數(shù)電課程設(shè)計(jì)——四人搶答器

1、課程設(shè)計(jì)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(jì)題目：四人搶答器院系：電子信息與電氣工程學(xué)院學(xué)生姓名：曹光宇學(xué)號(hào)：201002020021專業(yè)班級(jí)：電子信息工程 2010 級(jí) 1 班指導(dǎo)教師：胡萬(wàn)里2012年 5月 25日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目四人搶答器學(xué)生姓名曹光宇所在院系電子信息 與電專業(yè)、年級(jí)、班電子信息工程氣工程學(xué)院2010級(jí)1班設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)可容納四個(gè)組參賽的搶答器，每組一個(gè)搶答開關(guān)；2、設(shè)置一個(gè)搶答開始按鍵，同時(shí)設(shè)置搶答定時(shí)電路，且計(jì)時(shí)起點(diǎn)與搶答命令同步，計(jì)時(shí)終點(diǎn)是第一個(gè)搶答者的搶答信號(hào)到來(lái)，超時(shí)而無(wú)人搶答題目作廢；3、系統(tǒng)具有第一搶答信號(hào)鑒別和鎖存功能，主持人發(fā)

2、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(hào)，即其他任何一組的搶答信號(hào)都不會(huì)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(jì)一個(gè)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(jì)制作電路的PCB 板。根據(jù)設(shè)計(jì)原理對(duì)電路進(jìn)行安裝、調(diào)試，完成課程設(shè)計(jì)工作，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)閱讀：1 童詩(shī)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(jì)與應(yīng)用 M. 北京 : 高等教育出版社， 2

3、005.3 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：高等教育出版社， 2005.5張陽(yáng)天，韓異凡Protel DX P 電路設(shè)計(jì) M. 北京：高等教育出版社，2005.工作計(jì)劃：5 月 14 號(hào) 16 號(hào)完成原理圖的設(shè)計(jì)； 5 月 17 號(hào) 28 號(hào)進(jìn)行 PCB設(shè)計(jì)； 5 月 21 號(hào) 23 號(hào)制作 PCB板； 5 月 24 號(hào) 25 號(hào)電路板安裝與調(diào)試，提交課程設(shè)計(jì)報(bào)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：設(shè)計(jì)了一個(gè)四人搶答器

4、控制電路，該電路具有計(jì)時(shí)起點(diǎn)與搶答命令同步，計(jì)時(shí)終點(diǎn)是第一個(gè)搶答者的搶答信號(hào)到來(lái)，超時(shí)而無(wú)人搶答題目作廢；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(hào)；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等特點(diǎn)（功能）。其中，搶答電路用4D 觸發(fā)器（ 74LS175），二輸入四與非門 74LS00，四輸入雙與門（ 74LS21）, 555 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)；報(bào)警電路用上拉電阻，發(fā)光二極管和蜂鳴器組合來(lái)實(shí)現(xiàn)；顯示電路用七段共陽(yáng)極數(shù)碼管和譯碼器 （74LS47）來(lái)實(shí)現(xiàn)；時(shí)鐘電路用 555 定時(shí)器和十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器（ 74LS192）來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用

5、Multisim 10 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，可以得到設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。關(guān)鍵詞： 四人搶答器；搶答信號(hào)；聲光報(bào)警；定時(shí)電路目錄1.設(shè)計(jì)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(jì)方案12.1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(jì)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97.2PCB 布線圖107.3元器件清單101. 設(shè)計(jì)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(shí)序邏輯電路和脈

6、沖的產(chǎn)生與整形等知識(shí)。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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。也讓我們對(duì)數(shù)字電子技術(shù)有了整體的認(rèn)識(shí)，它一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘電路和電源等。通過數(shù)電實(shí)驗(yàn)的練習(xí)讓我們更深入了解各個(gè)器件的功能，把課本上的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，更加清楚的明白了各個(gè)器件的功能和用法（包括接口技術(shù)），使我們具備了一定的數(shù)字電路設(shè)計(jì)的能力。也為各種器件的綜合運(yùn)用打下了基礎(chǔ)。1.2 脈沖發(fā)生電路基本構(gòu)成及作用脈沖發(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(shí)鐘的頻率，通過調(diào)節(jié)電路中電容電阻值，來(lái)調(diào)節(jié)出我們需要的時(shí)鐘脈沖。在時(shí)鐘脈沖及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)鐘脈沖

