數(shù)字電子電路課程設(shè)計三人智力搶答器

1、摘要：簡易三人搶答器是一名的裁判員，它的任務是從三名競賽者中確定出最先的搶答者，并顯示出最少反應時間。1. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.1電路組成和工作原理根據(jù)上面所說的功能要求，智力競賽搶答計事系統(tǒng)的組成框圖如下圖1-1所示。它主要有五部分組成： 圖1-1智力競賽搶答器的核心。當參賽者的任意一位首先按下?lián)尨痖_關(guān)事，搶答器即刻接受該信號，指使相應發(fā)光二極管亮（或音響電路發(fā)出聲音），與此同時，封鎖住其他參賽者的輸入信號。由三個開關(guān)組成。三名參賽者各控制一個，撥動開關(guān)使相應控制端的信號為高電平或低電平。供比賽開始前裁判遠使用。它能保證比賽前觸發(fā)器統(tǒng)一清零，避免電路的誤動作和搶答過程的不公平。比賽開始，當某

2、一參賽者按下?lián)尨鹌鏖_關(guān)時，觸發(fā)器就接受該信號，在封鎖其他開關(guān)信號的同時，使該路的發(fā)光二極管發(fā)出亮光和蜂鳴器發(fā)出聲響，以引起人們的注意。它應該提供給搶答器、計時系統(tǒng)和聲響電路工作的控制脈沖。1.2設(shè)計步驟及方法下圖1-2為三人簡易搶答器系統(tǒng)的原理圖。 圖1-2 原理圖該系統(tǒng)有開關(guān)A ，B ，C ，分別有三名參賽者控制。常態(tài)時開關(guān)接地，比賽時，按下開關(guān)，使該端為高電平。為實驗方便，搶答開關(guān)也可以利用實驗箱上電平輸出開關(guān)。撥動邏輯開關(guān)，相當于書車邏輯高低電平。由有原理圖看出，搶答器是由二個四管腳的D 型觸發(fā)器和與非門G1組成。它的工作原理是這樣的：若參賽者A 首先按下開關(guān)，使該端的輸入信號為高電平，

3、觸發(fā)器輸入端1D 接受該信號是輸出Q 為高電平，相應的Q 非為低電平，這個低電平信號同時送到與非門G1的輸入端，與非門G1被封鎖，使觸發(fā)器的控制脈沖CP 信號由于與非門G1封鎖而被拘之門外，觸發(fā)器2D 和3D 因為不具備CP 脈沖信號而不接收開關(guān)B 和C 控制端送入的信號（其他的兩種情況類同）。因此該電路只接收第一個輸入的信號，即使此時其他參賽者也按下開關(guān)，但由于與非門已被封鎖，信號是輸入不進去的。為了保證電路的正常工作，比賽開始前，裁判員都是要將各觸發(fā)出發(fā)器的狀態(tài)統(tǒng)一清零。本系統(tǒng)利用D 觸發(fā)器的異步復位端實現(xiàn)清零功能。由原理圖可以看出，該D 觸發(fā)器的異步復位端為R ，低電平有效。因此，將各觸

4、發(fā)器的異步復位端統(tǒng)一用一開關(guān)J 控制，正常比賽時，使R 非、S=0 非均處于高電平，用R =0非功能。聲響顯示電路需要在當有參賽者按下?lián)尨痖_關(guān)時，相應電路的發(fā)光二極管亮，同時推動輸出級的蜂鳴器發(fā)出聲響。顯示電路由發(fā)光二極管與電阻串聯(lián)而成，發(fā)光二極管正極接電源端，負極接D 觸發(fā)器的Q 非端。當某參賽者按下開關(guān)，該觸發(fā)器接受該信號使其輸出Q 端的狀態(tài)為高電平，相應的Q 非端為低電平，就有電流流過發(fā)光二極管是它發(fā)亮。聲響電路由兩部分組成：一是由門電路組成的控制電路，二是三極管驅(qū)動電路。門控電路主要由或門組成，它的兩個輸入，一個來自搶答電路各觸發(fā)器輸出Q 非的與非，他說明只要有一Q 非為低電平，就使該

