數(shù)電課程設(shè)計-數(shù)字投彈機

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字投彈機專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：04-2 姓名： 指導(dǎo)老師：目 錄一、 目錄.1二、 設(shè)計內(nèi)容及要求.2三、 方案比較論證與選擇.3四、 設(shè)計原理及參考電路.4五、 器件的選擇及其原理分析.5六、 電路性能特點.9七、 設(shè)備及元件清單.9八、 設(shè)計總結(jié)及心得會.10九、 參考文獻(xiàn).11數(shù)字投彈機設(shè)計數(shù)字電子技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的學(xué)科之一，數(shù)字邏輯器件已從60年代的小規(guī)模集成電路（SSI）發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路（MSI、LSI）及超大規(guī)模集成電（VLSI）。相應(yīng)地，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法在不斷地演變和發(fā)展，由原來的單一的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設(shè)

2、計（中、小規(guī)模集成器件）、軟件邏輯設(shè)計（軟件組裝的LSI和VSI，如微處理器、單片機等）及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路（ASIC）設(shè)計。 投彈游戲機是采用中、小規(guī)模集成器件 IC555,CD4017及CD4001等元器件設(shè)計而成.投彈游戲機是由555芯片組成無穩(wěn)多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖,經(jīng)CD4017十進(jìn)制計數(shù)器,使10個LED順次點亮,在LED點亮的同時如果小球投中移動的目標(biāo),就會產(chǎn)生一驅(qū)動信號,觸發(fā)R-S觸發(fā)器和延時電路,延時約5秒,再經(jīng)音頻振蕩器,產(chǎn)生1000Hz左右的音頻信號.游戲者可以手持小球站在投彈游戲機前面,如果小球投中移動的目標(biāo),就會自動發(fā)出祝賀音響,極富情趣.一、設(shè)計容及要求設(shè)計

3、題目：數(shù)字投彈游戲機設(shè)計任務(wù)：(1) 、復(fù)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)。 (2) 、分析無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、十進(jìn)制計數(shù)器、R-S觸發(fā)器、音頻震蕩器、喇叭驅(qū)動電路的工作原理。（3）、根據(jù)下面所選擇的方案，由數(shù)字投彈機的系統(tǒng)杠圖，畫出完整的電路圖?；疽螅?0個LED順序點亮，如果能在點亮的同時將小球投中，則發(fā)出1000Hz的慶賀聲。系統(tǒng)由無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進(jìn)制計數(shù)器，R-S觸發(fā)器電路,音頻震蕩器，喇叭驅(qū)動電路組成。參考元器件：555、CD4017、CD4001二、 方案的比較論證與選擇滿足上述設(shè)計要功能可以實施的方案很多,現(xiàn)提出下面兩種方案.方案 如圖-1所示,圖中各部分的作用如下:555脈沖形成電路十

4、進(jìn)制移位計數(shù)器LED顯示 按鈕 延時電路 無穩(wěn)音頻振蕩器揚聲器 圖-11) 555脈沖形成電路 由555芯片、電阻和電容組成占空比可調(diào)的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,產(chǎn)生時鐘脈沖.2) 十進(jìn)制移位計數(shù)器 使10個LED順次點亮.3) LED顯示 4) 按鈕 在小球投中時,產(chǎn)生一脈沖信號.5) 延時電路 產(chǎn)生的脈沖信號,經(jīng)延時電路延時5秒左右,以驅(qū)動音頻振蕩器.6) 無穩(wěn)音頻振蕩器 振蕩產(chǎn)生1000Hz左右的音頻信號.7) 揚聲器 發(fā)出小球投中的“祝賀”音響.方案如圖-2所示,該方案除傳感器和555音頻振蕩器外,其他部分,均與方案相同.555脈沖形成電路十進(jìn)制移位計數(shù)器LED顯示 傳感器延時電路555 音頻

5、振蕩器揚聲器 圖-2 1) 傳感器: 接收小球投中的信號,并傳給下一級電路.2) 555音頻振蕩器: 由555芯片產(chǎn)生一1000Hz左右的音頻信號. 方案結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),但精度底;方案電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,精度也高.根據(jù)設(shè)計要求,在滿足設(shè)計要求的前提條件下,應(yīng)盡量簡化電路,降低成本,故選擇方案.三、 設(shè)計原理及參考電路電路原理：IC1（555）和R1、RP1、RP2、C1等組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（原理圖見附圖）。在電源電壓下，產(chǎn)生一矩形脈沖，頻率 f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1占空比 q=tw1/T=(R1+RP2)/(R1+RP1+RP2)其頻率和占空比可通過調(diào)節(jié)RP1、RP2

