数字逻辑课程设计报告(猜数字游戏)

滁州学院

课程设计报告

课程名称：数字逻辑课程设计

设计题目：猜数字游戏的设计

院部：计算机与信息工程

专业：网络工程

组别：第五组

起止日期: 2012年5月28日~2012年6月15日

指导教师:张永定

计算机与信息工程学院二○一二年

、

课程设计任务书

课程设计题目猜数字游戏的设计

组长严盼盼学号2011211329 班级网工112班院部计算机与信息工程专业网络工程

组员武倩闫静周晶晶夏艾

指导教师张永定

课程设计目的1.设计一个具有用保存用来进行比较的数据，输入新的数据通过比较器与保存的数据进行比较，用计数器进行计数统计功能的电路。

2.通过此次实验加深对所学数电知识的运用。

3.锻炼Multisim 10的仿真能力和硬件调试能力。

课程设计所需环境硬件环境：微型计算机

软件环境：Windows XP Multisim 10

课程设计任务要求1.猜数字游戏由若干个按键、若干个发光二极管。

2.输入为六位二进制数，与正确值进行比较，判断得出结果。

3.如果出现连续5次猜错，则红灯亮，表示游戏结束。

4.游戏开始时，可以对存储值进行设置。

课程设计工作进度计划

序号起止日期工作内容分工情况

1 5.28~6.

2 课程内容介绍和查找资

料严盼盼：介绍课程内容

武倩、闫静、周晶晶、夏艾：查找资料

2 6.3~6.6 设计总体思路，基本原

理和框图

严盼盼：分析数字电路所需的芯片

3 6.7~6.10 单元电路设计严盼盼：对电路进行总设计

武倩、闫静、周晶晶：负责了解各芯片功能

夏艾：负责连接线路

4 6.11~6.12 搭建仿真电路并进行测

试，调试电路严盼盼、周晶晶：搭建电路

武倩、闫静、夏艾：故障分析并进行改进

5 6.13~6.15 整理文档与总结武倩：负责整理文档

指导教师签字：年月日

系（教研室）审核意见：

系（教研室）主任签字：年月日

目录

1 引言 (4)

2 需求分析 (4)

2.1.题目 (4)

2.2.设计要求与目的 (4)

2.3.设计思想概述 (4)

2.3.1器件选择 (4)

2.3.2系统分析 (5)

2.4运行环境 (5)

3 概要设计 (5)

4 详细设计 (6)

4.1完成此实验需要的芯片及其功能 (6)

4.2实验步骤 (8)

5 调试与操作说明 (9)

6 课程设计总结与体会 (13)

7致谢 (13)

8 参考文献 (14)

9 附录 (14)

1 引言

当今社会中，数字时代已经成为一种现实，并且无时无刻不在影响着人们的日常生活，作为数字世道最基本的课程——数字电子电路，更无疑具有着基础的作用，而数字电路课程设计便是培养这种能力，掌握这门课程的一种很好的实践，更是对培养学生理论联系实际的实际动手能力，严谨的实验作风有着重要的意义。数字游戏设计作为近年来快速发展的新兴学科，具有前沿性、交叉性等特征，具有其自身的技术要求、艺术特性和创新规律，具有成熟的学科基础和明确的学科定位，已经具备设立独立专业的基本条件。而笔者立足于《数字逻辑》这门课程的知识体系，力求通过本学科的一些知识对猜数字游戏显示电路进行模拟和作出一些分析改进。

希望通过本次设计实践，达到三个目的，一是用已学的知识对猜数字游戏控制电路进行详尽的分析与模拟；二是锻炼自己的动手实践能力；三是在设计进行中进行模块划分，培养我们的模块化设计意识，同时加强团队合作能力。

2 需求分析

2.1 题目：猜数字游戏的设计

2.2 设计要求与目的：

⑴猜数字游戏由若干个按键、若干个发光二极管。

⑵输入为六位二进制数，用单刀双掷开关来输入，当输入结束后，按确认键进行比较，如果与存储的数字相同则绿灯亮，如果输入比存储值大，则蓝灯亮，如果输入比存储值小，则黄灯亮，可以继续输入数字并验证。

