生理刺激反应时间测试仪(数电课设)

东 华 大 学

数字电子课程设计报告

生理刺激反应时间测试仪

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第一章设计指标……………………………………....

1.1 设计指标…………………………………………………………… 第二章 系统概述…………………………………… ..

2.1设计思想………………………………………………………….. 2.2可行性论证…………………………………………….

2.3各功能的组成……………………………………………………… 2.4总体工作过程……………………………………………………… 第三章 单元电路设计与分析…………………………… 3.1各单元电路的选择……………………………………………… 3.2设计及工作原理分析……………………………………………… 第四章 电路的组构与调试…………………………………... 4.1 遇到的主要问题………………………………………………….. 4.2 现象记录及原因分析……………………………………………. 4.3 解决措施及效果 ………………………………………………… 4.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据…………………… 第五章 结束语…………………………………………………… 5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明………….. 5.2 总结设计的收获与体会………………………………………….

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附图(电路总图)……………………………………………………… 参考文献……………………………………………………………

第一章 设计指标

1.1 设计指标

（1）受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。

（2）当受试者按“测试开始”按键后，系统进入准备状态，“准备”灯亮，其他指示灯灭，显示器显示全零。

（3）测试仪在“准备”灯亮后的1~10 s 时间内随机发出光刺激信号（“测试”灯亮）或声刺激信号（蜂鸣器响），“准备”灯灭。

（4）当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时时。计时单位为0.1 ms。

（5）以七段LED数码管显示时间测量值的高3位，最低位测量值进行四舍五入处理，显示值保持到新的测试开始。

（6）受试者的反应时间超过 999.5 ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下次测试开始。

（7）若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出。

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第二章 系统概述

2.1设计思想

分析设计要求可知，生理刺激反应时间测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。

分析系统功能, 可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为开始信号start、准备信号ready、随机信号random、测试信号test、反应信号response、测试计数器溢出信号overflow 和违例信号weili。若选择下降沿有效的点触键为“测试开始”键和“反应”键, 比如LP2900 开发装置上的PS1, PS2 键, 则start , response为相应按键产生的负脉冲信号。Ready , test, response, overflow , weili 设置为触发器产生的电平信号。

系统电路根据控制功能划分为刺激信号随机产生、测试计时、显示、逻辑控制、时基信号产生等5个模块。其中随机信号采用模N 的延时计数器、模M 的定时计数器及相应的控制逻辑产生, 测试计数器采用可预置、有使能控制的4 级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。时基电路是产生定时、延时、计时电路以及显示扫描电路的时钟脉冲, 蜂鸣器的发声也需要音频脉冲控制。各脉冲可以根据所用FPGA 开发装置的基准时钟分频获得。

2.2可行性论证

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。

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2.3各功能的组成

2.3.1随机信号的产生

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。在数字电路中, 计数器的溢出信号是循环定时产生的。比如, 计数器的模为M、计数脉冲频率为1 s, 则计数器的溢出信号周期为M s, 信号宽度一般为1 s。若用一个电平信号通过逻辑门选通该计数器的溢出脉冲, 则当控制电平有效后, 逻辑门的输出在0 ~ M s 之间产生随机脉冲信号。同样, 若用电平信号控制一个模为N、初始值为0、计数脉冲频率为1 s 的计数器使能端, 当使能电平有效后, 计数器产生溢出信号的延时时间为N - 1~ N s。

2.3.2测试计时器

测试计数器采用可预置、有使能控制的4 级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。

生理刺激反应测试仪的时间测量为四位十进制数,而显示值为三位十进制数，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5 时, 高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4 时，高三位测量值加1 后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多。

本设计可以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。

2.3.3逻辑控制电路

逻辑控制电路的功能是根据按键信号控制延时、定时电路和测试计数器, 判断受试者发出的反应信号response 是否违例、测试计时是否溢出, 并根据各信号控制相应的指示灯点亮。在生理刺激反应测试仪中, 部分控制信号是互

