数电课程设计——四人抢答器..

课程设计说明书课程名称：数字电子技术、模拟电子技术设计题目：四人抢答器院系：电子信息与电气工程学院学生姓名：曹光宇学号：201002020021专业班级：电子信息工程2010级1班指导教师：胡万里2012年5月25日课程设计任务书设计题目四人抢答器学生姓名曹光宇所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班电子信息工程2010级1班设计要求：1、设计制作一个可容纳四个组参赛的抢答器，每组一个抢答开关；2、设置一个抢答开始按键，同时设置抢答定时电路，且计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废；3、系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号，即其他任何一组的抢答信号都不会使电路响应；4、系统采用声光指示第一抢答者：用扬声器提示第一抢答者产生；用发光二极管指指示第一抢答者。学生应完成的工作：设计一个四人抢答器的电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社，2005.[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.[5]张阳天，韩异凡ProtelDXP电路设计[M].北京：高等教育出版社，2005.工作计划：5月14号—16号完成原理图的设计；5月17号—28号进行PCB设计；5月21号—23号制作PCB板；5月24号—25号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期：2012年5月14日任务完成日期：2012年5月25日指导教师（签名）：学生（签名）：四人抢答器摘要：设计了一个四人抢答器控制电路，该电路具有计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废；主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号；用扬声器提示第一抢答者产生；用发光二极管指指示第一抢答者等特点（功能）。其中，抢答电路用4D触发器（74LS175），二输入四与非门74LS00，四输入双与门（74LS21）,555定时器实现；报警电路用上拉电阻，发光二极管和蜂鸣器组合来实现；显示电路用七段共阳极数码管和译码器（74LS47）来实现；时钟电路用555定时器和十进制加减计数器（74LS192）来实现。利用Multisim10对设计的电路进行仿真，可以得到设计要求的结果。关键词：四人抢答器；抢答信号；声光报警；定时电路目录1.设计背景……………………………………………………………………11.1学习并进一步了解数字电路………………………………………………11.2脉冲发生电路基本构成及作用…………………………………………12.设计方案……………………………………………………………………12.1任务分析……………………………………………………………………12.2方案论证……………………………………………………………………13.方案实施…………………………………………………………………23.1原理图设计…………………………………………………………………23.2电路仿真……………………………………………………………………53.3PCB制作……………………………………………………………………63.4安装与调试………………………………………………………………64.结果与结论…………………………………………………………………75.收获与致谢…………………………………………………………………76.参考文献……………………………………………………………………87.附件…………………………………………………………………………97.1电路原理图…………………………………………………………………97.2PCB布线图………………………………………………………………107.3元器件清单………………………………………………………………1011.设计背景1.1学习并进一步了解数字电路学习了数字电子技术基础，了解数字电路中的门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路和脉冲的产生与整形等知识。不仅明白它们功能而且知道它们内部的工作原理，为灵活运用这些器件打下了坚实的基础。也让我们对数字电子技术有了整体的认识，它一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。通过数电实验的练习让我们更深入了解各个器件的功能，把课本上的理论知识应用于实践，更加清楚的明白了各个器件的功能和用法（包括接口技术），使我们具备了一定的数字电路设计的能力。也为各种器件的综合运用打下了基础。1.2脉冲发生电路基本构成及作用脉冲发生电路是数字电路系统中的核心，根据系统的要求首先确定主时钟的频率，通过调节电路中电容电阻值，来调节出我们需要的时钟脉冲。在时钟脉冲及经分频后形成各种时钟脉冲电路的作用下来控制整个系统，是整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。本次课程设计中我们采用的是用555定时器构成的多谐振荡器提供倒计时脉冲和扫描电路的脉冲。2.设计方案2.1任务分析任务是一个四人抢答器：它分为脉冲、报警、抢答、计时、显示等几部分组成。