基于OBE理念的“篮球24秒倒计时”综合设计实验
实验题目：基于 OBE 理念的“篮球 24 秒倒计时”综合设计实验
1. 课程简要信息
课程名称：数字电子技术实验
课程学时：24学时（本实验课内6学时 $+$ 课外X学时）
适用专业：电子信息类
学生年级：大二学年（第三学期）
2. 实验内容与任务
计时器在实际生活中有着广泛应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯等等，本实验项目要求设计一个针对篮球规则的24秒倒计时器。
基本要求：
（1）具有显示 24秒 倒计时功能，其计时间隔为1s；
（2）分别设置启动键和暂停/继续键，控制两个计数器的启动计数，暂停/继续计数功能；
（3）设置复位键：按复位键可随时返回初始状态，数码管返回到“24”；
（4）计时器递减计数到“00”时，计时器停止工作，并给出声音和发光提示，即蜂鸣器发出声响和发光二极管发光；
（5）利用Quartus原理图编程方式设计电路并在FPGA实验箱上验证上述功能。
拓展要求：
（1）用 Verilog HDL 语言实现上述功能；
（2）完成三位数码管的 24.0秒的倒计时。
3. 实验过程及要求
图 $1$ 实验项目设计流程
如图1所示，整个实验过程贯穿项目分析、资料检索、方案论证、器件选型、仿真、结果分析、沟通反馈、电路搭建、测试验收、分组交流、撰写报告等完整的工程项目开发流程，其中一些环节的内容和要求如下：
（1）资料检索阶段
了解篮球24秒的规则，定时器NE555芯片的基本用法，熟悉各种计数器的区别，学习并分析秒脉冲产生原理与方法，学习并分析任意进制计数器的级联方法，了解计数器的特点，理解显示译码器的显示原理，学习并能比较显示译码的方法，分析其优缺点，熟悉蜂鸣器、发光二极管的使用方法。
（2）方案论证阶段
本实现项目按照模块化的设计思想，本实验项目可以分解为秒脉冲发生模块、计数器模块、显示器模块、报警模块和控制模块等五个模块组成；每个模块电路都可以由多种方案实现；对比分析每个方案的不同点及模块之间的关联。
（3）设计仿真阶段
熟练使用 Proteus 或 Multisim 工具软件完成上述信号调理电路的仿真设计，并设计测试方案，验证设计的正确性。
（4）电路搭试阶段
在 Quartus 软件环境下用原理图编程方式进行电路设计，根据设计电路图在FPGA实验箱上或在口袋实验箱上从输入到输出逐步搭试，确保电路连接无误后接通电源，熟练使用各项实验仪器进行各种功能测试。
（5）测试验收阶段
根据实验要求，测试电路功能和指标是否到达既定要求。
（6）实验总结阶段
分小组讨论，组织学生学习交流不同解决方案的优缺点，撰写设计总结报告。
4. 相关知识及背景
（1）相关知识
本实验项目是在前期《电路分析基础》、《电路分析基础实验》、《数字电子技术》等课程学习基础上的设计性实验，具体涉及到的知识点包括：基本门电路的功能和使用方法、555定时器的工作原理和应用、计数器的功能及应用、译码显示原理及数码管的使用、Proteus 或 Multisim 仿真、Quartus 软件，并在 FPGA 实验箱或口袋实验箱进行电路搭试、电参量测量、实验结果分析等，并涉及信号发生器、数字示波器、直流稳压电源、实验箱、万用表的使用。
（2）应用背景
在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等。本实验项目可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间 24 秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒，自动报警从而判定球员的违例。
5. 实验环境条件
直流稳压电源、信号发生器、数字示波器、万用表、FPGA实验箱或口袋实验箱Proteus 或 Multisim 仿真、Quartus 软件、NE555、电阻、电容等。