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相关联的, 比如A 信号使Q 信号置位, B信号使Q 信号复位。这样的逻辑关系可以有很多方法实现, 比如利用D 触发器的同步触发功能和异步复位功能: A 脉冲的上升沿触发D 触发器使其输出Q 置位,B 脉冲的有效电平使D触发器立即复位。信号时序波形示例和参考电路原理如图2-1所示。

图2-1 部分控制信号的时序关系及参考控制方法

2.3.4分频器

实验中需要用到多种频率的时钟信号，该系统中的分频器模块设计为一个8级倍率为10的分频电路，输出频率分别为1HZ、10HZ、100HZ、1KHZ、10KHZ、100KHZ、1MHZ、10MHZ 8组占空比为50%的脉冲信号。为达到实验要求，采用十进制计数器级联实现。利用两片十进制计数器级联，可构成百分频电路。同理，多篇十进制计数器级联可构成千分频、万分频……。

2.3.5动态扫显示电路

动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在本实验数字电路中，采用计数器控制二进制译码器产生。采用LP-2900开发装置，由于已在FPGA外部设置了3—8线译码器74138控制显示器的公阴端，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。

在LP-2900上实现4位动态扫描显示控制电路，选择前四位。采用四进制计数器的输出控制DE1、DE2，并使DE3始终为0（端口接GND）,则74138输入码A以“000”、“001”、“010”、“011”循环变化，输出控制C1、C2、C3、

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C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显。

由于数据选择器的输出Ni必须在相应的Ci有效有效时同步输出，所以可采用控制产生Ci顺序脉冲的计数器同步控制数据选择器各位的显示码，经过显示译码输出七段控制信号Ni,同时选择该位的小数点控制信号控制显示器的dp端。

2.4总体工作过程

总体工作过程中，逻辑控制电路按控制要求产生各控制信号, 根据系统工作原理,各信号时序关系如下:

（1）“测试开始”按键产生的star t 负脉冲触发ready信号有效, 控制test , weili, overflow 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0~ M s。这样, 随机信号random比 测试开始!按键的作用时间滞后1~ M+ 2 s 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. 5 s, 测试计数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。

生理刺激反应时间测试仪的总体设计思想框图如图2-2所示。

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图2-2 生理刺激反应时间测试仪设计思想框图

第三章 单元电路设计与分析

该节给出了各模块的电路图及元件符号，并简述了器件选择缘由，分析了该电路的工作原理。

3.1随机信号发生器

3.1.1随机信号产生模块原理图

随机信号产生的电路图如图3-1所示。

instCLRNREADYINPUTVCCDDFFPRNQVCCLDNABCDENTENPCLRNNOTinst2inst13OR2DFFE74161QAQBQCQDRCODPRNQVCCVCCENACLRNinst10AND2CLKCOUNTERinst5OUTPUTSIGNAL7490SET9ASET9BCLRACLRBCLKACLKBinst7inst81HZ_CPINPUTVCCQAQBQCQDCOUNTER图3-1 随机信号发生器原理图

3.1.2工作原理分析

伪随机信号发生器：7490构成了伪随机信号发生器，CLKA端输入1HZ脉冲信号，QD端输出0.1HZ脉冲信号，周期为10 s ，即伪随机信号发生器每10秒产生一个脉冲信号。

延迟信号发生器：74161构成一个二进制计数器，与两个D触发器和一些逻辑门共同构成延迟信号发生器。当“测试开始”按键按下后，上升沿脉冲使D触发器输出高电平，从而使74161的使能端处于计数状态，CLK输入1HZ的时钟脉冲信号，当计数器计到2时，一方面通过非门使前一个触发器清零，74161

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处于不工作状态，并且清零，保证只产生一个延时信号；一方面使后一个D触发器输出高电平的延时信号。

当延时信号有效时，伪随机信号发生器发出的信号才能通过与门输出随机信号。当随机信号产生后，通过反馈使延迟信号变为低电平，这样可以保证只产生一个随机脉冲信号。

3.1.3元件符号

随机信号发生器的元件符号如图3-2所示。

suijixinhaofashengqiREADY1HZ_CPinstSIGNAL图3-2 随机信号发生器模块图

3.2测试计时器

3.2.1测试计时器原理图

测试计时器的原理图如图3-3所示。

3.2.2工作原理分析

计时器主体部分是由四片级联的十进制计数器组成，该实验运用了74161计数器。另外，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。具体功能实现如表3-1所示。

