数字逻辑电路课程设计指导书.docx
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数字逻辑电路课程设计指导书
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题目一汽车尾灯控制电路设计
一、设计要求
假设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯1．汽车正常运行时指示灯全灭
2．右转弯时，右侧3个指示灯按右循环顺序点亮3．左转弯时左侧3个指示灯按左循环顺序点亮4．临时刹车时所有指示灯同时闪烁二、设计过程
1．列出尾灯与汽车运行状态表，如下表1所示
表1尾灯与汽车运行状态关系表开关控制S1S20 00 11 01 1正常运行右转弯左转弯临时刹车运行状态左尾灯右尾灯D4D5D6灯灭灯灭按D4D5D6顺序循环点亮D1D2D3灯灭按D1D2D3顺序循环点亮灯灭所有的尾灯随时钟CP同时闪烁2、设计总体框图
于汽车左右转弯时，三个指示灯循环点亮，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。
此得出在每种运行状态下，个指示灯与各给定条件的关系，即逻辑功能表如表2所示，表1可得出总体框图，如图1所示。
显示、驱动电路尾
灯电路
S0S1三进制计数器图1总体框图
开关控制电路译码电路表2开关控制 S1 S0 0 0 0 1 1 0 1 1三进制计数器 Q1 Q0 × × 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 × ×3、设计单元电路
三进制计数器电路。
双JK触发器74LS76构成，可根据表2进行设计。
汽车尾灯电路。
其显示驱动电路6个发光二极管和6个反相器构成。
译码电路3－8线译码器74LS138和6个与非门构成。
74LS138的三个输入端A2、A1、A0分别接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三进制计数器的输出端。
当S1＝0、使能信号A=G=1，计数器的状态位00，01，10时，74LS138对应的输出端Y0，Y1，Y2依次为0有效，即反相器G1～G3的输出端也依次为0，故指示灯D1D2D3按顺序点亮示意汽车右转弯。
若上述条件不变，而S1＝1，则74LS138对应的输出端Y4、Y5、Y6依次为0有效，即反相器G4～G6的输出端依次为0，故指示灯D4D5D6按顺序点亮，示意汽车左转弯。
当G=0，A=1时，74LS138的输出端全为1，G6～G1的输出端也全为1，指示灯全灭；当G=0，A=CP时，指示灯随CP的频率闪烁。
开关控制电路。
设73LS138和显示驱动电路的使能端信号分别为G和A，根据总体逻辑功能表分析及组合得G、A与给定条件的真值表，如表3－3所示，此表经过整理得逻辑表达式为
000000000000001010100CPCPCP六个指示灯D6D5D4D1D2D3000100010001000000000CPCPCPGS1S0
AS1S0S1S0CPS1S0S1S0CP
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表3开关控制 S1 S0 0 0 0 1 1 0 1 14、设计汽车尾灯总体参考电路
步骤3可得出汽车尾灯总体电路，如图2所示三、实验设备及所选用组件箱名 称 数字电子技术实验箱 数字万用表 74LS138×174LS00×274LS04×2 74LS10×1 74LS76×174LS86×1
数量11设备编号 ×××CPCP使能信号 G A 0 1 1 1 1 1 0 CP3
+5V200X6D1～D6123456G1～G674LS04789101112G7～G1274LS00151413111094G2A574LS138G16G2BA2A1A032141J1Q1592J2Q111616\1\1K1Q1412\1\2K2Q10+5V+5VS1S0CPGNDGND图2总体参考电路
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题目二多路智力竞赛抢答器设计
一、设计要求 1、基本功能
设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别时0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
抢答器具有数据锁存和显示功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。
此外，要封锁输入电路，禁止其它选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
2、扩展功能
抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以主持人设定。
当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间左右。
参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示00。
二、设计过程
1、设计电路的总体框图
定时抢答器的总体框图如图1所示。
它主体电路和扩展电路两部分组成。
主体电路完成基本的抢答功能，即计时抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其它选手抢答。
扩展电路完成定时抢答的功能。
图1所示的定时抢答器的工作过程是：
接通电源时，节目主持人将开关置于“清除“位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：
a：
优先编码电路立即分辩出抢答者的编号，并锁存器进行锁存，然后译码显示电路显示编号；b：
扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；c：
