四人搶答器電路設(shè)計

成績成績課程設(shè)計說明書題目：四人搶答器電路設(shè)計課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)學院：電子信息與電氣工程學院學生姓名：裴雷雨學號：20110201011X專業(yè)班級：自動化2011級2班指導教師：李立2013年6月6日課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目四人搶答器電路設(shè)計學生姓名裴雷雨所在學院電子信息與電氣工程學院專業(yè)、年級、班自動化2011級2班設(shè)計要求：1、設(shè)計制作一個四人搶答器，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，且計時起點與搶答命令同步，計時終點是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，第一個搶答者按下?lián)尨疰I后，電路應(yīng)記下第一個搶答者的組別（相應(yīng)的LED燈亮），并封鎖其他各組搶答信號，即其他各組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，用揚聲器提示第一搶答者產(chǎn)生，用發(fā)光二極管指示第一搶答者。學生應(yīng)完成的任務(wù)：設(shè)計一個四人搶答器的控制電路，并利用Multisim軟件進行電路仿真。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。掌握Multisim、Proteus、DXP等EDA軟件的使用方法。參考文獻：[1]童詩白.模擬電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2005.[2]秦長海,張?zhí)禊i,翟亞芳.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:北京大學出版社,2012.[3]張新喜.Multisim10電路仿真及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.[4]劉小偉.AltiumDesigner6.0電路設(shè)計實用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.工作計劃：5月27日課程設(shè)計說明、Multism軟件培訓。5月28日Multism電路設(shè)計與仿真。5月29日—5月30日用AltiumDesigner設(shè)計原理圖。5月30日—5月31日用AltiumDesigner09設(shè)計PCB板。6月3日—6月4日制版。6月5日安裝調(diào)試。6月6日書寫課程設(shè)計報告。6月7日指導教師驗收課程設(shè)計報告學生提交課程設(shè)計報告，指導教師批閱課程設(shè)計報告。任務(wù)下達日期：2013年5月27日任務(wù)完成日期：2013年6月7日指導教師（簽名）：學生（簽名）：四人搶答器電路設(shè)計摘要：本文介紹設(shè)計了一個四人搶答器控制電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)四人比賽搶答的功能并通過發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)對搶答者的聲光報警指示。其中搶答電路用四D觸發(fā)器74LS175、與非門74LS00和555定時器實現(xiàn)；報警電路用一個上拉電阻、發(fā)光二極管、蜂鳴器等實現(xiàn)搶答聲光指示器；顯示電路用74LS74D觸發(fā)器、74LS192計數(shù)器、74LS47譯碼器（驅(qū)動器）和七段共陽極數(shù)碼顯示器實現(xiàn)；時鐘電路用計數(shù)器74LS192、555定時器、74LS47譯碼器（驅(qū)動器）、七段共陽極數(shù)碼顯示器和雙D觸發(fā)器74LS47共同完成十秒倒計時的時鐘電路。關(guān)鍵詞：搶答器；聲光報警；定時電路；顯示電路；時鐘電路目錄1.設(shè)計背景.…………11.1數(shù)字電路系統(tǒng)……………………11.2時鐘電路的作用及基本構(gòu)成……11.3Multisim軟件和DXP軟件..……12.設(shè)計方案.…………22.1分析任務(wù)..………22.2論證方案...………22.3電路分析..………23.方案實施….………33.1設(shè)計原理圖…..…………………33.2用Multisim電路仿真..…………103.3制作PCB………….….…………123.4安裝與調(diào)試….…….….…………124.結(jié)果與結(jié)論……..…………………125.收獲與致謝……….………….……136.參考文獻………….…….…………137.附件….…….………147.1電路原理圖……….……………147.2PCB布線圖…….…………...157.3實物圖……..…….………………167.4元器件清單.…………….……….………………17.設(shè)計背景1.1數(shù)字電路系統(tǒng)數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。模擬信號則需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行處理。在設(shè)計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計合適的輸入接口電路。數(shù)字邏輯電路是一門研究數(shù)字信號的編碼、運算、記憶、計數(shù)、存儲、分配、測量和傳輸?shù)目茖W技術(shù)。簡單地說是用數(shù)字信號去實現(xiàn)運算、控制和測量的科學。