应测试仪的设计原理框图如下：

设计电路时可分为五个模块，即：

逻辑控制模块、动态扫描显示模块、测试计时模块、随机脉冲发生模块、分频模式。

设计时应准备以下内容：

1、根据设计要求，分析分频模块各输出信号的频率，按所用FPGA开发装置的主振时钟设计分频电路。

1选择合适的动态扫描频率f1使3位测量值稳定显示没有闪烁。

2很据测试计时精度要求选择合适的测试基准时钟频率f2。

3根据随机信号产生的时间范围选择延时计数器和定时计数器的计数频率。

2、选择合适的计数器实现延时和定时功能，确定个计数器的模，画出随机信号产生电路的原理图。

3、选择合适的计数器构成测试计时电路，注意计数器的级联方式。

分析测试计数器的预置值应该是多少，很据所选计数器的溢出信号有效电平和时序关系分析溢出控制逻辑，画出测试计时电路原理框图，标出控制信号连接关系。

4、根据参考设计方案中对控制信号的分析，分别画出正常测试、测试计时溢出和违例3种情况下，start、ready、dealy、random、testresponse、overflow和weili的信号时序波形。

考虑“准备”灯、“测试”灯（蜂鸣器）、“违例”灯和“溢出”灯分别由哪些信号控制。

设计控制逻辑电路，画出电路原理图。

第四章电路的组构与调试

4.1遇到的主要问题

1、第一次测试的时候，当溢出灯亮时，显示器并没有停止计数，而是一直从“000”到“999”的循环；

2、解决第一点让显示器停止计数，溢出时发现它显示的是“999”，没有达到要求的“000”；

3、开始测试的时候蜂鸣器响了，但是当按下反应键的时候蜂鸣器仍在响，并没达到要求；

4、显示器显示的时间太慢。

4.2现象记录及原因分析

下载后，发现显示器现实的时间太慢，数下来发现是9秒，经讨论后觉得应该是频率不对；当溢出灯亮时，显示器并没有停止计数，而是一直从“000”到“999”的循环，是因为没有控制74160的使能端是它停止计数并保持；溢出时发现它显示的是“999”，没有达到要求的“000”，是因为计数器计到“999”就给控制溢出灯脉冲了；当按下反应键的时候蜂鸣器仍在响，是没有控制产生测试信号的D触发器使能端。

4.3解决措施及效果

1、让溢出灯信号、测试信号、违例灯信号同时控制第一片74160计数器的P使能端；下载后显示器停止变化，显示“999”；

2、再在计数器的最后加一片74160，目的是延迟一个脉冲，让计数器再计一次，然后由“QA”输出给D触发器一个脉冲，从而控制溢出灯；下载后显示器“000”；

3、用反应键取反控制产生测试信号的清零端，当按下反应键的时候测试信号为零，蜂鸣器停止鸣响。

4、将频率换为1kHz，下载后计数“999”ms.