5、與非門輸出為高電平通過或門電路驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。2元器件選型2.1電阻因為物質(zhì)對電流產(chǎn)生的阻礙作用，所以稱其該作用下的電阻物質(zhì)。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。沒有電阻或電阻很小的物質(zhì)稱其為電導體，簡稱導體。不能形成電流傳輸?shù)奈镔|(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。在物理學中，用電阻來表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。作用：主要職能就是阻礙電流流過，應用于限流、分流、降壓、分壓、負載與電容配合作濾波器及阻匹配等。數(shù)字電路中功能有上拉電阻和下拉電阻。2.2開關(guān)指一個可以使電路開路、使電流中斷或使其流到其他電路的電子元件，接點的“閉合

6、”表示電子接點導通，允許電流流過；開關(guān)的“開路”表示電子接點不導通形成開路，不允許電流流過。2.3 D觸發(fā)器電平觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作時，必須在正跳沿前加入輸入信號。如果在CP 高電平期間輸入端出現(xiàn)干擾信號，那么就有可能使觸發(fā)器的狀態(tài)出錯。而邊沿觸發(fā)器允許在CP 觸發(fā)沿來到前一瞬間加入輸入信號。這樣，輸入端受干擾的時間大大縮短，受干擾的可能性就降低了。邊沿D 觸發(fā)器也稱為維持-阻塞邊沿D 觸發(fā)器。電路結(jié)構(gòu)：該觸發(fā)器由6個與非門組成，其中G1和G2構(gòu)成基本RS 觸發(fā)器。 圖2-1工作原理SD 和RD 接至基本RS 觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預置和清零端，低電平有效。當SD=1且RD=0時, 不論輸

7、入端D 為何種狀態(tài)，都會使Q=0，Q 非=1，即觸發(fā)器置0；當/SD=0且/RD=1時，Q=1，Q 非=0，觸發(fā)器置1,SD 和RD 通常又稱為直接置1和置0端。我們設(shè)它們均已加入了高電平，不影響電路的工作。工作過程如下：CP=0時，與非門G3和G4封鎖，其輸出Q3=Q4=1，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。同時，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反饋信號將這兩個門打開，因此可接收輸入信號D ，Q5=D，Q6=Q5非=D非當CP 由0變1時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。這時G3和G4打開，它們的輸入Q3和Q4的狀態(tài)由G5和G6的輸出狀態(tài)決定。Q3=Q5非=D，Q4=Q6非=D非。由基本RS 觸發(fā)器的邏輯功能可知，Q=Q3=D。觸發(fā)

8、器翻轉(zhuǎn)后，在CP=1時輸入信號被封鎖。這是因為G3和G4打開后，它們的輸出Q3和Q4的狀態(tài)是互補的, 即必定有一個是0，若Q3為0，則經(jīng)G3輸出至G5輸入的反饋線將G5封鎖，即封鎖了D 通往基本RS 觸發(fā)器的路徑；該反饋線起到了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用, 故該反饋線稱為置0維持線, 置1阻塞線。Q4為0時，將G3和G6封鎖，D 端簡易三路搶答器 通往基本 RS 觸發(fā)器的路徑也被封鎖。 輸出端至 G6 反饋線起到 Q4 使觸發(fā)器維持在 1 狀態(tài)的作用，稱作置 1 維持線；Q4 輸出至 G3 輸入的反饋線起到阻止觸發(fā)器置 0 的作用,稱為置 0 阻塞線。因 此，該觸發(fā)器常稱