⑶如果出现连续5次猜错，则红灯亮，表示游戏结束。

⑷戏开始时，可以对存储值进行设置分析。

2.3 设计思想概述:

2.3.1器件选择

⑴放置8个单刀双掷开关：其中6个开关既用来送值给寄存器，又同时完成输值猜数功能；再用一个开关来实现上升沿触发完成送数功能；有一个开关也是实现上升沿触发实现计数统计功能，同时此开关通过上升沿的触发将比较器中的比较结果送到存储器中（开关的一次打开就完成一次猜值的输入比较并实现上升沿的触发完成计数）。

⑵需对正确数字（也就是存储值、拟定为48）的存储，所以采用基本寄存器（4边沿D触发器74LS175D）对数据48进行存储；由于是6位二进制数，所以需用2个基本寄存器进行级联使用。

⑶要完成存储数与所猜数的比较判断，所以采用4位数值比较器（74LS85N）；同时是6位二进制数与6位二进制数之间的比较，所以需用2个4位数值比较器进行级联使用。

⑷需对所猜值次数的统计，所以采用4位二进制同步加法计数器（74161N）来完成计数功能。

⑸分别用三个灯泡（蓝绿黄各一个）来显示输值与存储值得大小关系，再用一个红灯泡来判断是否猜错5次。（电路中又外加4个橙色的灯泡来显示计数时的逐步累加情况）。

⑹用一个与门来连接到计数器上OA与OC的引脚上，来集成数值5（101）。

⑺ 用一个非门来连接绿灯和计数器上的端，因为一旦绿灯亮表明猜对，计数器就没有必要显示，让其清零，而绿灯不亮通过非门的取反作用就保证了CLK 端接高电平，具有计数功能。

⑻ 因为猜值的过程中，应按照先猜数计数最后再显示结果的过程，所以在放置一个基本寄存器（4边沿D 触发器74LS175D ）在比较器的输出端，这样开关Key=Y 由低电平到高电平就先完成了猜数值的计数，再实现了两值的比较。

2.3.2系统分析

用开关Key=6、5、4、3、2、1分别存储由高到低存储6位二进制数。假如设置存储的数值为110000，则可能的结果有：

表2－1

2.4运行环境

软件环境：windows xp Multisim10 硬件环境：微型电脑

3 概要设计

整个系统包括控制单元、信息处理单元1、信息处理单元2、信息处理单元3、存储单元和显示单元五个逻辑部分。控制单元有：开关；信息处理单元1有：计数器和非门；信息

Y 6 5 4 3 2 1 S 灯泡颜色 猜字结果

说明

0 1 1 0 0 0 0

值未送入寄存器，比较器中A=48，B=0 0

1 1 0 0 0 0 0->1

值送入寄存器，比较器中A=48，B=48 0->1 1 1 1 0 0 0 1 蓝灯

偏大 猜错了 输值是56，比较器中A=56，B=48，计数器

加1，计为1 0->1 1 0 1 0 0 0 1 黄灯

偏小 猜错了 输值是40，比较器中A=40，B=48，计数器

加1，计为2 0->1 1 1 1 1 0 0 1 蓝灯

偏大 猜错了 输值是60，比较器中A=60，B=48，计数器

加1，计为3 1

0->1 0 1 0 1 0 0 1 黄灯

偏小 猜错了

输值是20，比较器中A=20，B=48，计数器

加1，计为4

0->1 1 0 0 1 1 1

1 黄灯

偏小

猜错了,累计5次，游

戏结束

输值是39，比较器中A=39，B=48，计数器

加1，计为5 2 0->1 1 1 0 0 0 0 1 绿灯

猜对了，游

戏结束

输值是48，比较器中

A=48，B=48，计数器

清零

处理单元2有：集成数值比较器和输入猜字的值的开关；信息处理单元3有：计数器；存储单元有：集成寄存器和输入存储值的开关；显示单元有：亮不同颜色的灯泡显示、猜字结果大小的显示、游戏结束的显示。