表3-1 计时器各引脚功能列表

引脚名 ON 功能 开始计时 实现方法 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。 东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 10

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。 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。 CLEAR 异步清零 当输入一个高电平脉冲后，将所有74161计数器异步清零，由于74161本身需要满10清零，因此，两个清零信号分别接入或门的两个引脚 10KHZ-CP 时基信号 时基信号由分频器提供，周期为0.1ms，是计时器的基本时间单位 YICHU 溢出 该设计单独用了一片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，就表示溢出了。 DATA 四位十进制数的BCD码 各片74161的QD、QC、QB、QA输出的二进制码即为8421BCD码，可以直接接到动态扫描显示器的数据输入端。

RESPONSEVCCVCCINPUTVCCSETinst20NOTVCC741617416174161INPUTVCCinst16inst8AND2inst22AND2GNDAND2QAQBQCQDRCOinst29inst6NAND2NAND2LDNABCDENTENPCLRNQAQBQCQDRCOQAQBQCQDRCOCLKCOUNTERinst4OUTPUTinst31NAND2LDNABCDENTENPCLRNCLKCOUNTERinst310K_CPinst2OUTPUTinstINPUTVCCAND2LDNABCDENTENPCLRNinst11inst28CLKinst5COUNTERD0D1D2D3OUTPUTOUTPUTC0C1OUTPUTOUTPUTB0B1OUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTC2C3B2B3NOTVCCVCCinst30VCCDFFDPRN7416174161QON_ENINPUTVCCOUTPUTYICHUAND2inst23inst26东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 11

图3-3 测试计时器原理图

QAQBQCQDRCOinst32NAND2CLRNinst24LDNABCDENTENPCLRNCLKinst12COUNTERLDNABCDENTENPCLRNQAQBQCQDRCOOFF_ENINPUTVCCinst14CLKinst19COUNTEROUTPUTOUTPUTOUTPUTA0A1A2OUTPUTA3东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 12

3.2.3元件符号

测试计时器的元件符号如图3-4所示。

BBBBBYICHURESPONSESETA3A2A1A0B3B2B1B0C3C2C1C0inst1ON_ENOFF_EN10K_CPD3D2D1D0图3-4 测试计时器元件符号

3.3控制逻辑模块

3.3.1控制逻辑原理图

控制逻辑模块原理图如图3-5所示。

3.3.2工作原理分析

工作原理分析由控制逻辑流图说明，如图3-6所示。

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。

READY_suijixinhaoVCCAND2OUTPUTCLR_jishiqiDFFOUTPUTOUTPUTREADY_LIGHTDinst22NOTPRNQSTARTCLRNinstinst18AND2OUTPUTinst9NOTINPUTVCCWEILI_LIGHTOR2inst3inst7CLRNNOTDPRNQPRNDDFFQYICHU_LIGHTinst6OUTPUTNOTYICHU_jishiqiDFFinst23VCCOUTPUTFANYING_jishiqiinst17INPUTVCCVCCINPUTFANYINGVCCCESHIYUANNOTINPUTVCCCLRNinst4NOTinst14东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 13

图3-5 控制逻辑模块原理图

DFFAND2TRIOUTPUTCESHI_LIGHTAND2OUTPUTSIGNAL_suijixinhaoINPUTVCCAND2Dinst26CLRNinst10NOR2PRNQinst13SOUNDinst1inst15SIGNAL_jishiqiOUTPUTinst27inst21VCC低电平选通蜂鸣器高电平选通测试灯东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 14

测试开始 准备灯亮 随机信号开始产生 违例灯灭 溢出灯灭 计时器清零 否 产生否 反应 是 准备灯灭 刺激信号发生 违例灯亮 刺激信号不产生 开始计时 反应 溢出 计时器停止 刺激信号停止 溢出灯亮 刺激信号停止 刺激源选择 测试灯亮 蜂鸣器响 图3-6 控制逻辑流图