6. 教学目标与目的
（1）知识方面
1）认知计时器在日常生活中的应用，进一步认识 555 定时器、计数器、显示译码器、数码管等，掌握计数器在计时电路设计中的应用；2）认知计时器实现方法的多样性，根据实验需求选择合适的方案。
（2）技能方面
1）具备电路设计能力，参数计算能力，分析电路的能力；
2）具备熟练 Proteus 或 Multisim 仿真软件的能力，会使用软件进行电路设计、仿
真，并分析结果；
3）具备熟练 Quartus 软件的设计流程并能进行电路设计、仿真，并分析结果；
4）能利用 FPGA实验箱验证方案的可行性。
（3）素质方面
1）初步建立工程的理念，培养良好的工程素养；
2）培养学生自主学习与实践能力、分析问题与解决问题能力；
3）培养学生表达能力、沟通协调能力等综合素质。
（4）思政目标
实验过程中培养学生不怕吃苦、不怕困难、坚持不懈、精益求精的工匠精神。
7. 教学设计与实施进程
通过本设计性实验项目，让学生建立起工程项目的概念和规范化的设计流程，经历学习研究、方案论证、器件选择、仿真验证、硬件搭建、参数及功能测试、结果分析、小组交流、设计总结等完整过程。在实验教学设计中，在以下几个方面加强对学生的引导：
（1）实验前
1）布置任务，明确本实验项目的完整功能和要求；
2）讲授实验项目相关的基础理论知识。
讲授555 定时器的相关知识，讲授 555 定时器的三种应用电路，重点分析 555构成的多谐振荡器产生脉冲信号的理论计算方法。讲授计数器的相关理论知识包括计数原理，计数器种类，计算器的芯片也有很多种，计数器的级联方法。讲授译码显示电路的显示原理，数码管的类型和工作原理。
（2）实验中
1）在实验过程中，引导学生本实验项目可以分解成不同的模块，各个模块的实现方法可能有多种，应考虑理论结合实际，考虑各个方案的优缺点，选择相对合理的设计方案；
2）在理论设计时，每个元器件应写明文字符号和主要参数，一般从输入端或信号源画起，从左到右，从上到下，按信号的流向依次画出各单元电路，而且尽量画在同一张图上；
3）确定好实验方案后，指导学习 Proteus 或 Multisim设计软件，并对整个设计进行模拟和测试，快速有效地分析和完善设计电路；
4）实验中思考，考虑不同方案的，采用不同类型的计数器，或者不同计数原理之类的？各种方案有什么区别？如果修改倒计时的时间该如何设计？如果修改时钟频率该怎么做？各种方案的计时精度有什么不同等问题；
5）应考虑仿真软件是在理想的状态下进行的，所有的元件都是理想状态，在秒脉冲电路的设计时考虑元件电阻和电容的取值要尽量选用实际中能买到的标称值，并且电阻和电容都有一定的误差，所以理想的仿真结果跟实际测量结果会存在一定的差距。选择合适的元件，将设计图转换为实际的电路。元器件的安装要便于调试、测量和更换，电路图中相邻的元件在安装时原则上应就近安置。指导学习基本仪器仪表的使用，熟练掌握直流稳压电源、万用表、数字示波器、信号发生器、实验箱、口袋仪器及软件等的使用。
（3）实验后
组织学生分组交流讨论，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面；总结学生实验过程中出现的问题及解决方法；选出相对较优秀的设计作品供大家观摩学习，给同学们机会分享他们实验过程中的收获；思考本项目还能进一步持续改进的地方。
实验拓展：对学有余力的同学进行适当的拓展研究。对有些场合精度要求高的倒计时，精确到十分秒、百分秒如何实现？
在实验教学实施过程
中，主要有以下几个阶段：
（1）任务发布前
1）任课教师首先对实验项目进行试做（理论计算、电路仿真、搭试电路），然后对实验项目中需要进行调节的电路结构及元器件参数进行规划与布置；
2）编写与实验内容相对应的指导书。
（2）任务安排
1）向所有参加实验的学生布置针对实验任务的教材复习、资料查阅与整理，同时在学生QQ 群发送电子版实验指导书；
