1、“交通燈控制與顯示電路” 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法； 2掌握時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法； 3初步具備數(shù)字系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力； 4學(xué)會(huì)數(shù)字電路的軟件仿真； 5掌握數(shù)字電路的安裝和調(diào)試方法。,二、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 該綜合實(shí)驗(yàn)按分步實(shí)施方式進(jìn)行。全部實(shí)驗(yàn)分為四部分： 第一，方案設(shè)計(jì)； 第二，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 第三，時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 第四，采用CPLD/FPGA可編程器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)。 該綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用理論設(shè)計(jì)、軟件仿真和電路安裝與調(diào)試三步走，以提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐動(dòng)手能力。,三、實(shí)驗(yàn)元器件 該綜合實(shí)驗(yàn)采取兩種不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)： 1常用中、小規(guī)模數(shù)字電路

2、：集成邏輯門(mén)、集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)據(jù)選擇器、集成計(jì)數(shù)器等。 2CPLD/FPGA可編程器件。,“交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（1） 方案設(shè)計(jì)（課外完成）,一、問(wèn)題描述 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一十字路口的紅、綠、黃三色交通燈控制與顯示電路，即每個(gè)路口設(shè)置一組紅、黃、綠交通燈，按圖1所示情況變化，以保證車輛、行人通行安全。,圖1,二、功能分析 1基本功能（見(jiàn)前面圖） 2擴(kuò)展功能 （1）特殊狀態(tài)控制功能 特殊狀態(tài)如緊急車輛隨時(shí)通行功能受一開(kāi)關(guān)控制，無(wú)急車時(shí)，信號(hào)燈按正常時(shí)序控制。有急車來(lái)時(shí)，將特殊狀態(tài)開(kāi)關(guān)按下，不管原來(lái)信號(hào)燈的狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制讓兩個(gè)方向的紅燈同時(shí)點(diǎn)亮，禁止其它車輛通行，同時(shí)計(jì)時(shí)

3、停止；特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。 （2）信號(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間預(yù)置功能 控制電路在任何時(shí)候可根據(jù)實(shí)際情況修改信號(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間。 （3）各路口交通燈故障報(bào)警功能（選做） 交通燈控制電路發(fā)出警報(bào)，說(shuō)明各路口交通燈同時(shí)熄滅或點(diǎn)亮的情況不符合預(yù)定要求。,三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 假設(shè)東西方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間為T(mén)e ，同時(shí)也是南北方向的禁行時(shí)間；南北方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間為T(mén)s ，同時(shí)也是東西方向的禁行時(shí)間；此外，東西、南北方向的黃燈點(diǎn)亮?xí)r間均為T(mén)y 。 1參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表； 2根據(jù)實(shí)際交通燈轉(zhuǎn)換過(guò)程，設(shè)計(jì)交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖； 3按交通燈的功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路模塊圖。,四、設(shè)計(jì)思路： 1

4、參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表；,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,2、設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊框圖分為兩部分 ： 第一部分：組合邏輯電路部分 解決三個(gè)問(wèn)題： （1）不同狀態(tài)下交通燈的控制； （2）交通燈燈亮?xí)r間的預(yù)置； （3）交通燈燈亮?xí)r間的顯示。,第二部分：時(shí)序邏輯電路部分 解決兩個(gè)問(wèn)題： （1）交通燈燈亮?xí)r間的倒計(jì)時(shí)； （2）交通燈不同狀態(tài)的產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換；,“交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（2） 組合邏輯電路設(shè)計(jì),一、任務(wù)與要求 由數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和集成門(mén)等集成電路器件設(shè)計(jì)“交通燈控制與顯示電路”中的組合邏輯電路部分，具體要求如下： （1）將狀態(tài)信號(hào)譯碼為東西、南北方向6對(duì)交通燈的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正常時(shí)序控

5、制功能； （2）特殊狀態(tài)期間，東西、南北兩個(gè)方向的紅燈同時(shí)發(fā)亮，實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)控制功能； （3）將東西方向、南北方向的燈亮?xí)r間分別用數(shù)碼管顯示； （4）根據(jù)不同的狀態(tài)信號(hào)分別預(yù)置相應(yīng)的燈亮?xí)r間數(shù)據(jù)Te、Ty、Ts和Ty，其范圍為0099s，2位BCD碼形式； （5）寫(xiě)出設(shè)計(jì)步驟，畫(huà)出設(shè)計(jì)的邏輯電路圖； （6）對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真、修改，使仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求； （7）安裝并測(cè)試電路的邏輯功能。,二、設(shè)計(jì)思路： 主要解決三個(gè)問(wèn)題： （1）不同狀態(tài)下交通燈的控制； （2）交通燈燈亮?xí)r間的預(yù)置； （3）交通燈燈亮?xí)r間的顯示。,（1）狀態(tài)譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設(shè)計(jì)思路 該電路的主要功能是依據(jù)

