中央民族大學(xué)數(shù)字電子課程設(shè)計小組成員： 中央民族大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計題  目：串行數(shù)據(jù)檢測器電路設(shè)計  專業(yè)班級：        學(xué)生姓名：          指導(dǎo)老師：     審  批：   任務(wù)書下達日期：2012年11月15日設(shè)計完成 日期：2012年12月12日中央民族大學(xué)目錄一.設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求1二. 設(shè)計總體思路、基本原理和框圖2三. 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）13四. 總電路設(shè)計（總電路圖）15五. 安裝、調(diào)試步驟16六. 故障分析與電路改進17七. 總結(jié)與設(shè)計調(diào)試體會21八附錄（元器件清單）22九參考文獻24十.課程設(shè)計成績評分表25中央民族大學(xué)一：設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求1、設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測器。要求：連續(xù)輸入3個或3個以上的1時輸出為1，其他輸入情況下輸出為0。2、設(shè)計要求：a. 設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；b 程序編寫簡潔，要求給出關(guān)鍵的注釋；c 下載程序到FPGA開發(fā)板，調(diào)試程序；e 寫出設(shè)計報告；3、主要設(shè)計條件a.quartusii_60開發(fā)環(huán)境；b. FPGA開發(fā)板。二. 設(shè)計總體思路、基本原理和框圖1.基本原理：JK觸發(fā)器原理: J KQ主從SRQQQCLK10110111011000101101100111000000XXXX主從JK觸發(fā)器的邏輯功能表 JK說 明00保持010復(fù)位101置位11計數(shù)2、分析方法a、邏輯抽象，得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表1.分析給定的邏輯問題，確定輸入變量、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)。通常取原因（或條件）作為輸入邏輯變量，取結(jié)果作輸出邏輯變量；2.定義輸入、輸出邏輯狀態(tài)和每個電路狀態(tài)的含義，并將電路狀態(tài)順序編號；3.按照題意列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或畫出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。b、 狀態(tài)化簡 若兩個電路狀態(tài)在相同的輸入下有相同的輸出，并且轉(zhuǎn)換到同樣的一個狀態(tài)去，則稱這兩個狀態(tài)為等價狀態(tài)。等價狀態(tài)可以合并，這樣設(shè)計的電路狀態(tài)數(shù)少，電路越簡。c、 狀態(tài)分配狀態(tài)分配也叫狀態(tài)編碼1.確定觸發(fā)器的數(shù)目n ；2.確定電路的狀態(tài)數(shù)M ，應(yīng)滿足2n1<M2n;3.進行狀態(tài)編碼，即將電路的狀態(tài)和觸發(fā)器狀態(tài)組合對應(yīng)起來。d、選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程1. 選定觸發(fā)器的類型；2. 由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表）和選定的狀態(tài)編碼、觸發(fā)器的類型，寫出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程。e 、根據(jù)得到的方程式畫出邏輯圖f、 檢查設(shè)計的電路能否自啟動若電路不能自啟動，則應(yīng)采取下面措施：1. 通過預(yù)置數(shù)將電路狀態(tài)置成有效循環(huán)狀態(tài)中；2. 通過修改邏輯設(shè)計加以解決C、框圖 3.總體思路:a、首先進行邏輯抽像：取輸入數(shù)據(jù)為輸入變量，用X表示；取檢測結(jié)果為輸出變量，用Y表示。設(shè)電路在沒有輸入1以前的狀態(tài)為S0，輸入一個1以后的狀態(tài)為S1，連續(xù)輸入二個1以后的狀態(tài)為S2，連續(xù)輸入3個或三個以上1以后的狀態(tài)為S3。若以S表示電路的現(xiàn)態(tài)，以S*表示電路的次態(tài)依據(jù)設(shè)計要求便可得到表a-1狀態(tài)轉(zhuǎn)化表和a-2狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。表a-1S*/YSXS0S1S2S30S0/0S0/0S0/0S0/01S1/0S2/0S3/1S3/1圖a-2 b.進行狀態(tài)化簡：比較一下Q2和Q3這兩個狀態(tài)便可發(fā)現(xiàn)，他們在同樣的輸入狀態(tài)下有同樣的輸出，而且轉(zhuǎn)換后得到同樣的狀態(tài)。因此Q2和Q3是等價狀態(tài)，可以合并為一個。從物理概念上也不難理解，當(dāng)電路處于Q2狀態(tài)時表明已經(jīng)輸入了二個1。如果在電路轉(zhuǎn)換到Q2狀態(tài)的同時輸入也改換為下一位輸入數(shù)據(jù)（當(dāng)輸入數(shù)據(jù)來自移位寄存器的串行輸出，而且移位寄存器和數(shù)據(jù)檢測器由同一時鐘信號操作時，就工作在這種情況），那么只要下個輸入為1，就表明連續(xù)輸入3個1了，因而無需再設(shè)置一個電路狀態(tài)，于是就得到了圖a-3所示化簡后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 圖a-3c.