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1、键入文字 数电课程设计报告生理刺激反应时间测试仪 沈超 通信1104 110901425前言本报告介绍了怎样使用QUARTUS进行设计实验，在设计实验中，使我接触和了解了可编程技术的应用，在QUARTUS图形文件编辑器中，输入器件型号即可调出所需器件（如4位集成数据比较器7458、十进制计数器7490等等），对于我这个刚学完数字电子技术课程的学生而言使用非常方便。而且QUARTUS的基本元件库几乎囊括了所有中规模集成器件，使我在设计中基本不受期间资源的限制，可以说是实现了自主设计。本报告中主要涉及生理刺激反应时间测试仪，是一项比较复杂的设计实验，里面内容主要分为大部分；第一部分为分频器，为整个
2、电路提供频率输出，第二部分为随机信号发生器，产生随机信号，第三部分为测试计时器，主要负责计时和计数，第四部分为控制电路，主要负责整个电路的逻辑调整，此处为整个电路的核心部分，第五部分为动态扫描器，把第三部分产生的数字扫描出来，显示在LED数码显示管上。关键字：随机信号，测时计数，四舍五入，溢出，违例，准备，开始，分频，触发源。目录1.1设计概念-41.2设计示意图-41.3设计要求-41.4设计硬件环境-52设计框图-53设计电路图及原理分析-63.1随机发生器-63.2分频器-83.3测试计时器-103.4动态扫描器-123.5控制逻辑电路-164总电路图-185电路的调试-196心得与体会
3、-197参考书籍-201.1设计概念：生理刺激反应时间测试仪是测量被测试者在受到刺激后，经过多少时间才有反应的测试仪。人体在受到外界声、光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定的要求。比如，短跑、跨栏运动员的成绩都精确到0.01s。本设计采用光或声音作为刺激人眼或耳朵的触发源，由测试对象按键做出反应。1.2设计示意图：1.3设计要求：（1）当进入准备状态后，测试仪随即用发光二极管或蜂鸣器发出光或 声音刺激信号（以下称测试信号）。（2）最大测试时间999.5ms，如大于999.5ms有溢出显示。（3）显示时间单位为ms。为提高测量精度，测量单位为百微妙，最低
4、位四舍五入后显示。（4）要有“违例”指示灯显示。即当测试仪未发出测时光前，被测试者提前“反应”的称为“违例”。1.4设计硬件环境：测试仪的控制部分以FPGA实现, 光刺激信号由发光二极管产生、声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择点触键产生脉冲信号，刺激源选择采用自锁键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计随机脉冲发生模块在DE2开发板或LP-900开发装置上实现。2设计框图：根据上图所示，总体设计的信号时序关系如下：（1）“测试开始”按键产生的start负脉冲触发ready信号有效,控制test,weili,overflow
5、无效,并预置测试计数器初值。（2）ready信号控制延时计数器开始计数,延时时间1 2 s。当延时时间到,delay信号有效。delay信号等待选通模M定时计数器的溢出信号产生随机脉冲random,等待时间为0Ms。这样,随机信号random比 测试开始!按键的作用时间滞后1 M+2s出现。（3）当随机脉冲random出现后, 触发test信号有效并控制ready,delay信号无效。test信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响, 并允许测试计数器开始计时。（4） 当“反应”键按下后,产生response负脉冲, 使test信号无效,测试计数器停止计数。（5）若反应时间超过999.5s,测试计数
6、器产生的溢出脉冲触发overflow信号有效。overflow信号控制测试计数器停止计数。（6）若test信号无效时按下“反应”键, response 脉冲触发weili 信号有效, 并控制ready信号无效。weili信号禁止随机脉冲产生, test信号始终无效。3设计电路图及原理分析：3.1随机信号发生器做成模块图： 随机信号是指控制条件满足后脉冲出现时间无法确定的信号。如果以一个任意出现的控制电平去选通一个周期性定时出现的脉冲信号, 由于脉冲出现的时间与控制电平有效的时间没有任何关联, 当控制信号有效后, 在定时周期时间范围内会随机出现选通脉冲。伪随机信号发生器：7490计数器上的两个计