9、為維持-阻塞觸發(fā)器?？傊?，該觸發(fā)器是在 CP 正跳沿前接受輸入信號，正跳沿時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，正跳沿后輸入即被 封鎖,三步都是在正跳沿后完成，所以有邊沿觸發(fā)器之稱。與主 從觸發(fā)器相比,同工藝的邊沿觸發(fā)器有更強的抗干擾能力和更高 的工作速度。 特征方程： Qn+1=D 對邊沿 D 觸發(fā)器歸納為以下幾點優(yōu)點： 1.邊沿 D 觸發(fā)器具 有接收并記憶信號的功能，又稱為鎖存器；2，邊沿 D 觸發(fā)器屬 于脈沖觸發(fā)方式；, 3.邊沿 D 觸發(fā)器不存在約束條件和一次變化 現(xiàn)象，抗干擾性能好，工作速度快。 CC4013 外部引線排列圖 2-2 圖 2-2 2.4 二極管 是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管

10、內(nèi)部 6 簡易三路搶答器 有一個 PN 結(jié)兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向， 具備單向電流的轉(zhuǎn)導性。一般來講，晶體二極管是一個由 p 型半 導體和 n 型半導體燒結(jié)形成的 p-n 結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成 空間電荷層，構(gòu)成自建電場。當外加電壓等于零時，由于 p-n 結(jié) 兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電 流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。 2.5 三極管 按材料分有兩種：鍺管和硅管。 而每一種又有 NPN 和 PNP 兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅 NPN 和鍺 PNP 兩種三極管， （其中，N 表示在高純度硅中加入磷， 是指取代一些硅原子，在

11、電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導電，而 p 是 加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導電） 。兩者除了電源極性不 同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹 NPN 硅管的電流放大 原理。 對于 NPN 管，它是由 2 塊 N 型半導體中間夾著一塊 P 型 半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的 PN 結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集 電區(qū)與基區(qū)形成的 PN 結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極 e、 基極 b 和集電極 c。 當 b 點電位高于 e 點電位零點幾伏時， 發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)， 而 C 點電位高于 b 點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極 電源 Ec 要高于基極電源 Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射 區(qū)

12、的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要 嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏， 發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容 易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者， 所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極 電流了。由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大 部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流 Ic，只剩下很少 （1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴 由基極電源 Eb 重新補給，從而形成了基極電流 Ibo.根據(jù)電流連 7 簡易三路搶答器 續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基

13、極補充一個很小的 Ib， 就可以在集電極上得到一個較大的 Ic，這就是所謂電流放大作 用，Ic 與 Ib 是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib 式中： 1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic 與基極電流的 變化量Ib 之比為：= Ic/Ib 。式中-稱為交流電流放 大倍數(shù)，由于低頻時1 和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方 便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管 是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放 大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?結(jié)論與展望 本次課程設(shè)計將我所學習的理論知識與實踐活動想聯(lián)系，增 強了我的動手、動腦能力，從而達到學有所用，更明確目

14、標，為 以后的學習樹立了信心！對自己以前所學知識的鞏固和今后的學 習起了舉足輕重的作用。本次課程設(shè)計，更加深了我對電子技術(shù) 的熱愛，也激發(fā)了我對未知領(lǐng)域進軍的斗志。通過本次課程設(shè)計 我收獲很多，通過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，學到了不少東西。認識 到了自己所學的專業(yè)知識的實用性，基本掌握了常用電子電路的 一般設(shè)計方法，提高了設(shè)計能力和實驗技能，也掌握了 Protel99 的操作方法，因此使我熟悉了軟件的使用，同時在電腦的電子設(shè) 計和繪圖操作上有了進一步提高。加上在設(shè)計過程中遇到了一些 問題，使得我得查找相關(guān)資料，從而增長知識的同時增強解決問 題和動手的能力，鍛煉我做事細心、用心、耐心的能耐。這一課 程設(shè)計，使我向更高的精神和知識層次邁向一大步。所以在以后 的學習生活中，我會努力學習，培養(yǎng)自己獨立思考的能力，積極 參加多種設(shè)計活動， 培養(yǎng)自己的綜合能力， 從而適應社會的需求。 最后衷心感謝老師的悉心指導和同學的熱心幫助! 8 簡易三路