狀態(tài)分配：在電路狀態(tài)M=3的情況下，根據(jù)式：可知，應(yīng)取觸發(fā)器的位數(shù)n=2。d. 選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程：如果取觸發(fā)器狀態(tài)Q1Q0的00、01和10分別代表S0、S1和S2，并選定JK觸發(fā)器組成這個檢測電路，則可從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖畫出電路次態(tài)和和輸出的卡諾圖：將圖a-4所示的卡諾圖分解為分別表示S1*，S0和Y的三個卡諾圖：經(jīng)過化簡后得到電路的狀態(tài)方程:由上式得驅(qū)動方程：輸出方程：e.根據(jù)得到的方程式設(shè)計出電路邏輯圖f. 檢查設(shè)計的電路能否自啟動：將狀態(tài)“11” 代入狀態(tài)方程和輸出方程，分別求X=0/1下的次態(tài)和現(xiàn)態(tài)下的輸出，得到：由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖a-6可知，此電路可以自啟動。由于電路有輸入信號，故為米利型時序邏輯電路。圖a-6三. 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）本設(shè)計中中用到的單元電路為JK觸發(fā)器，其電路邏輯圖如下圖所示：電路結(jié)構(gòu)：邏輯符號：四. 總電路設(shè)計（總電路圖）根據(jù)得到的方程式設(shè)計總電路圖如下圖：圖a-5五. 安裝、調(diào)試步驟1.Quartus2文本輸入并仿真：程序代碼：波形圖：六. 故障分析與電路改進設(shè)計的邏輯電路圖6.3中：圖6.3增加一個D觸發(fā)器( 上升沿觸發(fā), JK觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)) , 將檢測數(shù)據(jù)時確定的電路狀態(tài)延遲至輸入改換為下一位輸入數(shù)據(jù)時再行輸出。也就是說, 使電路狀態(tài)信息的輸出與輸入數(shù)據(jù)的改換同步。修改后的電路如圖6.8所示：圖6.8 狀態(tài)信息輸出與輸入數(shù)據(jù)改換同步的檢測器七. 總結(jié)與設(shè)計調(diào)試體會本次課程所設(shè)計的是串行數(shù)據(jù)檢測電路。通過這次課程設(shè)計讓我們了解了更多關(guān)于數(shù)字電子計數(shù)的知識，為今后的學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。這個電路設(shè)計是關(guān)于時序邏輯電路的設(shè)計。在時序邏輯電路的設(shè)計中,狀態(tài)化簡不會改變電路的邏輯功能,不可能使電路產(chǎn)生錯誤輸出。為保證串行數(shù)據(jù)檢測器可靠、正常地工作,可在一般設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,依具體情況靈活處時序邏輯電路簡稱時序電路。時序電路有兩大類：同步時序電路和異步時序電路。在同步時序電路中，有一個公共的時鐘信號，電路中各記憶元件受它統(tǒng)一控制，只有在該時鐘信號到來時，記憶元件的狀態(tài)才能發(fā)生變化，從而使時序電路的輸出發(fā)生變化，而且每來一個時鐘信號，記憶元件的狀態(tài)和電路輸出狀態(tài)才可能改變一次。如果時鐘信號沒有到來，輸入信號的改變不能引起電路輸出狀態(tài)的變化。在異步時序電路中，電路沒有統(tǒng)一的時鐘信號，各記憶元件也不受同一時鐘控制，電路的改變是由輸入信號引起的。本次課程設(shè)計的思想是設(shè)計設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測電路，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)三個或三個以上的1時，檢測輸出信號為1，其余情況下的輸出信號為0。總共有六個步驟來設(shè)計，分別是原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表；狀態(tài)化簡； 狀態(tài)分配；選定觸發(fā)器類型、確定激勵和輸出函數(shù)表達式；根據(jù)得到的方程式畫出邏輯圖；檢查設(shè)計的電路能否自啟動。八附錄（元器件清單）1.JK觸發(fā)器2.非門3.與門程序代碼verilog：module cxsj(x,clk,r,cout,y);/*x數(shù)據(jù)輸入變量，clk時鐘信號，r重置檢測器，cout加法計數(shù)，y檢測結(jié)果輸出變量*/input x,r,clk;output y;output 4:0cout;reg y;reg 4:0cout;always (negedge clk)beginif(r | !x)/重置檢測器begincout=0; y=0;endelse if(x)/計數(shù)begincout=cout+1;if(cout!=5'b00000 && cout!=5'b00001 && cout!=5'b00010)/數(shù)據(jù)檢測beginy=1;endendendendmodule九參考文獻1 唐志宏數(shù)字電路與系統(tǒng)大連理工大學(xué)城市學(xué)院電子技術(shù)研究室 2 閻石、王紅編數(shù)字電子技術(shù)第五版 3 蔡惟錚電子技術(shù)基礎(chǔ)試題精選與答題技巧哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社出版4 胡曉光、崔建宗、王建華數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 5 陳志武主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)輔導(dǎo)教案西北工業(yè)大學(xué)出版社6 曹林根數(shù)字邏輯上海交通大學(xué)出版社18中央民族大學(xué)