數(shù)電設(shè)計報告

1、報告評分批改老師 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告 八路搶答器 專 業(yè) 班 級 學生姓名 指導教師 提交日期 目 錄第一部分 設(shè)計任務(wù)1.1 設(shè)計題目及要求 41.2 備選方案設(shè)計與比較 41.2.1 方案一 41.2.2 方案二 51.2.3 各方案分析比較 5第二部分 設(shè)計方案 2.1 總體設(shè)計方案說明 52.2 模塊結(jié)構(gòu)與方框圖 5第三部分 電路設(shè)計與器件選擇3.1 功能模塊一（搶答電路）63.1.1 模塊電路及參數(shù)計算 63.1.2 工作原理和功能說明 63.1.3 器件說明（含結(jié)構(gòu)圖、管腳圖、功能表等） 73.2 功能模塊二（定時電路） 83.2.1 模塊電路及參數(shù)計算 83.2.2 工作原

2、理和功能說明 83.2.3 器件說明（含結(jié)構(gòu)圖、管腳圖、功能表等） 83.3 功能模塊三（報警電路） 93.3.1 模塊電路及參數(shù)計算 93.3.2 工作原理和功能說明 93.3.3 器件說明（含結(jié)構(gòu)圖、管腳圖、功能表等） 93.4 功能模塊四（時序電路） 93.4.1 模塊電路及參數(shù)計算 103.4.2 工作原理和功能說明 103.3.3 器件說明（含結(jié)構(gòu)圖、管腳圖、功能表等） 10第四部分 整機電路 4.1 整機電路圖（非仿真圖） 114.2 元件清單 12第五部分 電路仿真 5.1 仿真軟件簡介 125.2 仿真電路圖 135.3 仿真結(jié)果（附圖） 13第六部分 安裝調(diào)試與性能測量 6.

3、1 電路安裝 14 （推薦附整機數(shù)碼照片） 6.2 電路調(diào)試 146.2.1 調(diào)試步驟及測量數(shù)據(jù) 146.2.2 故障分析及處理 14課程設(shè)計總結(jié) 15第一部分 設(shè)計任務(wù)1.1 設(shè)計題目及要求1本課題要求設(shè)計一臺可供4-8名選手參加比賽的智力競賽搶答器。2基本功能：(1)搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕S0 S7表示。(2)設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。用來控制系統(tǒng)清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即搶答開始后，選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在編號顯示器上顯示該編號。同時封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先

4、搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。3擴展功能：(1)搶答器具有定時搶答功能。要求定時器開始倒計時，并用定時顯示器顯示倒計時時間。(2)參賽選手在設(shè)定時間（20秒）內(nèi)搶答，搶答有效，同時定時器停止倒計時，編號顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。(3)如果定時搶答時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警（音響持續(xù)0.5秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。1.2 備選方案設(shè)計與比較1.2.1 方案一在選手搶答前， “清除/起始” 開關(guān)S使基本RS觸發(fā)器輸出端Q為0，使集成8線-3線優(yōu)先編碼器禁止；

5、當主持人按下“清除/起始”開關(guān)S時，基本RS觸發(fā)器輸出端Q為1，與優(yōu)先擴展輸出端Yex共同作用，使集成8線-3線優(yōu)先編碼器選通輸入端ST為0，允許編碼，等待數(shù)據(jù)輸入。此時優(yōu)先按動序號的組號立即通過編碼器按BCD421碼輸出，經(jīng)RS鎖存器74LS279將該數(shù)碼鎖存到LED顯示器上。與此同時，Yex（引腳為14）由1翻轉(zhuǎn)為0，與非門G1輸出為1，選通輸入端ST為1，編碼器被禁止。此外，在Yex由1翻轉(zhuǎn)為0時，還驅(qū)動報警電路工作，發(fā)出聲音。1.2.2 方案二它采用了74LS148來實現(xiàn)搶答器的選號，采用了74LS279芯片實現(xiàn)對號碼的鎖存，采用了74LS192實現(xiàn)十進制的減法計數(shù)，555芯片產(chǎn)生秒脈