7、数器级联后可实现十进制计数器，在它的CLKA端输入一个1hz的脉冲信号，QD端输出0.1hz脉冲信号，周期为10s，所以脉冲信号可在每10秒发射一次。延迟新号发生器：74161可以做成一个二进制计数器，与两个D触发器和一些逻辑门构成。按下“测试开始”按键，高电平脉冲使74161使能端始终处于计数状态，输入1hz脉冲信号后，74161计数到2时，通过非门和触发器使74161清零，只产生一个延时信号，同时通过另一个触发器输出高电平延时信号。此时，伪随机信号和延时信号通过与门输出随机信号，通过反馈使延迟信号变为低电平，从而只产生一个随机信号。3.2分频器 要求：设计8级10分频电路，将基准10MHZ
8、分频后输1MHZ,100KHZ,10KHZ,1KHZ,100HZ,10HZ,1HZ,0.1HZ脉冲信号。 （1）用7490构成5421码输出的十分频电路 上图为十分频电路，构成8级十分频电路需再连接7个十分频此为上图十分频模块图。（2）分频器构成模块图：3.3测试计时器电路图在下一页，做成的模块图：计时器主要由四片级联的十进制计数器组成，74161计数器。计时器的开始、停止、置数、清零、溢出等功能分别有一些逻辑门和D触发器构成。图中引脚以及实现的主要功能是：SET，置数，与ON并联，随机脉冲信号产生后，经反向器后，加在低电平有效的LDN同步置数端，该实验为方便四舍五入，置数为五。ON，开始计时
9、，随机脉冲信号触发D触发器后，使其输出高电平，时钟信号可以通过与门，使74161得到CP信号。OFF,停止计时，“反应”按键按下，脉冲信号加反向器后，加在D触发器的清零端，使其输出低电平，时钟信号停止导通，74161停止计数。10KHZ，脉冲信号，由分频器提供。YICHU，溢出信号，设计用一片74161来表示溢出信号，当第四片计数器满十进位后，当第五片计数器输出第一个有效脉冲时，说明溢出。最低位四舍五入，本设计利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5。这样, 测试结束时的计数值是实际测量值加5。当最低位测量值大于等于5时, 必然产生向高位的进位, 实现了测量值的四舍五入功能
10、。计数器从左向右电位依次增高，DCBA,A为高电位。3.4动态扫描器（1）七段显示译码，采用AHDL文件编辑做成模块图：（2）动态扫描器动态扫描器框图其中虚线内部属于LP-2900装置，数据选择器选用74153，计数器采用7490计数器，连接后用七段显示译码器连接到装置上（分频器由于多余去掉了，在整体装置中会有分频器接入）。图中A4 A3 A2 A1 A0为第一块显示屏所显示符号的对应二进制数，其他同理。由于每个显示屏需要每秒导通次数多于50次时，才会因视觉暂留效果，不会让人感觉显示屏在闪烁。因此，四块显示屏轮流导通则需要200HZ以上的时钟脉冲来控制计数器，本设计选用的1KHZ的时钟信号。做
11、成模块图：3.5控制逻辑电路由于接线较多，所以我把控制电路分散在整个电路里，故而没有单独做出一个模块。大致介绍一下它的主要功能：控制模块中选择刺激源为选通电路，在开始测试之前选好；其他控制都为D触发器控制。违例：当test信号无效时按下“反应”键，则response脉冲触发weili 信号有效, 并控制ready信号无效。weili信号禁止随机脉冲产生, test信号始终无效。溢出：设计用一片74161来表示溢出信号，当第四片计数器满十进位后，当第五片计数器输出第一个有效脉冲时，通过一个D触发器输出高电平时溢出灯亮。 随机信号：触发test信号有效并控制ready,delay信号无效。test
12、信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响, 并允许测试计数器开始计时。 准备：ready信号控制延时计数器开始计数,延时时间1 2 s。当延时时间到,delay信号有效。具体介绍在随机信号如何产生之中有详细介绍。当反应键按下之后，产生response负脉冲, 使test信号无效,测试计数器停止计数。其他灯也被分配低电平不会亮。上述所说皆在总电路图中有所体现4总电路图5电路的调试（1） 小数点后一位会显示数字。根据实验要求，把动态扫描器和测试计时器的最后一位连接处断开，这样装置既会进位，也会使最后一位数字消失。（2） 发现违例灯在提前按下反应键时未亮。检查是有一处与门未连接紧密，导致，为输出信号。（3
13、） 随机信号的产生总是出现问题。请教同学，发现自己会同时输出两个延时信号，接上一个与门，并且给出反馈使延时信号变成低电平，这样保证了一个延时信号的输出。6心得与体会 在接触这个实验的3个星期里，我学到了很多，此次课程设计与以往所做的实验大有不同，以往的实验只是照着电路图连出电路即可，而这次的实验是需要我们自己设计电路图，并且下载装置中调试电路，难度很大，但是很有意思，丰富了自己的知识，在实验中，一步步实践自己的想法与创意，并且和同学积极地讨论问题的不同，使自己更好地了解了这门课程的内容以及他给我们带来的知识含量，受益匪浅。7.参考书籍（1）崔葛瑾.西安电子科技大学出版社.2008（2）杨颂华.:西安电子科技大学出版社.200922