4.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据

测试方法：

当测试灯亮或蜂鸣器响的时候，按下反应键，显示器显示的就是人的反应时间。

步骤：

⑴、输入随机信号发生模块电路，建立仿真文件。

改变start信号有效的时段，观察仿真报告文件中随机信号产生时间是否不同，随机信号产生后dealy信号能否保持。

仿真通过后创建模块符号。

⑵、输入逻辑控制模块电路，建立仿真文件。

根据正常、违例两种情况分别设置仿真文件的输入信号start、response及random，观察模块输出信号test、weili信号是否符合设计要求。

仿真通过后创建模块符号。

⑶、输入测试计数器模块电路，建立仿真文件。

观察仿真结果：

计数器能否正常进位；最低位计数制能否四舍五入；计数器溢出后能否停止计数。

⑷、建立顶层设计文件，调用底层各模块，创建或导入分频模块和显示控制模块，连接整个系统电路。

将测试计数器的输出与显示控制模块相连接，注意各信号位序关系。

设计刺激源选择电路，当声刺激信号有效时，蜂鸣器可由脉冲频率控制。

⑸、分析与综合通过后，根据所适用实验装置的FPGA端口连接协议锁定输入、输出信号引脚编号，编译通过后下载观察设计结果。

⑹按设计要求检察系统功能，测试本人的4次反应时间，求取反应时间平均值。

设备：

FPGA端口，QuartusⅡ

记录数据：

4次反应时间分别为：

222ms235ms215ms238ms

平均反应时间为227ms

附加实验汽车尾灯控制电路设计

一、设计要求

用6个发光二级管模拟汽车尾部左、右两侧的3个尾灯，用开关模拟左转、右转、刹车、倒车和检查控制。

当汽车处于左转或右转状态时，左侧或右侧的3个汽车尾灯按照左循环或右循环的顺序以1Hz的频率依次轮流点亮。

当刹车键按下时，汽车所有的尾灯同时长亮。

当倒车键按下时，汽车所有的尾灯以1Hz的频率闪烁，同时蜂鸣器以0.5s响、0.5s停的方式鸣响。

4个按键优先级别最高的为倒车。

若转弯键和刹车键同时按下，转弯侧的灯轮流循环亮，另一侧的灯常亮。

若左、右转按键同时按下，做刹车处理。

二、设计步骤

①列出4个按键与译码器使能G的控制逻辑、闪烁脉冲、蜂鸣器控制脉冲信号的选通逻辑以及发光二极管控制逻辑的关系表。

②采用触发器或集成计数器设计三进制计数器。

③根据需要的脉冲信号频率和所用FPGA开发装置的基准时钟OSC确定

频系数。

设计满足分频率及信号占空比的分频电路。

三、设计图

元件形式为：

分析设计要求可知，电路主要根据3个按键对两组6个发光二极管进行控制。

发光二极管的点亮模式有3种：

循环轮流点亮、闪烁、长亮；发光二极管循环轮流点亮可以采用移位寄存器产生的序列脉冲信号或数据分配器依序分配的脉冲信号控制，闪烁点亮和蜂鸣器响可以采用一定频率的脉冲信号控制。

左右两组尾灯的控制模式对称，所以可采用相同的控制电路。

每组尾灯有3路输出，采用三进制计数器控制2—4线译码器74139m或74139o实现，前者使能控制位高电平有效，后者使能控制位低电平有效。

当使能无效时，74139的4个输出都为高电平；当时能有效时，根据译码输入B、A的码值i输出Yi为低电平。

采用74139的输出YO~Y2反相后控制3个尾灯，当时能G有效时，可有计数器控制译码器输入B、A按“00”、“01”、“10”状态变化，则3个尾灯轮流依次点亮。

若使能G无效，译码器输出全为高电平，可采用逻辑门由刹车键控制发光二极管全亮或由倒车键选通脉冲信号控制发光二极管闪烁。

采用20Hz至20kHz的音频脉冲信号控制蜂鸣器，可以使蜂鸣器鸣响，信号频率越高，音调越高。

本设计要求在倒车时，蜂鸣器以0.5s的间隔鸣响。

汽车尾灯控制电路设计总图：

第五章结束语

5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明

本实验基本实现了生理反应时间测试，也介绍了数字测量仪器的功能分析和设计综合方法。

但是在实验过程中也存在着各种误差，比如受输入按键抖动影响，脉冲按键和电平按键都会有抖动产生，对测试结果有微量影响，使测试结果并不是很精确，另外，各触发器之间也有时间的微小延迟，这也会影响结果。

5.2总结设计的收获与体会

此次生理刺激反应时间测试仪课程设计给我最大的体会就是理论是实践的基础。

此外，这次课程设计给我提供给了一个很好的锻炼机会，通过该设计，使能够自主设计，锻炼了自己创新能力，能将自己学的知识应用到设计中，我很高兴能够学有所用，以后我会更加努力学知识，不仅要在理论上设计东西，也要通过实践，自己组装，以提升自己的动手能力。

我认为课程设计是培养我们综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程。

的确，从学习软件，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只