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3.3.3元件符号

控制逻辑模块元件符号如图3-7所示。

CONTROLLERSTARTFANYINGCESHIYUANSIGNAL_suijixinhaoREADY_LIGHTWEILI_LIGHTYICHU_LIGHTCESHI_LIGHTSOUNDCLR_jishiqiSIGNAL_jishiqiFANYING_jishiqiREADY_suijixinhaoYICHU_jishiqiinst2图3-7 控制逻辑模块元件符号

3.4分频器

3.4.1分频器原理图

分频器原理图如图3-8所示。

fp10M_ININPUTVCCfpCPCP1CPCP1fpCPCP1fpCPCP1fpCPCP1fpCPCP1fpCPCP1instinst2inst3inst4inst5inst7inst8OUTPUT10M_OUTOUTPUT100KOUTPUT1KOUTPUT10OUTPUT1MOUTPUT10KOUTPUT100OUTPUT1HZ图3-8 分频器原理图

3.4.2原理分析

用7490接成一个十分频的分频器，将7个十分频串联即可得到十分频，百分频，千分频……LP-2900可提供10MHZ的时钟频率，我们依次可以得到1MHZ、100KHZ、10KHZ、1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ等频率的时钟信号。

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3.4.3元件符号

分频器的元件符号如图3-9所示。

fenpinqi10M_IN10M_OUT1M100K10K1K100101HZinst图3-9 分频器元件符号

3.5动态扫描显示器

3.5.1动态扫描显示器的原理图

七段共阴显示器的编辑文件如图3-10所示。 七段共阴显示器的元件符号如图3-11所示。 动态扫描显示器的原理图如图3-12所示。

图3-11 七段共阴显示器的元件符号

inst37SEGDATA_IN[4..0]abcdefg东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 17

图3-10 七段共阴显示器的编辑文件

3.5.2功能原理分析

该设计中的七段共阴显示器的为五位输入，共设计了22个不同的符号。 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；依次类推，B4 B3 B2 B1 B0为第二块显示屏所显示符号的对应二进制数；C4 C3 C2 C1 C0为第三块显示屏所显示符号的对应二进制数；D4 D3 D2 D1 D0为第四块显示屏所显示符号的对应二进制数。

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。

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图3-12 动态扫描显示器的原理图

74153AB1GN1C01C11C21C32GN2C02C12C22C3inst7DP0DP1DP2DP3INPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCC1Y2YOUTPUTDATA_IN[4]DPA4B4C4D4 7SEGDATA_IN[4..0]DATA_IN[4..0]abcdOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTabcdeMULTIPLEXER74153AB1GN1C01C11C21C32GN2C02C12C22C3inst6efginst8fgA3B3C3D3A2INPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCC1Y2YDATA_IN[3]DATA_IN[2]B2C2D2MULTIPLEXER74153AB1GN1C01C11C21C32GN2C02C12C22C3inst4A1B1C1D1A0B0C0D0INPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCC1Y2YDATA_IN[1]DATA_IN[0]MULTIPLEXERGND7490SET9ASET9BCLRACLRBCLKACLKBinst2OUTPUTDE1DE2QAQBQCQDOUTPUT10000CPINPUTVCCCOUNTER

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3.5.3元件符号

动态扫描显示器的如图3-13所示。

dongtaisaomiaoDP0DP1DP2DP3A4A3A2A1A0B4B3B2B1B0C4C3C2C1C0D4D3D2D1D010000CPinst3DPabcdefgDE2DE1图3-13 动态扫描显示器的元件符号