7、電路的作用下來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，是整個(gè)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(jì)中我們采用的是用555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器提供倒計(jì)時(shí)脈沖和掃描電路的脈沖。2.設(shè)計(jì)方案2.1 任務(wù)分析任務(wù)是一個(gè)四人搶答器：它分為脈沖、報(bào)警、搶答、計(jì)時(shí)、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(jì)思想，根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)所提供的器件來(lái)設(shè)計(jì)電路。首先我們要分析各個(gè)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。最后通過邏輯分析設(shè)計(jì)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(shí)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(lái)得到我們想要的頻率（采用5

8、55 向?qū)ё龅模?2、報(bào)警如何實(shí)現(xiàn)？由于要求是聲光報(bào)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(shí)發(fā)光二極管和蜂鳴器同時(shí)工作，就實(shí)現(xiàn)了聲光報(bào)警。3 、如何顯示倒計(jì)時(shí)？我們采用七段共陽(yáng)極的數(shù)碼管，用74LS47 來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字。4 、計(jì)時(shí)部分如何實(shí)現(xiàn)？首先要有一個(gè)脈沖信號(hào)（ 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器）調(diào)節(jié)它的頻率為1HZ，來(lái)得到我們所1要的時(shí)間信號(hào)，用此信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器來(lái)記錄脈沖的個(gè)數(shù)（即時(shí)間），再將此時(shí)間用顯示電路顯示就實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)功能。5、搶答部分如何實(shí)現(xiàn)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(hào)？首先需要四個(gè)獨(dú)立的按鍵開關(guān)供

9、四位搶答者用，其次要想鎖存信號(hào)就用4D 觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后，要想達(dá)到第一搶答者按下?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(hào)，我們采用的是四輸入雙與門來(lái)判斷是否有人搶答，用一個(gè)555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的脈沖與四輸入雙與門經(jīng)與門后連到4D 觸發(fā)器的 CLK （鎖存控制端），由于多諧振蕩器脈沖的輸入所以電路在不斷的掃描是否有人搶答，直到有人搶答后CLK 被鎖，第一個(gè)搶答者的信號(hào)也被鎖存住，再有其它信號(hào)來(lái)時(shí)4D 觸發(fā)器就不會(huì)工作來(lái)鎖存其它信號(hào)了。3.方案實(shí)施3.1 原理圖設(shè)計(jì)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(jì)圖 1顯示電路顯

10、示電路是提醒搶答者倒計(jì)時(shí)時(shí)間，并能記錄下?lián)尨鸬臅r(shí)刻，因此要將倒計(jì)時(shí)模塊2連接到顯示電路。顯示電路是用七段譯碼器來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。2、 多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)圖 2 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路表 1 555 定時(shí)器的功能表輸入輸出R DU THUTRU OTD0××低電平導(dǎo)通12 VCC1 VCC低電平導(dǎo)通33121不變不變V CCV CC3312VCC1 VCC高電平截止3312 VCC1 VCC高電平截止33由 555 定時(shí)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

11、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(dòng)，知電容C 的充放電時(shí)間T1 和T2。T1=(R1+R2)*C*ln2 ，T2=R2*C*ln2 ，又因?yàn)?T=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(jì)要求為f=1Hz，占空比為 2/3，故 R1=R2=48K 。由于本次設(shè)計(jì)提供的是 47K 的電阻，故有偏差。33、報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖 3由 LED和蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警電路報(bào)警電路實(shí)際連接時(shí) 0 端沒有直接接地，而是由 4D 觸發(fā)器的四個(gè) Q 端口進(jìn)行與運(yùn)算后的端口，當(dāng)有搶答者搶答時(shí)，此端口變成低電平，出現(xiàn)聲光報(bào)警。4、時(shí)鐘電路

