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1緒論 1.1 選題背景 1.1.1 課題目的及意義 本次課程設計的內容是獨立完成一個乒乓球比賽游戲機的設計，采用EWB電路仿真設計軟件完成乒乓球比賽游戲機電路的設計及仿真調試，在微機上仿真實現(xiàn)乒乓球比賽游戲機的設計。通過這次課程設計讓我們了解和熟悉了乒乓球游戲機的原理和Multisim仿真設計軟件的操作，也讓我們加深了解了對雙向移位寄存器、雙D觸發(fā)器及、加法器及邏輯門電路的一些實際用途，并將理論與實踐相結合。 1.1.2 課題的內容和要求 獨立完成一個乒乓球比賽游戲機的設計，采用EWB電路仿真設計軟件完成乒乓球比賽游戲機電路的設計及仿真調試，在微機上仿真實現(xiàn)乒乓球比賽游戲機的設計。 時鐘電路 甲方記分顯示 乙方記分顯示 發(fā)球次數(shù)顯示 音 響 電 路 甲方 乙方 裁判 發(fā) 光 二 極 管 排 組 控 制 電 路 雙 向 移 位 寄 存 器 乒乓球比賽模擬機框圖 課程設計具體內容如下：乒乓球比賽是由甲乙雙方參賽，加上裁判的三人游戲（也可以不用裁判），乒乓球比賽模擬機是用發(fā)光二極管（LED）模擬乒乓球運動軌跡的電子游戲機。 設計要求： 1、基本部分 (1) 至少用8個LED排成直線，以中點為界，兩邊各代表參賽雙方的位置，其中一個點亮的LED（乒乓球）依次從左到右，或從由到左移動，“球”的移動速度能由時鐘電路調節(jié)。 (2) 當球（被點亮的那只LED）移動到某方的最后一位時，參賽者應該果斷按下自己的按扭使“球”轉向，即表示啟動球拍擊中，若行動遲緩或超前，表示未擊中或違規(guī)，則對方得一分。 (3) 設計自動記分電路，甲乙雙方各用一位數(shù)碼管顯示得分，每記滿9分為一局。 2、發(fā)揮部分(選做) (1) 甲乙雙方各設一個發(fā)光二極管表示擁有發(fā)球權，每得5分自動交換發(fā)球權，擁有發(fā)球權的一方發(fā)球才能有效。 (2) 發(fā)球次數(shù)能由一位數(shù)碼管顯示。 (3) 一方得分，電路自動響鈴3秒，此期間發(fā)球無效，等鈴聲停止后方可比賽。 課題任務要求 1、畫出總體設計框圖，以說明乒乓球比賽游戲機由哪些相對獨立的功能模塊組成，標出各個模塊之間互相聯(lián)系，時鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。 2、設計各個功能模塊的電路圖，加上原理說明。 3、選擇合適的元器件，在EWB上連接驗證、仿真、調試各個功能模塊的電路。在連接驗證時設計、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的仿真、調試和故障排除。 4、在驗證各個功能模塊基礎上，對整個電路的元器件和連接，進行合理布局，進行整個數(shù)字鐘電路的連接驗證、仿真、調試。 5、自行接線驗證、仿真、調試，并能檢查和發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)原理、現(xiàn)象和仿真結果分析問題所在，加以解決。學生要解決的問題包括元器件選擇、連接和整體設計引起的問題。 1.2 方案選擇 根據(jù)設計任務，對照圖乒乓球比賽模擬及1.1，可以分為三個模塊進行設計： 1. 球臺電路：球跡移動電路可采用雙向移位寄存器方法實現(xiàn)，由發(fā)光二極管作光點模擬乒乓球移動的軌跡。 2. 驅動控制電路：由雙D觸發(fā)器及邏輯門電路構成，通過此電路來控制并且實現(xiàn)球臺燈的左右移位即實現(xiàn)乒乓球的運動。 3. 計分電路：使用十進制的計數(shù)器、邏輯門和集成的4管腳的數(shù)碼管來組成計分電路。 通過多次設計、畫圖及仿真實驗，我們發(fā)現(xiàn)方案電路最簡潔，原理簡單易懂，操作也很方便，且實用性較強。故采用此方案進行設計。 