6、不同的狀態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的控制。其設(shè)計(jì)框圖如圖所示。 “狀態(tài)譯碼電路”采用二進(jìn)制譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn)； “輸出電路”采用集成邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)； “交通燈單元”采用普通的紅色、綠色和黃色發(fā)光二極管； “接口電路”起信號(hào)驅(qū)動(dòng)作用，視實(shí)驗(yàn)情況的不同選用。,設(shè)燈亮為“1”，燈滅為“0”，交通燈的4種狀態(tài)S0S3分別編碼為00、01、10、11， 特殊狀態(tài)用S表示，進(jìn)入特殊狀態(tài)為“1”， 這時(shí)兩個(gè)方向的紅燈同時(shí)點(diǎn)亮，正常狀態(tài)為“0”。則可列出真值表（學(xué)生做）。,（2）時(shí)間預(yù)置電路的設(shè)計(jì)思路,該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號(hào)輸入相應(yīng)的時(shí)間預(yù)置數(shù)據(jù)，從而確定交通燈的燈亮?xí)r間。,時(shí)間預(yù)置電路的設(shè)計(jì)框圖,（

7、3）計(jì)時(shí)顯示電路的設(shè)計(jì)思路 將倒計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的輸出經(jīng)顯示譯碼器CD4511和數(shù)碼管進(jìn)行顯示。,三、原理圖繪制與電路仿真 用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 在仿真過(guò)程中，分別改變狀態(tài)信號(hào)及特殊狀態(tài)信號(hào)，驗(yàn)證電路的邏輯功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。,四、電路安裝與調(diào)試 1. 電路布局 在多孔電路實(shí)驗(yàn)板上裝配電路時(shí)，首先應(yīng)熟悉其結(jié)構(gòu)。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負(fù)引出線在實(shí)驗(yàn)板上的位置。 電路布局時(shí)應(yīng)安排好各個(gè)集成塊的位置，以方便連線為原則。電路與外接儀器的連接端、測(cè)試端要布置合理，便于操作。狀態(tài)信號(hào)、預(yù)置數(shù)據(jù)的輸入端點(diǎn)應(yīng)方便改變其電平。 2安裝與調(diào)試方法 電

8、路安裝前，要先檢測(cè)所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬(wàn)用表檢測(cè)電路接觸是否可靠、電源電壓大小、極性是否正確。一切正常后才能通電調(diào)試。 實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，注意發(fā)光二極管不能過(guò)亮。如果過(guò)亮，可串接一個(gè)100歐左右的限流電阻。 調(diào)試過(guò)程中，最好分塊進(jìn)行，如首先調(diào)試“狀態(tài)譯碼電路”、 然后調(diào)試“輸出電路及其交通燈單元”，最后調(diào)試“時(shí)間預(yù)置電路”。,五、設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)驗(yàn)問(wèn)題研究 六、設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告要求 見(jiàn)實(shí)驗(yàn)電子文檔。,“交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（3） 時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì),一、任務(wù)與要求 由集成觸發(fā)器、集成計(jì)數(shù)器等集成器件設(shè)計(jì)“交通燈控制電路”中的時(shí)序邏輯電路部分，并在實(shí)驗(yàn)（2）的基礎(chǔ)上

9、完成整個(gè)控制電路的調(diào)試。具體要求如下： （1）交通燈的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)分別產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)； （2）對(duì)交通燈不同狀態(tài)的燈亮?xí)r間Te、Ty、Ts分別進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能； （3） 特殊狀態(tài)期間，計(jì)時(shí)停止；特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)正常計(jì)時(shí)； （4）寫(xiě)出設(shè)計(jì)步驟，畫(huà)出設(shè)計(jì)的邏輯電路圖； （5）對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真、修改，使仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求； （6）安裝并測(cè)試電路的邏輯功能； （7）將實(shí)驗(yàn)（2）、實(shí)驗(yàn)(3)電路連接起來(lái)，完成整個(gè)控制電路的調(diào)試。,二、設(shè)計(jì)思路,（1）時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)思路 該電路在秒信號(hào)作用下，分別以不同狀態(tài)的燈亮?xí)r間Te、Ty、Ts和Ty作為開(kāi)始計(jì)時(shí)的初始值進(jìn)行減法計(jì)數(shù)循環(huán)

10、。 每當(dāng)計(jì)時(shí)到00時(shí)，向“狀態(tài)產(chǎn)生電路”發(fā)出計(jì)時(shí)結(jié)束信號(hào)。改變這些初始值即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間修改的功能。 采用2片具有置數(shù)功能的集成十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器74LS192組成時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路。,時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)框圖,（2）狀態(tài)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)思路 該電路的主要功能是根據(jù)實(shí)際交通燈的轉(zhuǎn)換過(guò)程，產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)供其它電路使用。 根據(jù)設(shè)計(jì)思路，交通燈共有4個(gè)不同狀態(tài)：00、01、10和11。只有當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)交通燈的狀態(tài)才發(fā)生變化，故可將“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路”產(chǎn)生的計(jì)時(shí)結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)變化的控制信號(hào)。 為此，將該信號(hào)作為一個(gè)同步2位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖即可，計(jì)數(shù)器采用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。,三、原理圖繪制與電路仿真 用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 在仿真過(guò)程中，分別手工改變每個(gè)狀態(tài)的時(shí)間預(yù)置數(shù)據(jù)，觀察電路的仿真運(yùn)行結(jié)果； 將實(shí)驗(yàn)（2）、實(shí)驗(yàn)(3)電路連接起來(lái)，驗(yàn)證電路的邏輯功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。,四、電路安裝與調(diào)試 該電路與實(shí)驗(yàn)（1）電路之間的接口應(yīng)方便連線，最好在各自的連接線上做好標(biāo)記。 電路安裝前，首先檢測(cè)所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬(wàn)用表檢測(cè)電路接觸是否可靠、電源