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第四章 电路的组构与调试

4.1 遇到的主要问题

（1）随机信号产生不正确，当随机信号产生一次后，将会以十秒一次的频率不断产生，无法停止。

（2）计时器溢出不正确，计时器总在999.8ms时溢出。

4.2 现象记录及原因分析

（1）由于随机信号导通后，没有反馈电路使其停止，因此会不停产生。 （2）计时器第一个芯片为74161，之后用的是7490，因此，溢出提前了一个时基脉冲。

4.3 解决措施及效果

（1）用一个D触发器作为反馈装置，将随机信号输出端接反向器后，接到D触发器的清零端，则可以使随机信号只产生一个。

（2）将计时器用统一的芯片组成，全部换成了74161，溢出正确。

4.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据

计时器的功能测试：

用波形仿真工具对计时器进行了仿真模拟，得到如图4-1所示的波形。

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图4-1（1） 开始计时和置数同步进行

有图4-1（1）可以看出：

1、在置数端（SET）为高电平时，即置数有效后，最低位置数为5。 2、在最低位为9后，向较高位进位，证明计时器进位正常。

图4-1（2） 溢出，停止计时和清零

由图4-1（2）可以看出：

1、在计时器四位数字全为9之后，溢出信号（YICHU）出现。 2、在关闭信号（OFF_EN）有效后，计时器停止计时。 3、在清零信号（RESPONSE）有效后，计时器清零。

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第五章 结束语

5.1 总结设计的收获与体会

对本设计的评价：

我觉得自己的设计虽然和课本上的大同小异，但是我的设计中，各个模块的功能十分独立，比如计时器，该设计中的计时器有自己独立的开始计时使能端，置数端，停止计时使能端，异步清零端，溢出信号和时基脉冲输入端，该计时器有较强的通用性，即可以作为元件用在其他的设计电路中，而不是只能用在该设计中。除控制器以外，所有元件的功能都独立与该设计。

我的体会：

本次数字电子课程设计大大激发了我对学习的积极性，几乎每天一有空闲时间就会跑到实验室。在设计电路时，觉得自己学的东西终于可以用在实际中了，尽管PL-2900也只是一个教学用器件而已。可是，在该实验过程中，我积累了电子电路应用、设计方面的知识，拓展了思维方式，而且通过数字集成功能器件的系统应用，进一步加深了对数字电子技术课程理论知识的理解。

在做汽车尾灯设计时，我明显发现自己对各种器件的应用得心应手了很多，几乎只用了一个多小时就做出来了，很有成就感！

希望以后有时间还可以常到实验室来做其他的设计。

CONTROLLEROUTPUTACOMSTARTOUTPUTOUTPUTREADY_LIGHTFANYINGOUTPUTWEILI_LIGHTYICHU_LIGHTVCCCESHIYUANOUTPUTINPUTVCCINPUTVCCINPUTVCCSTARTFANYINGCESHIYUANCESHI_LIGHTSIGNAL_suijixinhaobuzzerTRIOUTPUTREADY_LIGHTWEILI_LIGHTYICHU_LIGHTCESHI_LIGHTSOUNDSOUNDYICHU_jishiqiREADY_suijixinhaodongtaisaomiaoOUTPUTOUTPUTOUTPUTOUTPUTCLR_jishiqiSIGNAL_jishiqiFANYING_jishiqiinst5inst6DPABCOUTPUTOUTPUTBBBBBYICHURESPONSEVCCDEOUTPUTOUTPUTsuijixinhaofashengqiSETFGOUTPUTREADY1HZ_CPON_ENOFF_ENinst4SIGNALA3A2A1A0DPabcdefgDE2fenpinqiDE2DE1OUTPUTDE1OSCINPUTVCC10M_INB3B2B1B010M_OUT1M100K10K1K100101HZbuzzerC3C2C1C0inst附图 生理刺激反应时间测试总图

inst210K_CPD3D2D1D0DP0DP1DP2DP3A4A3A2A1A0B4B3B2B1B0C4C3C2C1C0D4D3D2D1D010000CPinst1GND东华大学数字电子课程设计报告 生理刺激反应时间测试仪 23

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参考文献

[1]崔葛瑾.<<基于FPGA的数字电路系统设计>>西安电子科技大学出版社.2008

[2]杨颂华.<<数字电子技术基础>>:西安电子科技大学出版社.2009