图3-1 系统总设计框图

正如图3-1系统框图所示，控制单元只执行两项任务：输入存储的数值和输入猜的数值；信息处理单元1：主要是对输入的次数进行统计；信息处理单元2：主要是对猜的数值和储存的数值进行比较大小；信息处理单元3：主要是控制显示单元的灯泡亮和灭，起到监督作用；存储单元：主要是将输入的数值储存起来并将其送到比较器中；显示单元则执行各个部分的显示功能，例如：猜的数值过大，则蓝灯亮，连续五次猜字过后红灯亮了，则表明游戏结束了。

4 详细设计

该猜数字游戏的设计是利用寄存器存储功能，比较器比较数据，计数器对比较结果进行统计，从而实现猜数字游戏的设计功能。

4.1完成此实验需要的芯片及其功能

74161N同步4位二进制加法计数器：CLK是输入计数脉冲，也就是加到各个触发器的时钟信号端的时钟脉冲，CLR是清零端；LOAD是置数控制端；ENP和ENT是两个计数器工作状态控制端；A-D是并行输入数据端；RCO是进位信号输出端；QA-QD是计数器状态输出端。如图4-1所示：

图4-1 同步加法计数器74161N 芯片引脚图

表4-1 同步加法计数器74161N 状态表

输 入

输 出

注

CLR

LOAD

ENP ENT CLK A B C D QA n+1

QB n+1

QC n+!

QD n+1

CO 0 0

清零 置数

0 ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ 0 0 0 0 a b c d

计数 保持 保持

1 0 ╳ ╳ ↑* ╳ ╳ ╳ ╳ 1 1 1 1 ↑ ╳ ╳ ╳ ╳ 1 1 0 ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ 1 1

╳

╳

╳

╳

╳

╳

74LS175D 的的寄存器：它在确定的时间（IS ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经寄存后才能获得稳定的显示值。寄存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器，寄存器为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。

图4-2 4边沿D 触发器74LS175D 芯片引脚图

如图4-2所示，在设计中我们采用了74LS175,74LS175是用四个D 触发器组成的四位寄存器，用以存储4位二进制数，在cp 上升沿到达时1D~4D 端状态被同时到各个触发器中，形成1Qn+1~4Qn+1状态。RD 为异步清零控制端。当RD=0时，不需要和cp 同步，就可以完成寄存器1Q~4Q 清零工作。 工作原理：

4边沿D 触发器74175，74LS175的状态表如表4-2所示：

表4-2 74LS175的状态表

输 入

输 出

注 置零 送数

CLR CTK 1D 2D 3D 4D

1Q n+1 2Q n+1 3Q n+1 4Q n+1

0 ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ 1 ↑ d 1 d 2 d 3 d 4 0 0 0 0 d 1 d 2 d 3 d 4

⑴ 清零

CLR =0，异步清零。无论寄存器中原来的内容是什么，只要CLR =0，就立即通过异步

输入端将4个边沿D 触发器都复位到0状态。 ⑵ 送数

当CR=1时CLK 上升沿送数。无论寄存器中原来存储的数码是什么，在CLR =1时，只

要送数控制时钟脉冲CLK上升沿到来，加在并行数码端输入的数码d1~d4马上就被送入寄存器中，即

1Q n+1=d0

2Q n+1=d1 CLK上升沿时刻有效

3Q n+1=d2

4Q n+1=d3

⑶B保持

当CLR=1，CLK上升沿以外时间，寄存器保持内容不变，即各个输出端Q，Q的状态与d无关，都将保持不变。

用边沿D触发器做寄存器，其D端具有很强的抗干扰能力。

74LS85N比较器：比较方法，输出输入之间因果关系分析。从最高位开始比较，依次逐位进行，直到比较出结果为止。

①若A3 >B3,则A>B,L=1、G=M=0。

②当A3=B3即G3=1时，若A2>B2则A>B,L=1、G=M=0。

③当A3=B3、A2=B2即G3=G2=1时，若A1>B1则A>B,L=1、G=M=0。

④当A3=B3、A2=B2、A1=B1即G3=G2=G1时，若A0＞B0则A＞B，L＝1、G=M=0。对A＞B即L＝1，上述四种情况是或的逻辑关系

⑤只有当A3=B3、A2=B2、A1=B1、A0=B0即G3=G2=G1=G0=1时，才会有A=B即G=1。显然，对于A=B即G=1，G3、G2、G1、G0是与的逻辑关系。