6、沖信號來共同實現(xiàn)倒計時，采用了74LS121單穩(wěn)態(tài)芯片來實現(xiàn)報警信號的輸出。1.2.3 兩種方案的分析比較在方案一中，主要多了一個基本RS觸發(fā)器，以及相對的74LS148引腳與74LS279之間連線的相應(yīng)改變，這又涉及到之后的提高方案中的連線的改變。它有自身的優(yōu)點，即基本RS觸發(fā)器又相當一鎖存器（74LS279），它可以對主持人的指令進行進一步的鎖存，這樣就可以增強它的抗干擾能力，但其線路過于復雜，另外此次實驗所用的電路板對電路設(shè)計的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精練越好，所以它不是首選方案。而由于方案二已能滿足基本設(shè)計和提高設(shè)計的要求，而且它的原理更簡單易懂，直觀明了，元件更少，連線更

7、方便，焊接更可靠，且比較容易實現(xiàn)，所以最終選用了方案二。二設(shè)計方案2.1 總的設(shè)計方案說明定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。圖1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定的時間，當節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置，揚聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。當定時時間到，卻沒

8、有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作： 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號； 揚聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人注意； 控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答； 控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。2.2 模塊結(jié)構(gòu)與方框圖圖1 定時搶答器總體框圖第三部分 電路設(shè)計與器件選擇3.1 功能模塊一（搶答電路）搶答電

9、路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能，其電路組成如圖3-1所示：圖3.1 搶答電路其工作原理是：當主持人控制開關(guān)處于“清零”位置時，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端（4Q1Q）全部為低電平。于是74LS48的BI=0，顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST=0，74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當主持人將開關(guān)撥到“開始”位置時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，既搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端I7、I6、I5、I4、

10、I3、I2、I1、I0輸入信號，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出Y2Y1Y0=010，YEX=0，經(jīng)RS鎖存器后，CTR=1，BI=1，此時74LS279處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101，經(jīng)74LS48譯碼后，顯示器顯示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖了其它按鍵的輸入。當按下的鍵松開后，74LS148的YEX高電平，但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號仍不會被接受。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準確性。當優(yōu)先搶答者回答完問題后，主持人操作控制開關(guān)S，

11、使搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。3.2 功能模塊二（定時電路）74LS48的7，6，2，3引腳接受來自74LS192的輸出信號并把它譯碼 顯示在數(shù)碼管上。74LS192的9，10，11，15引腳完成時間設(shè)定功能，本設(shè)計要求定時100秒，所以把左邊的芯片的1，15引腳接高電位，期于的全接低位，使的初始時間設(shè)定為100秒。555芯片完成產(chǎn)生秒脈沖的功能。工作過程為：搶答開始前，74LS192的置數(shù)端為低電位，處于初始狀態(tài)，數(shù)碼管顯示為100，5引腳接高電位。搶答開始后，秒脈沖沖推動右邊的芯片開始倒記時，同時右邊芯片產(chǎn)生的信號做為左邊芯片的CP信號推動左邊的芯片倒記時，完成十進制的倒記時功能。當

12、有人搶答后1Q的輸出為1，經(jīng)過非門后變?yōu)?，通過與門屏蔽了秒信號，停止記時，完成顯示搶答時間的功能。當記到了100秒時，左邊的芯片產(chǎn)生的定時到信號輸出為低電位，也屏蔽了秒信號，使得數(shù)碼管顯示為00。圖3.2定時電路3.3 功能模塊三（報警電路）由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖3-3所示：圖3.3 報警電路其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率為：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振不再工作。3.4 功能模塊四（時序電路）時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下

13、三項功能： 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)，當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。當設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。根據(jù)上面的功能要求以及圖3.2和圖3.3，設(shè)計的時序控制電路如圖3.4.1，3.4.2所示：圖3.4.1 搶答與定時電路的時序控制電路圖3.4.2 報警電路的時序控制電路圖中，門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端ST。圖3-4（a）的工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清零”位置撥到“開始”位置時，來自于圖3-1

14、中的74LS279的輸出CTR=0，經(jīng)G3反相，A=1，則從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時，在定時時間未到時，來自于圖3-2的74LS192的借位輸出端BO2=1，門G2的輸出ST=0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求；當選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，CTR=1，經(jīng)G3反相，A=0，封鎖CP信號，定時器處于保持狀態(tài)，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求；當定時時間到時，來自于圖3-2的74LS192的借位輸出端BO2=0，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止