2）全班 40位同学可以 4人一个小组，分组讨论方案，每组建议采用 2-4种方案，然后进行交流，并仿真验证然后搭建电路完成实物制作。
（3）实验教学
1）分析题目要求，讲授设计思路，引导同学们完成实验方案的论证；
2）讲授 555 定时器、计数器、译码器等相关知识；
3）强调学生要自主学习、不怕困难、互相探讨，提高解决问题、分析问题的能力；
4）强调实验过程中可能遇到的问题及注意事项。
（4）学生实验
1）学生根据题目要求进行分析，并理论计算，确定实验方案；
2）在 Proteus 或NI Multisim 软件上进行电路仿真，快速有效地分析和完善设计电路，教师检查其仿真图。
（5）电路搭试
在 Quartus 软件里进行图形化编程然后在 FPGA 实验箱上进行电路调试在面包板上从输入到输出逐步搭试，确保电路连接无误后接通电源，熟练使用各项实验仪器进行各种电参量测试，边测量、边记录、边分析。
（6）现场验收
1）查看电路功能和指标是否到达既定要求；
2）组织学生讨论各方案差异及可能应用场合。
（7）报告批改
报告采用电子报告，老师及时批改。发现有问题的及时反馈给学生，学生及时修改课后的实验报告批改，分析学生实验完成情况。
8. 实验原理及方案
（1）总体设计思想
本实验项目为555定时器、计数器、译码显示器的综合应用。采用模块化的设计思想，具体内容涉及到 555 定时器的应用、计数器的级联、译码器显示的原理、数码管的应用、基本门电路的应用、报警电路的实现、控制方式的实现。
本实验项目具体的方案有多种选择，在合理分析项目需要实现的功能后选择合
适的单元电路，需重点介绍秒脉冲的实现方案、计数器的设计方法，简单介绍仿真软件 Proteus 和 NI Multisim，利用 Quartus 软件的设计流程，FPGA 的实现。
设计此倒计时器时，采用变复杂为简单、先顶层后底层、启发式、模块化的设计引导方法。把项目进行分解成模块电路，使设计起来更加简单、方便、快捷。
（2）原理与方案分析
引导同学们分析模块电路有哪些和各部分的连接关系，下图2 是引导学生思考的思维导图。
图2 方案设计的思维导图
经过教师分析、小组讨论画出如图3 所示方案框图。
图3 总体方案方框图
A.脉冲发生器模块的设计原理
图3 中秒脉冲发生器的实现方法有多种，可以利用555定时器设计多谐振荡器直接产生1Hz 的脉冲信号，或利用555 定时器产生1KHz 的脉冲然后进行1000分频实现1Hz 的脉冲信号，这样做的目的为了后续电路改进的方便，可以为计数器提供十分秒脉冲、百分秒脉冲。这里需要设计相应的参数，根据理论计算结果确定外围电阻和电容的取值，可以有多种不同的取值方案。输出信号振荡频率的计算公式：≈ 1 ，由于 555 多谐振荡电路产生的秒脉冲信号精度受电阻电容精度的影响，因此产生的秒脉冲信号精度也是不高的。第三种方案可以采用FPGA的晶振进行分频来实现，精度要比多谐振荡器的高，需要加分频电路实现。第四种方案对于要求更高的场合可以采用高精度的信号源产生秒脉冲来实现。
B.计数器模块的设计原理
计数器模块电路的实现方案主要有两类，一类是采用减法计数器/可逆计数器，计数芯片清零端接低电平，并使计数器工作在减计数状态。系统启动后，计数器的置数端无效，24 秒倒计时器开始进行倒计时，逐秒倒计时到零。另一类是采用加法计数器实现倒计时，利用计算机补码运算的设计思想。
C.显示模块部分设计原理
显示模块电路也有两种设计方法，一种采用译码电路集成在四线数码内部的共阴或共阳数码管；另一种是译码电路加七段共阴或共阳数码管的形式。
D.控制模块设计原理
控制模块电路中利用了门电路输出高低电平控制计数器、报警电路，设置了控制开关来实现电路的启动、直接复位以及暂停/继续等功能。
E.报警模块设计原理
当计数器计时到零时，报警电路给出发光提示和提示音。
这部分电路主要通过一些门电路输出高低电平来控制蜂鸣器和发光二极管来实现。根据模块电路分析，每个模块有多种设计方案，因此系统总体方案也有多种。引导同学们给出可能的四种设计方案，这四种方案的精度按不同难度不同精度进行方案设计的。