控制电路要对输入编码电路进行锁存，避免其它选手再次进行抢答；d：
控制电路要使
定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
图1
2、抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：
一是能分辩出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其它选手的按键操作无效。
选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图2所示。
其工作原理是：
当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。
于是74LS48的BI＝0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST＝0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。
当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7I0输入信号，当有选手将键按下时，74LS148的输出Y2Y1Y0＝010，YEX＝0，经过RS锁存器后，CTR＝1，B1＝1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q＝101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。
此外，CTR＝1，使74LS148的ST端为高电平，74LSE148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。
当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它
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抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路显示电路主体电路主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路控制电路按键的输入信号不会被接收。
这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以方便进行下一轮抢答。
+5V3+5V5LTYa......Yg410KBIRBO74LS48RBIA3A2A1A06217GND4QRS3QRS2QRSCTR1Q74LS279RS主持人控制开关S67Y1Y274LS1489Y014YEX15清除GND开始5STYS5104I73I62I51I413I312I211I110I0D110K×8GND+5VS7S6S5S4S3GNDS2S1S0图2
3、定时电路设计
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲秒脉冲电路提供。
具体电路如图3所示。
4、报警电路设计
555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率
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f0（R12R2）Cln2（R12R2）C其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
+5V...Ya...Yg+5VBO210K543345A3676...Ya...YgA2A12123474LS1925+5V10115A07A3676A2A12123A07413111374LS19211149GND101155+5VS控制开关GND数据预置149GND数据预置+5V15K脉冲指示图3
5、时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
根据上面的功能要求以及图2、3，设计的时序控制电路如图5所示。
图中，门G1的
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作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端ST。
图5的工作原理是：
主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于图2中的74LS279的输出CTR＝0，经G3反相，A＝1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS279的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，来自于图3中74LS192的借位输出端BO2＝1，门G2的输出ST＝0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求。
当选手在定时时间内按动抢答按键时，CTR＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST＝1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求。
当定时时间到时，来自74LSE192的BO2＝0，ST＝1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能的要求。
74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
+ΩR3510+5V9013R115KGND+5V图4
G1CPCPDG3G2CTRBO2S574LS121B1A2AQRextCextCext10uFPR100KYEX3BO241ST 图5 图5
6、整体电路设计