⑥如果A不大于B也不等于B，即L=G=0时，则A必然小于B，即M=1。

表4-3 74LS85N比较器状态表

输入输出A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0A>B AB F A

A3>B3X ╳╳╳╳╳ 1 0 0 A3B2╳╳╳╳╳ 1 0 0 A3=B3A2B1╳╳╳╳ 1 0 0 A3=B3A2=B2A1B0╳╳╳ 1 0 0 A3=B3A2=B2A1=B1A0

4.2实验步骤

⑴运用一个SPDT开关和一个74LS04D非门组成一个脉冲信号，来完成一次输值和计数。

⑵运用两个74LS85N芯片4位数值比较器级联组成一个8位集成数值比较器来实现6位二进制数的比较，再运用三个蓝绿黄不同颜色的灯泡表示比较得到的结果。

⑶运用两个级联组成一个8位集成寄存器，用来寄存所猜的正确数值。

⑷再运用一个74LS175D芯片4边沿D触发器来存储比较的结果，通过Key=Y的触发来送数

存储并显示。

⑸运用一个74161N计数器、一个74LS08D与门、一个74LS04D非门和一个灯泡组成判断猜字游戏是否结束的标志，同时用4个灯泡来清晰的观察计数的统计情况。

⑹当通过调节开关使输入的数值比寄存在寄存器中的数值大时，调节脉冲开关使其对寄存器产生一个上升沿，Key=Y的上升沿脉冲一到，这时连接在集成数值比较器上的蓝灯将会发光。

⑺当通过调节开关使输入的数值比寄存在寄存器中的数值相等时，调节脉冲开关使其对寄存器产生一个上升沿，Key=Y的上升沿脉冲一到，这时连接在集成数值比较器上的绿灯将会发光。

⑻当通过调节开关使输入的数值比寄存在寄存器中的数值小时，调节脉冲开关使其对寄存器产生一个上升沿，Key=Y的上升沿脉冲一到，这时连接在集成数值比较器上的黄灯将会发光。

⑼当每次调节开关时，如果绿灯连续5次都没亮，那么连接在计数器上的清零端将不会发生作用，并且连接在计数器上的灯在每次下降沿到达时将会计数，当第五次猜字绿灯没亮时，计数器的输出端为0101，此时连接在与门上的红灯将会发光，表示猜字游戏结束。

⑽当在调节开关时，如果绿灯在不大于5次时发了光，即绿灯在红灯没亮之前亮了，表示猜字猜对了。

5 调试与操作说明

通过key=6、5、4、3、2、1六个开关向寄存器内输入数字，Key= S有0->1控制寄存器值的输入，同时让Key= S一直为1状态，结合用这六个开关向内送入数字与寄存器内的数字进行比较，且用另外一个寄存器存储比较的结果。Key= Y用来控制计数器同时通过控制寄存器来显示比较结果；四个橙色的灯用来统计连续猜错的次数，当出现连续五次猜错时，红灯亮。