方案
根据总体方案分析、模块电路分析，秒脉冲发生器模块选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现，24 秒计时器可以选用 2 位十进制的 74LS192 实现，显示模块电路采用带内部译码驱动的4 线数码管，报警模块电路采用 8 输入与非门电路74HC4078 配合LED 灯和蜂鸣器来实现，有三个控制开关实现复位、启动、暂停/继续功能，确定方案如图4。
图4 方案一的总体框图
方案二
该方案如图 5 所示，秒脉冲发生器选用由555 定时器构成的多谐振荡器先产生1KHz的脉冲然后通过设计分频电路来实现1Hz 的秒脉冲，这样做的目的为了后续电路改进的方便，可以为计数器提供十分秒脉冲、百分秒脉冲。555的外围参数的设置也可以不同。24 秒倒计时可以选用 2 位十进制的可逆计数器 74LS192 实现，显示电路采用外部译码芯片 74LS48驱动的 7 段共阴数码管，报警电路采用 6 个二输入与或门电路和 1 个与非门配合LED 灯和蜂鸣器来实现，有三个控制开关实现复位、启动、暂停/继续功能。
图5 方案二的总体框图
方案三
计数器部分采用 74LS160加法计数器实现 24 秒倒计时。电路相比前两种方案复杂。具体实现如图6。
图6 方案三的总体框图
方案四（拓展要求）
方案用 Verilog 语言实现：利用了一个边沿检测计数器直接实现计时功能，逻辑为每检测到一个升沿，差自动增1，若差满，即和倒计时数相等，则差清零。在这段代码里将倒计时数初始化为 24，这个倒计时数在被其他模块调用的时候可以被修改，可移植性好。
思考1： 四种方案的区别
四种方案的电路设计、难易程度、精度都是不同的。
方案一优点：数码管采用4线内置驱动电路的数码管，接线少，不需要外部驱动电路。控制报警电路的基本门电路采用一个8输入的与非门，所需要器件少。
方案一缺点：555定时器产生秒脉冲信号精确度不高，4 线数码管显示原理不明确，市面上用的比较少。
方案二优点：555定时器产生毫秒脉冲信号然后进行分频得到秒信号，提高了精度。数码管采用7 段数码管，外置译码驱动电路，显示原理明确，应用广泛。控制报警电路的基本门电路采用常用的 2输入或门和与非门，价格便宜。
方案二缺点：增加分频电路，增加元器件，增加成本，需要译码驱动电路增加器件，门电路需要个数比较多，增加电路的复杂性。
方案三：脉冲用高精度信号源，提高了精度；缺点是计数器部分设计难度大。
方案四：全部采用程序，修改方便，可移植性好；缺点是对大部分学生来说不具备这个能力。
实验过程中出现的问题及解决的方法
问题一：方案一中主要问题是利用555 定时器构成的多谐振荡器所产生的脉冲信号稳定性不是很好，而且由于让其产生正常波形的电容、各电阻的比例不好掌握，所以需要反复计算和调试。经过一些设置和改进，最终电路24秒倒计时时间误差可以控制在1秒内。
问题二：由于粗心造成的连线错误，电源、电容或电阻等元器件参数选择不当等都会对仿真结果造成影响，甚至使电路不能运行，需要反复排查。
实验方案的可拓展性
本实验电路采用模块化设计，方便拓展。如果需要修改计时时间，可以加以修改得到其他任意所需要的计时时间；也可以修改电路提高计时精度，实现十分秒计时、百分秒计时。
9. 实验报告要求
实验报告需反映以下工作：
（1）需求分析
包括实验要求、实验目的。
（2）理论推导
包括各部分实现方案的原理，秒脉冲的计算，精度的分析。
方案的设计过程，利用 Proteus 或Multisim软件仿真验证技术方案。
（4）数据记录
运行仿真文件，自拟表格，记录实验现象和数据，对比实验要求。
（5）电路搭试
在FPGA实验箱上进行电路搭试或在口袋实验仪器上进行电路搭试。
（6）现场验收
1）查看电路功能和指标是否到达既定要求；
2）组织学生讨论各方案差异及可能应用场合。
（7）结果分析
