數(shù)電課程設(shè)計——四人搶答器

1、 課 程 設(shè) 計 說 明 書 課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù) 設(shè)計題目： 四人搶答器 院 系： 電子信息與電氣工程學(xué)院 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書設(shè)計題目四人搶答器學(xué)生姓名所在院系電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級、班電子信息工程2010級1班設(shè)計要求：1、設(shè)計制作一個可容納四個組參賽的搶答器，每組一個搶答開關(guān)；2、設(shè)置一個搶答開始按鍵，同時設(shè)置搶答定時電路，且計時起點(diǎn)與搶答命令同步，計時終點(diǎn)是第一個搶答者的搶答信號到來，超時而無人搶答題目作廢；3、系統(tǒng)具有第一搶答信號鑒別和鎖存功能，主持人發(fā)布搶答命令后，第一搶答者按下?lián)尨疰I后，電路應(yīng)記下第一搶答者的組別，并封鎖其他各組的搶答信號，即其他

2、任何一組的搶答信號都不會使電路響應(yīng)；4、系統(tǒng)采用聲光指示第一搶答者：用揚(yáng)聲器提示第一搶答者產(chǎn)生；用發(fā)光二極管指指示第一搶答者。學(xué)生應(yīng)完成的工作： 設(shè)計一個四人搶答器的電路，并利用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。利用DXP 軟件繪制電路原理圖，并設(shè)計制作電路的PCB板。根據(jù)設(shè)計原理對電路進(jìn)行安裝、調(diào)試，完成課程設(shè)計工作，并提交課程設(shè)計報告。參考文獻(xiàn)閱讀： 1童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005. 2臧春華.電子線路設(shè)計與應(yīng)用M.北京:高等教育出版社，2005. 3邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4閻 石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：

3、高等教育出版社，2005. 5張陽天，韓異凡Protel DXP電路設(shè)計M.北京：高等教育出版社，2005.工作計劃： 5月14號16號完成原理圖的設(shè)計；5月17號28號進(jìn)行PCB設(shè)計；5月21號23號制作PCB板；5月24號25號電路板安裝與調(diào)試，提交課程設(shè)計報告。任務(wù)下達(dá)日期： 2012 年 5 月 14 日任務(wù)完成日期： 2012 年 5 月 25 日指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）：四人搶答器摘 要：利用Multisim 10對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，可以得到設(shè)計要求的結(jié)果。關(guān)鍵詞： 目 錄1.設(shè)計背景 11.1學(xué)習(xí)并進(jìn)一步了解數(shù)字電路 11.2脈沖發(fā)生電路基本構(gòu)成及作用12.設(shè)計方案12

4、.1任務(wù)分析12.2方案論證13.方案實(shí)施 23.1原理圖設(shè)計23.2電路仿真53.3 PCB制作 63.4 安裝與調(diào)試 64.結(jié)果與結(jié)論75.收獲與致謝76.參考文獻(xiàn)87.附件 97.1電路原理圖97.2 PCB布線圖107.3 元器件清單101. 設(shè)計背景1.1學(xué)習(xí)并進(jìn)一步了解數(shù)字電路學(xué)習(xí)了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，了解數(shù)字電路中的門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路和脈沖的產(chǎn)生與整形等知識。不僅明白它們功能而且知道它們內(nèi)部的工作原理，為靈活運(yùn)用這些器件打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。也讓我們對數(shù)字電子技術(shù)有了整體的認(rèn)識，它一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。1.2脈沖發(fā)生電路基本構(gòu)成

5、及作用脈沖發(fā)生電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的核心，根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，通過調(diào)節(jié)電路中電容電阻值，來調(diào)節(jié)出我們需要的時鐘脈沖。在時鐘脈沖及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖電路的作用下來控制整個系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。本次課程設(shè)計中我們采用的是用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器提供倒計時脈沖和掃描電路的脈沖。 2. 設(shè)計方案2.1任務(wù)分析任務(wù)是一個四人搶答器：它分為脈沖、報警、搶答、計時、顯示等幾部分組成。我們小組采用了先局部后整體的模塊化設(shè)計思想，根據(jù)本次課程設(shè)計所提供的器件來設(shè)計電路。首先我們要分析各個模塊要實(shí)現(xiàn)它的功能需要哪些器件，然后再思考怎樣連接這些器件。最后通過邏輯