6、來改變。IC2采用十進(jìn)制計數(shù)器/脈沖分配器，在IC1輸出的脈沖方波作用下，IC2的Q0輸出端依次出現(xiàn)寬度為T=1/f的高頻脈沖，與此相應(yīng)的LED1LEB10依次發(fā)光。IC3為四2輸入端或非門，IC3-1、IC3-2組成RS觸發(fā)器，與R7、R8、C5組成延時電路，當(dāng)小球投中與二極管（LED1LED10中某個）對應(yīng)的開關(guān)（K2K11中的某個）閉合IC3-2的輸入端6腳呈高電平，使RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)并產(chǎn)生約5秒鐘左右的延時，IC3-2的4腳呈低電平，使由IC3-3、IC3-4、R11、C6組成的音頻振蕩器起振，發(fā)出約1000HZ的振蕩信號，經(jīng)VT推動揚聲器發(fā)出“祝賀”音響，表明擊中的指示燈亮了，調(diào)節(jié)RP

7、1、RP2可改變所亮指示燈的移動速度。四、 器件的選擇及其原理分析a、555器件的選擇：555芯片是一種模擬-數(shù)字混合電路芯片，555定時器如圖所示：它是由與非門和兩個電壓比較器及其他元件組成集成塊經(jīng)常用來構(gòu)成定時電路或矩形波、方波產(chǎn)生電路，本設(shè)計使用它構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，如圖-3所示：當(dāng)直流電源接通后，電源通過R1.R2對電容C1充電。當(dāng)電容C1充電到電源電壓的2/3 VCC時，電容開始經(jīng)R2、管腳7對地放電。當(dāng)電容C1放電到電源電壓的 圖-31/3 VCC時，7腳內(nèi)部斷開，電源又開始對電容充電。如此重復(fù)上述過程，在3腳可輸出矩形波。此多諧振蕩器輸出矩形波形脈沖頻率可由充電時間常數(shù)和放電時

8、間常數(shù)確定， f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1，占空比由充電電阻（R1+RP2）與放電電阻（R1+RP1+RP2）的比值確定，占空比為q=（R1+RP2）/（R1+RP1+RP2）b、CD4017十進(jìn)制計數(shù)器/分配器的選擇：由于要使LED依次移動，故選擇十進(jìn)制計數(shù)器CD4017，CD4017是由約翰的計數(shù)器和譯碼器兩部分電路組成。它們有3個輸入端：復(fù)位端R，時鐘端CP和CPE（也叫EN）。有十個譯碼輸出端：Q0Q9。在復(fù)位狀態(tài)時，只有Q0表現(xiàn)為高電平“1”狀態(tài)，其它端均為低電平“0”狀態(tài)。另外還有進(jìn)位輸入端CO，可作為級聯(lián)時使用。CD4017的管腳排列及真值表如圖所示：CPCPER輸

9、出QN0*0N*10N100N+1110N+11*0N*10N*1Q0該器件是具有10個譯碼輸出的5段約翰遜記數(shù)器;每個譯碼輸出通常處于底電平且在時鐘脈沖由低到高的轉(zhuǎn)換過程中依次進(jìn)入高電平;每個輸出在高電平維持10個時鐘周期中的1個時鐘周期;輸出10 進(jìn)入低電平后,進(jìn)位輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平,并能與時鐘允許端連接成n級時序脈沖分配器。它的功能是在時鐘脈沖的作用下，實現(xiàn)順序沖產(chǎn)生功能，整個輸出時序是Q0Q1Q2Q7依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。這也屬于計數(shù)器。CD4017是十進(jìn)制脈沖分配器，有Q0Q9十個輸出端，它們的管腳排列見圖所示。這種計數(shù)器有兩個時鐘輸入端CP和。當(dāng)=0時