对比完成本实验项目的各种方案之间的差异；分析仿真过程中出现的问题及解决的方法，给出可能的原因；分析仿真跟实物之间存在的差异并分析原因。
10.考核要求与方法
本实验项目共6学时，结合
程认证和课程目
的要求，主要考核点设置为以下 6
个方面：
表1 考核内容及细则
| 序号 | 考核内容 | 考核细则 | 分值 |
| 1 | 实物验收(20%) | 脉冲发生器部分测试 | 5 |
| 倒计时功能 | 5 | ||
| 报警功能 | 5 | ||
| 控制功能 | 5 | ||
| 2 | 实验质量(20%) | 方案选择的情况 | 10 |
| 工艺、焊接质量 | 5 | ||
| 测试仪器的熟悉程度 | 5 | ||
| 3 | 自主创新(20%) | 提高测量精度的措施分析 | 10 |
| 多方案、功能的扩展 | 10 | ||
| 4 | 实验成本(10%) | 元器件成本 | 5 |
| 开发平台成本 | 5 | ||
| 5 | 实验数据(10%) | 测试数据 | 5 |
| 测试精度 | 5 | ||
| 6 | 实验报告(20%) | 内容完整及规范性 | 5 |
| 电路原理、步骤、方案的描述 | 15 |
11. 项目特色或创新
（1）贯彻工程认证教育理念
从课程目标的制定、实验内容的安排、教学过程和教学评价环节的实施都严格按照工程认证的理念以学生为中心、成果为导向来执行的。
（2）启发式、模块化的教学方法
改变了以往按步操作的模式，采用了引导式、启发式、模块化的教学方法，
引导同学们自主思考设计方案。
（3）先进的实验手段
改变了传统的中小规模集成电路的形式，采用FPGA 实现平台、虚拟仪器口袋实验箱+FPGA核心板的模式。
（4）实验项目的综合性
项目综合了555 定时器、计数器、分频器、译码器、显示器等内容。
（5）实验方案的多样性
本实验项目每个模块有不同的实现方案，整体电路可以采用多种方案来实现，学生们可以利用所学的知识选择不同的实验方案从而可以获得更多的解决问题的途径。
12.支撑材料
附件1：学生仿真电路图
附件2：实物图
附件3：实验报告
附件4：问卷调查
附件1：学生仿真电路图
附图1： 方案一的计时器初始状态
附图2：方案二的计时器初始状态
附图3： 方案三的计时器初始状态
附图4： 方案四的核心代码
附件2：实物图
附图5： 方案的实物图
附件3：电子实验报告
24秒倒计时综合设计实验
一、实验目的
认知计时器在日常生适中的应用， 进 步认识555定时器， 计数器、显示译码器、数码管等，掌握计数器在计时电路设计中的应用；
具备电路设计能力， 参数计算能力，设计电路的能力； 具备熟练Proteus或Multisim仿真软件的能，具会备使用软设件进行电路设计、仿真， 分析结果：能具力备熟练Quatu软件进行电路设计、 仿真，并分析结果；
3）能利用FPGA实验箱验证方案的可行性，
二、实验仪器
三、实验原理
本实验项目实现的原理为555定时器、计数器、译码器的综合应用。采用模块化的设计思想， 具体涉及到555定时器的应用、 计数器的级联、 译码器显示的原理 数码管的应用、 基本门电路的应用、 报警电路的实现、 控制方式的实现。 设计此倒计时器时 采月 模块化的设计思想， 使设计起来更加简单、 方便、 快捷， 方案框图如下图1所示。
图1总体方案方框图
图中秒脉冲发生器的实现方法有多种：利用555定时器设计多谐振荡器直接产生1Hz的脉冲信号， 或利用555定时器产生1KHz的脉冲然后进行1000分频实现1Hz的脉冲信号。 这里需要设计相应的参数， 根据理论计算结果确定外围电阻和电容的取值。 24秒倒计时部分由74LS192计数器组成的计数电路完成。 计数芯片清零端接低电平， 并使计数器工作在减计数状态。 系统启动后，计数器的置数端无效，24秒倒计时器开始进行倒计时， 逐纱倒计到罗 在控制电路中还设置了控制开关来实现电路的启动、 直接复位以及暂停/继续等功能 显示电路采用共阴极数码管对计数器的输出 言号直接进行译码显示。 当计数器计时到零时，报警电路给出发光提示和提示音。 这部分电路 主要通过 些门电路来实现。