6、分析設(shè)計如何實(shí)現(xiàn)其整體功能。2.2方案論證1、怎樣得到所需脈沖？我們采用了用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，通過調(diào)節(jié)與它相連的電容和電阻值來得到我們想要的頻率（采用555向?qū)ё龅模?、報警如何實(shí)現(xiàn)？由于要求是聲光報警，我們采用的是發(fā)光二極管和蜂鳴器并聯(lián)的形式，當(dāng)有高電平時發(fā)光二極管和蜂鳴器同時工作，就實(shí)現(xiàn)了聲光報警。3 、如何顯示倒計時？我們采用七段共陽極的數(shù)碼管，用74LS47來驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字。4 、計時部分如何實(shí)現(xiàn)？首先要有一個脈沖信號（555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器）調(diào)節(jié)它的頻率為1HZ，來得到我們所要的時間信號，用此信號來驅(qū)動十進(jìn)制加減計數(shù)器來記錄脈沖的個數(shù)（即時間），再將此時間用顯示

7、電路顯示就實(shí)現(xiàn)了計時功能。5、搶答部分如何實(shí)現(xiàn) 3. 方案實(shí)施3.1原理圖設(shè)計 選擇合適的數(shù)字器件，multisim軟件繪制各單元的邏輯電路圖。 1、顯示電路設(shè)計 圖1 圖2 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路表1 555定時器的功能表輸 入輸 出UTHUTRUOTD01111××低電平低電平不變高電平高電平導(dǎo)通導(dǎo)通不變截止截止由555定時器組成的多諧振蕩器的原理是將它的THR端口和TRI端口短接構(gòu)成施密特觸發(fā)器。將VOD與R2和C組成的積分電路接到施密特觸發(fā)器輸入端構(gòu)成多諧振蕩器。由于電容C上的電壓在VT+與VT-之間往復(fù)振動，知電容C的充放電時間T1和T2。T1=(R1+

8、R2)*C*ln2，T2=R2*C*ln2，又因?yàn)門=T1+T2,振蕩頻率為f=1/T。輸出脈沖的占空比為q=T1/T。由于設(shè)計要求為f=1Hz，占空比為2/3，故R1=R2=48K。由于本次設(shè)計提供的是47K的電阻，故有偏差。 3、報警電路設(shè)計 圖3 圖4 時鐘電路時鐘電路由555定時器組成的多諧振蕩器發(fā)出1Hz的時鐘脈沖接至預(yù)置數(shù)為9的計數(shù)器74LS192的倒計數(shù)脈沖輸入端。當(dāng)?shù)褂嫊r為0時借位信號輸出，將借位端接至雙D觸發(fā)器的CLK端，從74LS74的Q的端口輸出低電平。將此低電平信號與1Hz的時鐘脈沖經(jīng)過與非門連接到倒計時脈沖輸入端，從而封鎖了倒計時模塊。整個過程恰好實(shí)現(xiàn)了10秒倒計時，

9、實(shí)現(xiàn)了時鐘設(shè)計。5、搶答電路設(shè)計 圖5 搶答電路 搶答電路的四個搶答開關(guān)接至4D觸發(fā)器的四個輸入端，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器發(fā)出高頻脈沖信號接觸發(fā)器的脈沖輸入端。當(dāng)有搶答開關(guān)閉合時，觸發(fā)器將其信號鎖存，相應(yīng)的Q端變成高電平，與其相連的LED發(fā)光。同時Q端口輸出低電平和高頻脈沖信號經(jīng)過兩個與非門后接至4D觸發(fā)器的CLK脈沖輸入端，使得CLK端一直為低電平，從而封鎖了搶答電路，實(shí)現(xiàn)了只有第一個搶答信號有效。3.2 電路仿真 在各單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，用Multisim軟件把各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的系統(tǒng)整體邏輯電路圖。系統(tǒng)整體電路設(shè)計完成后，對系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計的正確性。

10、驗(yàn)證結(jié)果表明完全符合電路的設(shè)計要求。即主持人開關(guān)閉合時，開始進(jìn)行倒計時，當(dāng)有人搶答時，對應(yīng)的LED發(fā)光二極管亮，并出現(xiàn)相應(yīng)的報警。完成總體設(shè)計的要求。 圖6 電路仿真圖3.3 PCB制作3.4 安裝與調(diào)試安裝元件時極性不要接反例如發(fā)光二極管，極性電容，蜂鳴器等。還有集成器件也應(yīng)注意，不要插反。電路焊制過程中不要和銅融合以防止短路，另外本次試驗(yàn)中時鐘脈沖開關(guān)采用六角封裝，信信號脈沖開關(guān)采用四角封裝，因此在安裝過程中一定要與PCB板上的電路接法相吻合。電路完成安裝后，進(jìn)行第一次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)電路工作不穩(wěn)定，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)電路中存在短路。認(rèn)為是銅和焊錫少量接觸，于是吸錫后重新焊接，進(jìn)行調(diào)試后成功。進(jìn)行調(diào)