1.2時鐘電路的作用及基本構(gòu)成時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設(shè)計時鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。1.3Multisim軟件和DXP軟件Multisim軟件是由加拿大IIT公司推出的大型設(shè)計工具軟件。它不僅提供了電路原理圖輸入和硬件描述語言模型輸入的接口和比較全面的數(shù)據(jù)分析功能，同時還提供了龐大的元、器件模型庫和一整套虛擬儀器表，可以滿足對一般的數(shù)字邏輯電路、模擬電路以及數(shù)字-模擬混合電路進行分析和設(shè)計的需求。DXP軟件是一個軟件集成平臺，把為電子產(chǎn)品開發(fā)提供完整環(huán)境所需的工具全部整合在一個應(yīng)用軟件中。DXP包括所有設(shè)計所需的工具：原理圖和HDL設(shè)計輸入、電路仿真、信號完整性分析、PCB設(shè)計、基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。此次課程設(shè)計主要學習應(yīng)用到Multisim軟件的電路圖仿真和DXP軟件的原理圖及PCB的設(shè)計，因此熟練掌握兩種軟件的基本操作很有必要。設(shè)計方案2.1分析任務(wù)搶答器具有鎖存、定時、顯示和報警功能。即當搶答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計時，同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計時到時的時候都有報警以提醒主持人和選手。搶答時間設(shè)定9秒。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。2.2論證方案將由定時器組成的多諧振蕩器發(fā)出的高頻脈沖接至觸發(fā)器的輸入端口。將四個搶答開關(guān)信號接入觸發(fā)器的輸入端口，當系統(tǒng)搶答信號發(fā)出后，第一個搶答者信號生成，觸發(fā)器所對應(yīng)的Q輸出端口輸出高電平，此時指示發(fā)光二極管亮。同時將輸出端口和高脈沖相與接至觸發(fā)器脈沖端口，由于端口發(fā)出低電平信號，從而封鎖了搶答電路。在此同時，觸發(fā)器端口的低電平信號也接至聲光指示模塊上，和十秒倒計時模塊中的定時器組成的多諧振蕩器的時鐘相與，用來封鎖顯示電路的倒計時。2.3電路分析當主持人宣布開始，定時電路開始秒脈沖電路的作用而進行倒記時，并通過譯碼器在顯示器中顯示。報警電路給出聲音提示。當選手首先按某一開關(guān)鍵時，可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息，同時為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。若有多個開關(guān)同時按下時，則在它們之間存在著隨機競爭的問題，結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。方案實施3.1設(shè)計原理圖1、本次設(shè)計選用的集成芯片的邏輯符號圖及功能如下圖174LS192的邏輯符號圖表174LS192功能表輸入輸出CLRUPDOWNDCBAQDQCQBQA1×××××××000000××dcbadcba01↑1××××加計數(shù)011↓××××減計數(shù)74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。其邏輯符號圖如圖1所示。圖中UP是加法計數(shù)脈沖輸入端，DOWN是減法計數(shù)脈沖輸入端，是進位脈沖輸出端，是借位脈沖輸入端，CLR是異步清零輸入，是異步置數(shù)輸入端，A、B、C、D是并行數(shù)據(jù)輸入端，QA、QB、QC、QD是計數(shù)器輸入端。圖274LS74邏輯符號圖74LS74內(nèi)含兩個獨立的上升沿雙D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）復位輸入（）、時鐘輸入（CLK）和數(shù)據(jù)輸出（、）。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CLK上升沿作用下傳送到輸出端。表274LS74功能表輸入輸出SDRDCLKDQn+1Qn+101××1010××0100××0011↑11011↑00111↓×QnQn圖374LS47的邏輯符號圖74LS47為4線—七段譯碼器/驅(qū)動器它和七段數(shù)碼顯示管共同組成顯示電路，該電路的輸入D、B、C、A是四位BCD碼，輸出是驅(qū)動七段數(shù)碼管工做的反碼，某段輸出為0表示點亮該段，為1表示熄滅該段。74LS47驅(qū)動的是共陽極的數(shù)碼顯示管，因此數(shù)碼顯示管的CA端接高電平VCC才能正常工作。圖474LS175的邏輯符號圖74LS175是常用的四D觸發(fā)器集成電路，里面含有四組D觸發(fā)器，可以用來構(gòu)成寄存器、搶答器等功能部件。表374LS175的功能表輸入輸出RDCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QL×××××LLLLH↑1D2D3D4D1D2D3D4DHH××××保持HL××××保持圖5555定時器邏輯符號圖555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。本文用到555定時器的多諧振蕩功能。2、本次電路設(shè)計各芯片構(gòu)成的局部電路圖如下報警電路如圖6所示，該電路的發(fā)光二極管的輸出經(jīng)過一個74LS00的與非門，當與非門輸出為高電平時，發(fā)光二極管不亮，并且蜂鳴器不響，也就是說此電路不工作；當與非門輸出為低電平時，發(fā)光二極管點亮，并且蜂鳴器發(fā)出聲響，此電路導通。