12、設(shè)計(jì)圖 4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器發(fā)出 1Hz 的時(shí)鐘脈沖接至預(yù)置數(shù)為 9 的計(jì)數(shù)器 74LS192 的倒計(jì)數(shù)脈沖輸入端。 當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為 0 時(shí)借位信號(hào)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(hào)與 1Hz 的時(shí)鐘脈沖經(jīng)過與非門連接到倒計(jì)時(shí)脈沖輸入端，從而封鎖了倒計(jì)時(shí)模塊。整個(gè)過程恰好實(shí)現(xiàn)4了 10 秒倒計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘設(shè)計(jì)。5、搶答電路設(shè)計(jì)圖 5搶答電路搶答電路的四個(gè)搶答開關(guān)接至4D 觸發(fā)器的四個(gè)輸入端，由555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器發(fā)出高頻脈沖信號(hào)接觸發(fā)器的脈沖輸入端。當(dāng)有搶答開關(guān)閉合時(shí)，觸發(fā)器將其信

13、號(hào)鎖存，相應(yīng)的 Q 端變成高電平， 與其相連的 LED 發(fā)光。同時(shí) Q 端口輸出低電平和高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)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(gè)搶答信號(hào)有效。3.2 電路仿真在各單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用 Multisim 軟件把各單元電路連接起來(lái)， 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(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。驗(yàn)證結(jié)果表明完全符合電路的設(shè)計(jì)要求。即主持人開關(guān)閉合時(shí)，開始進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，當(dāng)有人搶答時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED 發(fā)光二極管亮，并出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警。完成總體設(shè)計(jì)的要求。5圖 6電路仿真圖

14、3.3 PCB 制作1、單位采用公制單位（ mm）。2、電源線和地線采用0.6mm, 如果從兩個(gè)焊盤中間穿過時(shí)用0.4mm。 .3、信號(hào)線采用 0.5mm。如果從兩個(gè)焊盤中間穿過時(shí)用0.4mm。4、焊盤的內(nèi)徑用 0.9mm。外徑根據(jù)需要進(jìn)行修改， 一般為 X 方向 1.6 mm，Y 方向 2.0mm，或是 X 方向 2.0 mm， Y 方向 1.6mm。5、過孔的大小和焊盤的設(shè)置一樣。6、數(shù)碼管的封裝采用上下的封裝形式。7、PCB 板制作的大小緊湊、美觀。PCB 大小選用 10*15（單位 CM ）（實(shí)際布線范圍應(yīng)比所選規(guī)格要?。?。3.4 安裝與調(diào)試安裝元件時(shí)極性不要接反例如發(fā)光二極管，極性

15、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(shí)鐘脈6沖開關(guān)采用六角封裝， 信信號(hào)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)試發(fā)現(xiàn)電路工作狀態(tài)不穩(wěn)定，有些功能時(shí)好時(shí)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(jì)時(shí)，使得倒計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)恢復(fù)正常，搶答功能也恢復(fù)正常。又反復(fù)檢查電路無(wú)誤后， 經(jīng)分析我們認(rèn)為是

16、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(bào)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(jì)的過程中， 用 Multisim 仿真各個(gè)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。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(shí)好時(shí)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

17、題，它影響倒計(jì)時(shí)，使得倒計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)恢復(fù)正常，搶答功能也恢復(fù)正常。又反復(fù)檢查電路無(wú)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(bào)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(jì)的要求的效果。5.收獲與致謝經(jīng)過兩個(gè)星期的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、這次課程設(shè)計(jì)我們采用三人一組，讓我們學(xué)會(huì)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(huì)了multisim 和 DXP 的運(yùn)用為以后的學(xué)習(xí)打下

18、了基礎(chǔ)。3、讓我學(xué)會(huì)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(jì)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€(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都有可能導(dǎo)致失敗。5、通過數(shù)電課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)數(shù)電有了更深的認(rèn)識(shí)，提高了我們的邏輯思維能力，使我們?cè)谶壿嬰娐返姆治雠c設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對(duì)組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步增進(jìn)了對(duì)一些常見邏輯器件7的了解。 6、我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，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(duì)所學(xué)的知識(shí)有了更深刻的理解。7、讓我認(rèn)識(shí)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(dòng)手能力。感謝老師在課程設(shè)計(jì)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(huì)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(shí)到了自己的不足。6. 參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白 .