15、選手進行搶答，門G1同時處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路為00狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求，74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。第四部分 整機電路4.1整機電路圖（非仿真圖）4.2元件清單元件序號型號參數(shù)數(shù)量備注U1，U4,U574LS48各1塊4線7段譯碼驅(qū)動器U274LS2791塊RS鎖存器U374LS1481塊8線3線優(yōu)先編碼器U6,U774LS192各1塊十進制可逆計數(shù)器U85551塊NE555U974LS151塊三輸入與門U1074LS041塊非門DS1DS3LD5013塊數(shù)碼管D1LED-GREEN1個發(fā)光二級管SW1SW3SW-SPRT10開關(guān)C1,C2C1:10uf

16、C2:0.1uf各1個電容R1R6R1:1OK R2:510R3:10K R4:10KR5:15K R6:68K各1個電阻第五部分 電路仿真 5.1 仿真軟件簡介在此課程設(shè)計中，我們組采用了proteus7.8軟件。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的E

17、DA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。5.2 仿真電路圖5.3 仿真結(jié)果（附圖） 第六部分 安裝調(diào)試與性能測量6.1 電路安裝工具：電烙鐵、鑷子、鉗子

18、、萬用表、砂布、松香、支架臺。首先，用砂布將萬用板上的氧化劑去除，同時將各元件引腳上的氧化劑去掉。其次，用萬用表測試好每一個電阻的阻值，將其標好值。再次，搜所相關(guān)信息，查閱芯片資料、確定參數(shù)，辨別好各芯片的引腳以及數(shù)碼管的引腳。最后，按照原理圖，用電烙鐵將每一個元件正確焊接好。在焊接過程中，要注意電烙鐵的溫度不要太高，以免燒壞銅片，使其剝落，一般溫度控制在270度左右。焊接過程中，使用松香，作為助焊劑。在焊元件時，各個芯片的引腳功能不能混淆，必須了解各個芯片的使用方法，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用時的注意事項，該接電源的一定要接電源，該接地的一定要接地，且不能有懸空。要注意二極管元件的正負引腳，根據(jù)不同元

19、件耐熱性能盡量減少焊接時間。焊接完畢后用萬用表檢查是否斷路和短路。還有焊接時要盡量使布線規(guī)范清晰明了，這樣才有利于在調(diào)試過程中檢查電路。6.2 電路調(diào)試6.2.1 調(diào)試步驟及測量數(shù)據(jù) 調(diào)試工具：萬用表，變壓器，示波器。（1）在不通電的情況下按照設(shè)計電路圖檢查安裝的線路；（2）用指針式萬用表“1”檔，查找有無虛焊、假焊等接觸不良的連線與接點;（3）在加電的情況下進行對單元電路進行逐個檢測、調(diào)試；（4）在單元電路調(diào)試的基礎(chǔ)之上，逐步擴大調(diào)試范圍，找出問題、修改電路參數(shù)、直到完全符合設(shè)計要求；（5）調(diào)試完畢后，比較電路實測的性能和計算機的仿真結(jié)果，認識計算機仿真在電路設(shè)計中所起的作用；（7）做好調(diào)試

20、記錄, 包括調(diào)試時遇到的電路故障及解決方法、測試結(jié)果等。6.2.2 故障分析及處理 我自己的電路在焊接過程中，出現(xiàn)了元件面和焊接面的認識錯誤，導致自己按照PCB布局焊接，電路不能起到作用。最后，自己重新焊接了一塊，認真檢查了一遍電路焊接面，發(fā)覺了有幾個點沒有焊接好，重新焊接一次。在不通電情況下，用了萬用表檢查，無虛焊，電路導通正常。課程設(shè)計總結(jié)通過本次的課程設(shè)計，我學到了不少知識。既有專業(yè)方面的知識，又有學習做事方面的知識。通過自己親自動手設(shè)計一個八路搶答器，更加鞏固了自己去年所學的數(shù)電知識，了解到理論與實際的差別和聯(lián)系。同時自己明白了一個做事的道理：努力能夠把每件事做完，但是，只有認真才能夠把每件事做好。從最初的原理圖的選擇，到最后焊接調(diào)試的每一步，我自己在參與制作過程中遇到了不少的問題，同時也得到了同學和老師的幫助。原理圖最初是由我在網(wǎng)上查找資料，找到了一個適合的圖。最后，在我和同學共同討論下，選擇了