圖6報警電路原理圖搶答電路如圖7所示，四個搶答開關(guān)按鈕與四D觸發(fā)器74LS175的四個D輸入端口相接，當?shù)谝粋€搶答者摁下?lián)尨鸢粹o時，Q端輸出高電平，而與之相對應(yīng)的端口輸出低電平，此低電平與555定時器的觸發(fā)高電平相與后輸出低電平，并將其輸入到四D觸發(fā)器的CLK輸入端，從而封鎖了剩余三位搶答者的搶答信號。圖7搶答電路原理圖顯示電路如圖8所示，該電路主要由74LS47和七段數(shù)碼顯示管共同組成，此電路主要是為了提醒搶答者在搶答開始之后所剩余時間多少。圖8顯示電路原理圖圖9555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖用555定時器設(shè)計的多諧振蕩器原理圖如圖9所示，555在此的功能是為了滿足數(shù)碼管倒計時為十秒的工作狀態(tài)及當?shù)谝粋€搶答信號發(fā)出時封鎖其他三個信號的要求，故據(jù)此可以根據(jù)充放電時間計算出電路的震蕩周期：＝(＋)×C×Ln2＝×C×Ln2故：T＝＋，根據(jù)設(shè)計要求可知此震蕩周期為1Hz，取電容C、C的大小分別為10uF和10nF，由此可以計算出兩電阻的阻值大概在48KΩ左右，因此選用==47KΩ。由此用示波器仿真輸出信號如下圖10所示，該仿真周期存在著誤差，那是因為提供的電阻為47KΩ，與理論的48KΩ的電阻存在著一定的差別，誤差也就是由此產(chǎn)生的。圖10555定時器信號輸出波形圖3.2用Multisim電路仿真圖11無人搶答時的仿真圖圖12有人搶答時的仿真圖3.3制作PCB首先建立PCB文件，對元件選擇正確的封裝，利用網(wǎng)絡(luò)表導入元件，然后進行布線，先要進行一系列的參數(shù)設(shè)置，并要移動元件的位置盡量得到最佳布局，我們采用的是手動布線的方法。PCB板制作要求如下：1、單位采用公制單位（mm）。2、電源線和地線要求采用0.8mm或是0.6mm,如果從兩個焊盤中間穿過時用0.4mm或0.3mm。3、信號線采用0.5mm。如果從兩個焊盤中間穿過時用0.4mm或0.3mm。4、焊盤的內(nèi)徑用0.9mm或0.85mm。外徑根據(jù)需要進行修改，一般為X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.6mm。5、數(shù)碼管的封裝采用上下的封裝形式。6、PCB板制作大小應(yīng)該緊湊、美觀。本次設(shè)計PCB大小應(yīng)選用10cm*10cm的板。3.4安裝與調(diào)試把電路焊好后，首先是對照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有幾個管腳沒接好且銅線斷了，于是細心地接上。然后用萬用表逐一檢查有沒有虛焊、斷路、短路等，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)此類問題。下一步就接通電源調(diào)試，但電路完全沒反應(yīng)，然后用萬用表對逐個模塊進行檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳還沒接上，于是再對照電路圖細心地檢查，發(fā)現(xiàn)有一個二極管壞了，還有一個電阻的阻值選錯了，一一進行改正之后，再進行調(diào)試，這次欣喜地發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)實現(xiàn)了，最后完善一下電路，宣告成功。結(jié)果與結(jié)論在本次課程設(shè)計中，我們小組對四人搶答器做了分析，將搶答器分為以下幾個模塊：顯示電路模塊、時鐘電路模塊、搶答電路模塊和報警電路模塊。其電路預(yù)期結(jié)果是：當電源開關(guān)閉合，并且主持人摁下?lián)尨鸢粹o時，數(shù)碼管顯示器開始倒計時，當其中的一名選手摁下?lián)尨鸢粹o時，與之相對應(yīng)的發(fā)光二極管開始發(fā)光，蜂鳴器開始作響，并且經(jīng)鎖存器封鎖其余三人的搶答信號，數(shù)碼管停止倒計時，這樣才是正常的工作?？偟膩碚f這次課程設(shè)計還算是成功的，我們從中學習到了不少的東西，但是，還必須正視自己的缺點，今后多鍛煉動手操作能力。經(jīng)過本次實習，我學會了使用Multisim10、DXP軟件設(shè)計電路圖并進行仿真操作，熟練掌握了在PCB板上布局、布線的技巧，最終經(jīng)過印版、安置元件和焊接電路制得搶答器，按要求完成了老師布置的實習任務(wù)。經(jīng)過電路調(diào)試，一開始器件雖然不能正常工作，但我已經(jīng)從中學到了很多。收獲與致謝本課程設(shè)計使我對課堂上的理論知識有了進一步的了解，我學會了使用Multisim10、DXP軟件設(shè)計電路圖并進行仿真操作，熟練掌握了在PCB板上布局、布線的技巧，最終經(jīng)過印版、安置元件和焊接電路制得搶答器，按要求完成了老師布置的實習任務(wù)。并增強了對數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74LS175、74LS00、74LS47、74LS74、74LS192等。但同時也暴露出我在知識上掌握不足。其次在此次設(shè)計過程中由于我們頻繁的使用一電子設(shè)計軟件比如：Multisim等，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，使得我們必須查找相關(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、耐心的能力。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