2電路組成和工作原理 （1）分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖如下 時鐘信號源 發(fā)光二極管 球臺驅動電路 控制電路 LED數(shù)碼管1 顯示譯碼器1 計數(shù)器2 計數(shù)器1 顯示譯碼器2 LED數(shù)碼管2 按鍵電路 圖1乒乓球比賽游戲機的原理框圖 如上圖2.1所示，該電路主要由時鐘信號源、按鍵電路、球臺驅動電路，控制電路，計數(shù)器，顯示譯碼器和LED數(shù)碼管等組成。途中標出的各種信號的含義分別為：CP表示球臺驅動電路和計數(shù)器的時鐘信號；S表示燈（乒乓球）移動的信號；L表示發(fā)光二極管驅動信號，由L1~L8組成；CNT表示計數(shù)器的計數(shù)脈沖信號，由CNT1,CNT2組成；KA,KB表示開關控制的外輸入發(fā)球、擊球信號。 （2）總體思路描述如下： 1.用兩個74LS194四位雙向移位寄存器來模擬乒乓球臺，其中第一個74LS194的DL輸出端QD接第二個的右移串行輸入端SR，這樣當乒乓球往右準備移出第一個寄存器的時候就會在時鐘脈沖的作用下被移入第二個寄存器。同樣道理，第二個74LS194的AR輸出端接第一個的左移串行輸入端。 2.用雙D觸發(fā)器74LS74及邏輯門電路構成驅動控制電路 3.用十進制計數(shù)器74LS160D、邏輯門電路和集成的4管腳的數(shù)碼管組成計分電路 3單元電路的設計 3.1 球臺電路的設計 .球臺電路如下圖2設計所示： 圖2球臺電路 上圖中，兩片4位74LS194雙向移位寄存器接成8位雙向移位寄存器。74LS194功能表如表1所示： 表1 74LS194功能表 D S1 S0 工作狀態(tài) 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 置零 保持 右移 左移 并行輸入 功能說明： (1)當S1 = S0 =1 時，不管各輸入端原來是什么狀態(tài)，在下一個時脈沖到來時，其輸出分別是預先輸入到并行輸入端的 abcd ，這種方式叫送數(shù)。 (2)當 S 1 =0 ，S 0 =1 時，其工作方式叫右移，這時，每來一個時鐘脈沖，輸出端的數(shù)各向右移一位，而 Q A 端的輸出則由加到 R 端的數(shù)來補充。 (3)當 S 1 =1 ，S 0 =0 時，其工作方式叫左移，情況正好與右移相反； Q D 端的輸出由加到 L 端的數(shù)來補充。 (4)當 S 1 = S 0 =0 時，不管是否有 CP 脈沖作用，輸出保持不變，這叫保持方式。 CP=0 時也是保持方式。 3.2驅動控制電路的設計 驅動控制電路設計如下圖3所示 圖3 驅動控制電路 圖中74LS74為上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，~PR為置1端（低有效），~CLR為置0端（低有效）。當J1=0時，兩片D觸發(fā)器輸出端均為1即S1=S0=1，通過接入74LS194，此時實現(xiàn)的是并行輸入功能。當J1=1時，L1=J2=1，J3=L8=0,通過各門電路可知U2A,U4A,U2B輸出端分別為0，1，1，則D觸發(fā)器輸出端分別為0，1即S1=0,S0=1。相反情況時，當J1=1時，L1=J2=0，J3=L8=1，D觸發(fā)器輸出端分別為1，0即S1=1,S0=0。通過此電路來控制并且實現(xiàn)球臺燈的左右移位即實現(xiàn)乒乓球的運動。 3.3計分電路的設計 計分電路的設計如下圖4所示： 圖4 計分電路 如上圖所示，計分電路由一個7404非門，7409與門74LS08 和十進制的74LS160計數(shù)器74LS90 構成。得分真值表二如下表二所示： 表2 得分真值表 L1 J2(A) L8 J3 Y(A) Y(B) 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 由上表可得上圖中非門和與門的接法。 同步十進制計數(shù)器74LS160的功能表如下表三所示： 表3 74LS160的功能表 D EP ET 工作狀態(tài) 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 置零 預置數(shù) 保持 保持（但C=0） 計數(shù) 由74LS160的功能表可知，當~RD=~LD=EP=ET=1時工作狀態(tài)為計數(shù)，即圖4中的~CLR=~LOAD=ENT= ENP=1時。