11、試發(fā)現(xiàn)電路工作狀態(tài)不穩(wěn)定，有些功能時好時壞 ，又經(jīng)反復(fù)調(diào)試后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是2D觸發(fā)器的問題，它影響倒計時，使得倒計時變快，并且使得搶答失去鎖存功能。將2D觸發(fā)器去掉后倒計時恢復(fù)正常，搶答功能也恢復(fù)正常。又反復(fù)檢查電路無誤后，經(jīng)分析我們認(rèn)為是2D觸發(fā)器的CLR清零端沒有起到清零作用，剛上電Q端就是高電平，就出現(xiàn)聲光報警 。經(jīng)多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)是接觸不良造成的，只有多次調(diào)節(jié)主持人開關(guān)才能使電路正常工作。 4. 結(jié)果與結(jié)論在電路設(shè)計的過程中，用Multisim仿真各個模塊的功能都正常，整體電路的的仿真也能實(shí)現(xiàn)，按照仿真電路畫DXP的原理圖，并且仿真成功。然后成功導(dǎo)入PCB，并正確進(jìn)行布線，成功制成電路板。

12、正確安裝上元器件后進(jìn)行電路調(diào)試電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)板子上有一處短線。故障排除后電路正常工作了一次然后又不正常了。然后又進(jìn)行調(diào)試發(fā)現(xiàn)電路工作狀態(tài)不穩(wěn)定，有些功能時好時壞 ，又經(jīng)反復(fù)調(diào)試后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是2D觸發(fā)器的問題，它影響倒計時，使得倒計時變快，并且使得搶答失去鎖存功能。將2D觸發(fā)器去掉后倒計時恢復(fù)正常，搶答功能也恢復(fù)正常。又反復(fù)檢查電路無誤后，經(jīng)分析我們認(rèn)為是2D觸發(fā)器的CLR清零端沒有起到清零作用，剛上電Q端就是高電平，就出現(xiàn)聲光報警 。 經(jīng)多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)是接觸不良造成的，只有多次調(diào)節(jié)主持人開關(guān)才能使電路正常工作。 最終沒能夠穩(wěn)定的達(dá)到設(shè)計的要求的效果。 5. 收獲與致謝 經(jīng)過兩

13、個星期的電子技術(shù)課程設(shè)計，雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、這次課程設(shè)計我們采用三人一組，讓我們學(xué)會了團(tuán)結(jié)一致，在交流中取得進(jìn)步，從問題中提高自己。2、讓我學(xué)會了multisim和DXP的運(yùn)用為以后的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。3、讓我學(xué)會了科學(xué)地分析實(shí)際問題，在與小組成員成員和小組之間交流的過程中，打破了我的思維局限，開拓了視野。4、在設(shè)計和制作的過程中也培養(yǎng)了我認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，因?yàn)槿魏我粋€環(huán)節(jié)出錯都有可能導(dǎo)致失敗。5、通過數(shù)電課程設(shè)計讓我對數(shù)電有了更深的認(rèn)識，提高了我們的邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設(shè)計上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對組合邏輯電路與時序邏輯電路的認(rèn)識，進(jìn)一步增進(jìn)了對一些常見

14、邏輯器件的了解。6、我們在設(shè)計電路時，遇到很多不理解的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網(wǎng)絡(luò)查到，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，讓我對所學(xué)的知識有了更深刻的理解。7、讓我認(rèn)識到了數(shù)電的學(xué)習(xí)不是紙上談兵，應(yīng)該在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中聯(lián)系實(shí)際增強(qiáng)自己的動手能力。感謝老師在課程設(shè)計中給我們的指導(dǎo)，感謝學(xué)校為我們提供實(shí)踐的機(jī)會和條件，讓我明白了學(xué)習(xí)的方法和方向即理論聯(lián)系實(shí)際，也讓我清楚地認(rèn)識到了自己的不足。6. 參考文獻(xiàn) 7.1電路原理圖 電路原理圖如圖7所示。 圖7 電路原理圖7.2 PCB PCB布線圖如圖8所示。7.3 元器件清單元器件清單如表2所示。 表2 元件清單 名稱 功能 個數(shù) 74LS192 可逆十進(jìn)制計數(shù)器 1 74LS47 七段譯碼器 1 共陽數(shù)碼管 數(shù)碼顯示 1 555定時器 定時 2 發(fā)光二極管 紅、綠 6 74LS175 4D觸發(fā)器 1 74LS74 2D觸發(fā)器 1 74LS00 二輸入四與非門 1 74LS21 四輸入二與門