初始状态：仿真开关闭合，六个单刀双掷固定数48，Key=S接低电平时：（A=48，B=0）。

图5-1初始状态

送数：让Key=S接高电平1，此时所猜的正确值48送到寄存器，同时传给比较器：（A=48，B=48）。

图5-2送数

第一次猜数：通过开关输值56（111000），数值完成后让Key=Y接高电平，计数器加1，

计数器的值为1；同时蓝灯亮，表示第一次猜错了。

图5-3 第一次猜数

让Key=Y接低电平，这就完成了一次输入；同时方便了下一次的输值猜数。

第二次猜数：通过开关输值40（101000），数值完成后让Key=Y接高电平，计数器加1，

计数器的值2；同时黄灯亮，表示第二次也猜错了。

图5-4第二次猜数

让Key=Y接低电平，这就完成了一次输入；同时方便了下一次的输值猜数。

第三次猜数：通过开关输值60（111100），数值完成后让Key=Y由低电平接高电平，计

数器加1，计数器的值3；同时蓝灯亮，表示第三次也猜错了。

图5-5 第三次猜数

让Key=Y接低电平，方便了下一次的输值猜数。

第一个分支：

第四次猜数：通过开关输值20（010100），数值完成后让Key=Y由低电平接高电平，计

数器加1，计数器的值4；同时黄灯亮，表示第四次也猜错了。

图5-6 第四次猜数

让Key=Y接低电平，方便了下一次的输值猜数。

第五次猜数：通过开关输值39（100111），数值完成后让Key=Y由低电平接高电平，计

数器加1，计数器的值5；同时黄灯亮，此时红灯亮，表示第五次也猜错了，游戏结束。

图5-7 第五次猜数

第二个分支：

第六次猜数：通过开关输值48（110000），数值完成后让Key=Y由低电平接高电平，计

数器加1，计数器的值4；此时绿灯亮，表示猜对了，表明游戏结束。

图5-8 第六次猜数

6 课程设计总结与体会

通过两周来的课程设计实践，主要有以下几点总结和体会；这次设计是通过查阅各种资料、与同学讨论以及独立思考设计出来的。在设计过程中，用到了本学期所学过的移位寄存器74175N、二进制同步加法计数器74161N和比较器74Ls85N。因此，对它们的功能和运用有了更深一步的了解。同时通过Multisim软件对电路进行模拟仿真，从而使设计结果得到了验证。通过这次课程设计环节，了解到模拟电路和数字电路之间的联系，对单元功能电路的理解和运用能力有了一定的提高。

将理论与实践相结合，知识的价值才会真正体现出来。但将所学的知识合理有效的应用于实践中，是很艰难的。但是面对困难我们需要勇气和执着。如果缺乏勇气不能在挫折面前我们便会不知所措，不愿有所作为，这样是不会有进展的。一开始接触这样综合性的电路实验，心里很没底，不知从何处着手。但是通过指导老师的指点和查阅一些资料便能渐渐理清思路。另外还想提一下的就是Multisim的使用，开始的时候对Multisim很不熟悉，但是摸索一段时间，我们还是能用用它来进行仿真设计的。当然要进行一项比较复杂的实践时，光有勇气还是不够的，更加需要执着地付出。我们组这次的前期设计过程是这样的：先是看懂范例，然后是设计自己的电路，最后仿真调试。这三个环节我们都花费了不少时间。这次的课程设计主要是关于数字电路的知识，譬如寄存器74175N的原理，计数器对连续五次猜错的计数，模式开关电路的设计，各种芯片（74175N、74161N、74LS85N）的结构与功能等。这时需要静下心来复习，把电路的各个部分原理弄清楚。在查到的诸多设计电路图中基本的模块大同小异，通过对这些电路图的比较和分析。在实验过程中，我们做了很多的改进，由原来的13个控制开关减少到8个控制开关，增加了寄存器。这让我们深刻认识到了完成一个设计可以有很多方法，我们将繁杂的设计不断地改进，最后设计了一个比较简单的，我们较为满意的电路。

7 致谢

感谢张永定老师对我们组课程设计的耐心指导。我们组的课程设计是猜数字游戏，是一

个很综合的课程设计。用到了寄存器、计数器、比较器。这当中我们只是在书本中看到过，知道基本原理。但是在真正实践的过程中就不知所措了，真正的实物与书中的不一样。在我们最手足无措的时候老师给了我们很大的帮助，给了我们很多的建议。比如存六位的二进制数可以用寄存器，比较两个数大小可以用比较器，用计数器记录输入数字的次数等等。我们的疑问老师都耐心的解答。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”光知道理论知识是不够的，我们在实践过程中张永定老师给了我们非常大的帮助。非常感谢张永定老师！

8 参考文献

[1] 康光华编著．数字电路与设计基础[M]. 北京：高等教育出版社, 2009.

[2] 王连英编著．基于MUltisim 10 的电子仿真实验与设计[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2010.

[3] 余孟尝编著．数字电子技术基础简明教程[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

9 附录

寄存器（74175N）：3个

比较器（74LS85N）：2 个

同步二进制加法计数器（74161N）：1个

评语：

评阅教师签名：年月日成绩