10、，計數(shù)脈沖由CP端輸入，在脈沖上跳沿時觸發(fā)計數(shù)；當(dāng)CP=0時，計數(shù)脈沖由端輸入，在脈沖下跳沿觸發(fā)計數(shù)。另外，該計數(shù)器均有清零功能，當(dāng)清零端R=1時，輸出端Q0輸出高電平,Q1Q9輸出低電平。CD4017計數(shù)器的時序波形圖如下圖所示： CD4017計數(shù)器的工作波形圖c、CD4001或非門的選擇：由于電路圖中需要用到由或非門組成的R-S觸發(fā)器及由或非門組的音頻振蕩器，故需用到或非門集成塊CD4001，其真值表如下所示：輸入端輸出端I1I2O001010100110其表邏輯達(dá)式為: O=I1+I2由或非門組成的觸發(fā)器及電阻、電容構(gòu)成延時電路，如圖所示：當(dāng)輸入端IN接收到一個脈沖信號時,輸出端OUT輸

11、出低電平,R-S觸發(fā)器另一端3 由低電平變?yōu)楦唠娖?并通過R7給C5充電,延時約秒，-觸發(fā)器2端由低電平變?yōu)楦唠娖?使R-S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖?完成延時過程.由或非門、電阻和電容構(gòu)成音頻振蕩器,產(chǎn)生1000Hz的振蕩信號,如圖所示: 五、 電路性能特點：此電路中LED的移動速度主要由矩形脈沖控制，根據(jù)脈沖頻率f=1.44/(R1+RP1+RP2)C1可以通過調(diào)節(jié)RP1、RP2來改變LED的移動速度，這樣很方便且易調(diào)；當(dāng)LED移動的速度非?？斓臅r候，小球投中時不一定能夠察覺到，而本電路中使用R-S觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)并產(chǎn)生5秒鐘的延時，使LED13產(chǎn)生約5秒鐘的延時，這樣就可以清楚地

12、觀察哪一個球擊中了目標(biāo)。六、設(shè)備及元件清單：a、元件：元件類別元件名稱所需數(shù)量芯片555芯片1塊CD40171塊CD40011塊電阻10K3個1K3個47K1個100K4個20K1個0.1K1個0.001K1個電容0.01u3個0.1u1個33u1個100u1個二極管發(fā)光二極管（LED）13個硅二極管IN40071個三極管90131個其他揚聲器1個b、 計過程中所需的儀器設(shè)備：雙蹤示波器一臺、萬用表一塊、穩(wěn)壓直流電源一臺。七、實驗總結(jié)及心得體會經(jīng)過短暫而又漫長的構(gòu)思、設(shè)計，我終于完成了數(shù)電課程設(shè)計數(shù)字投彈游戲機。設(shè)計的時間一晃而過，也可以說很漫長；構(gòu)思、設(shè)計、查資料、上網(wǎng)搜索、畫圖，實在是漫長

13、。但是皇天不負(fù)有心人，一連幾天的努力終于使我完成了這次課程設(shè)計任務(wù)，我現(xiàn)在心里有一股極其強烈的成就感！經(jīng)過這段珍貴的時間的學(xué)習(xí)探索，我已初步掌握了數(shù)電的應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)字電路的知識和有關(guān)器件的應(yīng)用。我深刻地體會到了一個數(shù)字系統(tǒng)龐大的知識體系并且使我深刻體會了從書本知識到實際應(yīng)用的設(shè)計過程。 經(jīng)過這次課程設(shè)計，我明白了許多事情，領(lǐng)悟到了很多道理。在科學(xué)技術(shù)敘述發(fā)展的今天，不僅世界是日新月異，而且電子產(chǎn)品也是不斷更新。但是千變?nèi)f變，萬變不離其蹤，只要我們有堅實的、牢固的知識作后盾，并且不斷學(xué)習(xí)外界的各種先進(jìn)的科學(xué)文化知識，就可以構(gòu)筑自己知識的大廈，在自己今后的人生道路上邁出穩(wěn)健的步伐。這次實踐使我認(rèn)識到我現(xiàn)在所學(xué)的知識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在實際操作應(yīng)用中有些問題還不能解決，所以我要在今后的學(xué)習(xí)中更加努力，學(xué)好自己的專業(yè)知識以充實自己，來適應(yīng)日新月異的現(xiàn)代社會。 在這次課程設(shè)計中，我學(xué)會了Protel 06的使用和操作,學(xué)會了如何利用網(wǎng)絡(luò)資源,學(xué)會了怎么看電路圖,讀電路圖,這些都使我受益匪淺，并為我以后的學(xué)習(xí)和工