四、实验内容及数据处理
根据原理图，秒脉冲发生器选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现，24秒计时器可以选用2位十进制的74LS192实现， 显示电路采用带内部译码驱动的4线数码管，报警电路采用8输入与非门电路74HC4078配合LED灯和蜂鸣器来实现， 有 三个控制开关实现复位、 启动、 暂停/继续功能， 图2（a）为计数器的初始状态显示24， 图2（b）为计时器计时状态 2（c） 为计时器计时完成报警状态。
图2（a）为计数器的初始状态显示24
图2（b）为计时器计时状态，
图2（c）为计时器计时完成报警状态。
在FPGA实验箱上进行了验证，结果如下，能验证上述仿真结果。
内容完整，条理清楚，分析合理
五、实验结果讨论
回是- ：是利用555定时器构成的多谐振荡器所产生的脉冲信号稳定性不是特别好，而且由于让其产生正常波形的电容、 各电阻的比例不好掌握， 所以需要反复计算和调试。 仿真时还出现了理论倒计时时间和仿真时间不 致的情况， 这 问题主要是由于仿真步长的设置不合理和脉冲信号产生电路不太稳定造成的， 经过 些设置和改进， 最终电路倒计时时间基本上接近1秒钟。
问题 由于粗心造成的连线错误， 电源、 电容或电阻等元器件参数选择不当等都会对仿真结果造成影响， 甚至使电路不能运行， 需要反复排查。
不需要外部区动电路。控制报警电路的
附件4：问卷调查
电信类 19 级 “数字电子技术实验”课程目标评价问卷调查
1、掌握电子技术实验箱的使用，能够根据具体实验需求进行实验设计，能够正确表达实验的技术方案。 [单选题]
| 选项 | 小计 | 比例 | |
| 完全掌握 | 12 | 33.33% | |
| 掌握 | 20 | 55.56% | |
| 基本掌握 | 4 | 1 11.11% | |
| 不掌握 | 0 | 2 0% | |
| 本题有效填写人次 | 36 | ||
2、掌握QuartusII 软件使用方法，利用 FPGA 硬件平台完成数字电子系统实验，掌握原理图设计方法实现复杂电路的设计。 [单选题]
| 选项 | 小计 | 比例 | |
| 完全掌握 | 13 | 36.11% | |
| 掌握 | 19 | 52.78% | |
| 基本掌握 | 4 | 1 11.11% | |
| 不掌握 | 0 | 0% | |
| 本题有效填写人次 | 36 | ||
3、掌握常用组合逻辑电路芯片的基本功能和使用方法，能够用集成电路实现复杂组合逻辑电路的设计与测试。 [单选题]
| 选项 | 小计 | 比例 | |
| 完全掌握 | 11 | 30.56% | |
| 掌握 | 20 | 55.56% | |
| 基本掌握 | 5 | 13.89% | |
| 不掌握 | 0 | 0% | |
| 本题有效填写人次 | 36 | ||
4、掌握时序逻辑电路的设计方法，熟练应用触发器、计数器等时序逻辑电路集成芯片完成综合性和设计性实验的设计。 [单选题]
| 选项 | 小计 | 比例 | |
| 完全掌握 | 10 | 27.78% | |
| 掌握 | 23 | 63.89% | |
| 基本掌握 | 3 | ? 8.33% |
| 不掌握 | 0 | 0% |
| 本题有效填写人次 | 36 |
5、能够根据设计方案构建具体的数字电子系统实验方案，并搭建实验系统、检查和排除实验电路故障，获取实验数据，并完成实验数据的处理，撰写出完整的实验报告。
[单选题]
| 选项 | 小计 | 比例 | |
| 完全掌握 | 11 | 30.56% | |
| 掌握 | 22 | 61.11% | |
| 基本掌握 | 3 | 国 8.33% | |
| 不掌握 | 0 | 0% | |
| 本题有效填写人次 | 36 | ||