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经过以上各单元电路的设计，可以得到定时抢答器的整体电路，如图6所示
图6
于电子技术实验箱上的数码管显示模块已集成了显示驱动电路，故实际实验时电路可更为简单，图6中的显示驱动电路部分可以不接，直接将锁存器74LS279和计数器74LS192的输出接数码管显示模块的输入插座A、B、C、D，其对应顺序为A0→A、A1→B、A2→C、A3→D，74LS279的输出也无须再接入74LS48的4脚，其它部分电路与图6相同。
三、实验设备及所选用组件箱名 称 数字电子技术实验箱 数字万用表 74LS148×274LS00×174LS121×1
数量11设备编号 10
74LS192×274LS279×2NE555×2
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题目三交通灯控制器的设计
一、设计任务及要求
设计一个用于十字路口的交通灯控制器。
能显示十字路口东西、南北两个方向的
红、黄、绿的指示状态。
具有倒计时功能。
用两组数码管作为东西和南北方向的倒计时显示，主干道每次
放行60秒，支干道每次放行45秒，在每次绿灯变成红灯的转换过程中，要亮黄灯5秒作为过渡。
黄灯每秒闪亮一次。
二、设计过程
1、设计电路的总体框图
2、控制电路设计
设主干道绿灯、黄灯、红灯分别为G1、Y1、R1；支干道绿灯、黄灯、红灯分别为G2、Y2、R2，并且均用0表示灭，1表示亮，则交通灯有如下四种输出状态：
状态S0S1S2S3
G1Y1R100011011100010001001G2Y2R200100110001012
采用4位二进制计数器74161实现控制器的四个状态循环。
当倒计时计数值为01时，产生7161的计数使能信号，使控制器从当前状态转入下一个状态。
因此，计数值01可作为控制器状态转换的条件T1=1，同时也可产生同步置数信号，将下一状态的计数初值置入计数器。
状态表
G1QBQAm0Y0;Y1QBQAm1Y1R1QBQAQBQAm2m3Y2Y3;
G2QBQAm2Y2Y2QBQAm3Y3;
R2QBQAQBQAm0m1Y0Y1
二、倒计时电路设计
1）具有同步置数功能的十进制减法计数器
LDN=1时：
通过卡诺图分别求解驱动方程D3D2D1D0（自己写出四个驱动方程）。
LDN=0时：
D3D2D1D0=DCBA
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CPLDN现态Q3Q2Q1Q0次态Q3Q2Q1Q0（D3D2D1D0）1000011101100101010000110010000100001001DCBA110011000011101100101010000110010000100000XXXX2）将2片级联实现2位十进制减法计数器。
3）当主干道或者支干道减法计数器值为01时，产生同步置数信号，将下一状态计数初值置入。
状态S0S1S2S300011011主干道预置数D7D6D5D40000010100000110D3D2D1D00101000001010000支干道预置数D7D6D5D40000010000000110D3D2D1D00101010101010101三、动态显示、译码
EDA实验板上一共有8个数码管，如果按照传统的数码管驱动方式，则需要8个七段译码器和64个I/O口进行驱动，这样就会浪费大量的资源。
所以最常见的数码管驱动电路为动态扫描显示。
数码扫描显示原理：
利用人眼的视觉暂留效应，把多个数码管按一定顺序进行点亮。
当点亮的频率不大时，人眼看到的是数码管一个个的依次点亮，然而扫描频率足够大时，看到的不再是一个一个的点亮，而是全部同时点亮。
1、动态显示2、七段译码四、时钟电路
注意：
本次设计采用alter公司FPGA芯片
附：
参考电路图
15
图1：
具有同步置数功能的十进制减法计数器
图2：
级联实现2位十进制减法计数器
16
图3：
主干道、支干道倒计时电路
图4：
动态显示电路
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图5：
7段译码电路
18
图6：
时钟分配电路
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图7：
整体电路
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普通二极管稳压二极管发光二极管D1DiodesDIODE1BH62DiodesZENERDiodesLEDNPN三极管Q1TransistorsBJT_NPN2N2222APNP三极管Q1TransistorsBJT_PNP2N3702N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管Q1TransistorsJFET_N2N3370Q1TransistorsJFET_P2N260831
Q1NMOSTransistorsMOS_3TEN2N7000Q2PMOSTransistorsMOS_3TEPBST100715U26运算放大器3AnalogOPAMP741247418U3OUT3VCC4RSTDISTHRTRICONGND1555定时器7625MixedTIMERLM555CMLM555CM-V直流电压表U3+VOLTMETERVOLTMETER_HDC10M32
直流电流表U3+IndicatorsAMMETERAMMETER_HDC1e-009指示灯VX1PROBEPROBEU3扬声器IndicatorsBUZZERBUZZERBUZZER200HzU3七段数码显示器DCD_HEXIndicatorsHEX_DISPLAYDCD_HEX左石英晶体振荡器X1MiscCRYSTALHC-49/U_HC-49/U_熔断器F1MiscFUSE_AMP_AMPTTL系列集成TTL74STD/74LS/74S/74F/74ALS/74AS33
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