選用ENP、ENT作為74LS160的計數(shù)控制端，當ENT=ENP=1時計數(shù)，當ENT=ENP=0時計分電路處于保持狀態(tài)。RCO為進位輸出端，即當選手計滿9分時給出報警信號。 4總體電路的設計 通過前面的單元電路的設計，將他們合理的組合連接起來，就可以得到總體設計電路圖，其圖如下圖五所示: 圖五 總體電路 5結果分析 在進行仿真運行的過程中，先將開關Play C往上打，即打到“1”的位置。然后選著發(fā)球方A或B，若A先發(fā)球，就將開關Play A往上打，即打到“1”的位置。球將會向右移動，當點亮的球移動到B方的最后一位時，將B的開關往下打，B就會得一分，反之，若行動遲緩或超前，表示未擊中或違規(guī)，則對方得一分。若B先發(fā)球，也是一樣的操作。當一方得分滿9分時，RCO將會給出報警信號 ，即燈亮，表一局完，數(shù)碼管將從新計數(shù)。 6總結 通過此次課程設計，我們了解了模擬電路的基本設計方法,并對Multisim仿真軟件有了初步的了解和認而識。通過使用Multisim仿真軟件，可以讓我們在虛擬的環(huán)境中進行實驗，可以先通過它來檢驗電路的正確性和可行性，而不需要真實電路環(huán)境的介入，不必顧及儀器設備的短缺與時間環(huán)境的限制，能夠極大的提高實驗的效率。 雖然這次的數(shù)電課程設計時間短暫，但卻讓我得到了多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設計上有了很大的進步。加深了我們對組合邏輯電路與時序邏輯電路的認識，進一步增進了對一些常見邏輯器件的了解。另外，我們還更加充分的認識到，數(shù)字電路這門課程在科學發(fā)展中的至關重要性2，查閱參考書的獨立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們在設計電路時，遇到很多不理解的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網(wǎng)絡查到，但由于時間和資料有限我們更多的還是獨立思考。3，相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，比如電路設計中的控制器的設計，以及乒乓球游戲機怎樣計分等的分析。還使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到了不少棘手的問題，可謂是困難重重。但這畢竟第一次做，難免會遇到過各種各樣的問題，我們必須要學著自己去找資料、去理解、去解決問題，加強我們獨立思考的能力。同時在設計的過程中。我發(fā)現(xiàn)了許多自己的不足之處，認識的自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，沒有在日常生活中將理論與實際相結合起來，以后要多加努力才行??！ 參考文獻 【1】《模擬電子技術基礎》（第三版），童詩白主編，高教出版社 【2】《數(shù)字電子技術基礎》（第四版/第五版），閻石主編，高教出版社 【3】《電子測試技術》 金唯香、謝玉梅主編，湖南大學出版社 【4】《Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用》，鄭步生、吳渭主編，電子工業(yè)出版社 【5】《電子EDA實踐教程》楊曉慧、許紅梅主編，國防工業(yè)出版社 附錄A 仿真結果圖 仿真結果圖如下圖六所示： 圖六 仿真圖 附錄B 實驗儀器及器件 1 四位雙向移位寄存器 74LS194D 二片 2 雙上升沿D型觸發(fā)器 74LS74 一片 3 十進制計數(shù)器 74LS160D 二片 4 2輸入與非門 7400N 二片 5 2輸入與門 7409N 四片 6 2輸入或門 7432N 一片 7 非門 7404N 二片 8 發(fā)光二極管 LED 十個 9 數(shù)碼管 DCD-HEX 二個 10 KS按鍵開關 SPDT 三個 11 電壓時鐘脈沖 CLOCK-VOLTAGE 一個