我们小组采用了先局部后整体的模块化设计思想，根据本次课程设计所提供的器件来设计电路。首先我们要分析各个模块要实现它的功能需要哪些器件，然后再思考怎样连接这些器件。最后通过逻辑分析设计如何实现其整体功能。2.2方案论证1、怎样得到所需脉冲？我们采用了用555定时器构成的多谐振荡器，通过调节与它相连的电容和电阻值来得到我们想要的频率（采用555向导做的）2、报警如何实现？由于要求是声光报警，我们采用的是发光二极管和蜂鸣器并联的形式，当有高电平时发光二极管和蜂鸣器同时工作，就实现了声光报警。3、如何显示倒计时？我们采用七段共阳极的数码管，用74LS47来驱动数码管显示数字。4、计时部分如何实现？首先要有一个脉冲信号（555定时器构成的多谐振荡器）调节它的频率为1HZ，来得到我们所2要的时间信号，用此信号来驱动十进制加减计数器来记录脉冲的个数（即时间），再将此时间用显示电路显示就实现了计时功能。5、抢答部分如何实现第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号？首先需要四个独立的按键开关供四位抢答者用，其次要想锁存信号就用4D触发器来实现，最后，要想达到第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号，我们采用的是四输入双与门来判断是否有人抢答，用一个555定时器构成的多谐振荡器的脉冲与四输入双与门经与门后连到4D触发器的CLK（锁存控制端），由于多谐振荡器脉冲的输入所以电路在不断的扫描是否有人抢答，直到有人抢答后CLK被锁，第一个抢答者的信号也被锁存住，再有其它信号来时4D触发器就不会工作来锁存其它信号了。3.方案实施3.1原理图设计选择合适的数字器件，multisim软件绘制各单元的逻辑电路图。1、显示电路设计图1显示电路显示电路是提醒抢答者倒计时时间，并能记录下抢答的时刻，因此要将倒计时模块3连接到显示电路。显示电路是用七段译码器来驱动数码管显示倒计时时间。2、多谐振荡器电路设计图2555定时器构成的多谐振荡器电路表1555定时器的功能表输入输出DRUTHUTRUOTD01111×CC2V3CC2V3CC2V3CC2V3×CC1V3CC1V3CC1V3CC1V3低电平低电平不变高电平高电平导通导通不变截止截止由555定时器组成的多谐振荡器的原理是将它的THR端口和TRI端口短接构成施密特触发器。将VOD与R2和C组成的积分电路接到施密特触发器输入端构成多谐振荡器。由于电容C上的电压在VT+与VT-之间往复振动，知电容C的充放电时间T1和T2。T1=(R1+R2)*C*ln2，T2=R2*C*ln2，又因为T=T1+T2,振荡频率为f=1/T。输出脉冲的占空比为q=T1/T。由于设计要求为f=1Hz，占空比为2/3，故R1=R2=48K。由于本次设计提供的是47K的电阻，故有偏差。43、报警电路设计图3由LED和蜂鸣器构成的报警电路报警电路实际连接时0端没有直接接地，而是由4D触发器的四个~Q端口进行与运算后的端口，当有抢答者抢答时，此端口变成低电平，出现声光报警。4、时钟电路设计图4时钟电路时钟电路由555定时器组成的多谐振荡器发出1Hz的时钟脉冲接至预置数为9的计数器74LS192的倒计数脉冲输入端。当倒计时为0时借位信号输出，将借位端接至双D触发器的CLK端，从74LS74的~Q的端口输出低电平。将此低电平信号与1Hz的时钟脉冲经过与非门连接到倒计时脉冲输入端，从而封锁了倒计时模块。整个过程恰好实现5了10秒倒计时，实现了时钟设计。5、抢答电路设计图5抢答电路抢答电路的四个抢答开关接至4D触发器的四个输入端，由555定时器构成的多谐振荡器发出高频脉冲信号接触发器的脉冲输入端。当有抢答开关闭合时，触发器将其信号锁存，相应的Q端变成高电平，与其相连的LED发光。同时~Q端口输出低电平和高频脉冲信号经过两个与非门后接至4D触发器的CLK脉冲输入端，使得CLK端一直为低电平，从而封锁了抢答电路，实现了只有第一个抢答信号有效。3.2电路仿真在各单元电路设计的基础上，用Multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。验证结果表明完全符合电路的设计要求。即主持人开关闭合时，开始进行倒计时，当有人抢答时，对应的LED发光二极管亮，并出现相应的报警。完成总体设计的要求。6图6电路仿真图3.3PCB制作1、单位采用公制单位（mm）。2、电源线和地线采用0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm。.3、信号线采用0.5mm。如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm。4、焊盘的内径用0.9mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.6mm。5、过孔的大小和焊盘的设置一样。6、数码管的封装采用上下的封装形式。7、PCB板制作的大小紧凑、美观。PCB大小选用10*15（单位CM）（实际布线范围应比所选规格要小）。3.4安装与调试安装元件时极性不要接反例如发光二极管，极性电容，蜂鸣器等。还有集成器件也应注意，不要插反。电路焊制过程中不要和铜融合以防止短路，另外本次试验中时钟脉7冲开关采用六角封装，信信号脉冲开关采用四角封装，因此在安装过程中一定要与PCB板上的电路接法相吻合。电路完成安装后，进行第一次调试，发现电路工作不稳定，仔细检查后发现电路中存在短路。认为是铜和焊锡少量接触，于是吸锡后重新焊接，进行调试后成功。进行调试发现电路工作状态不稳定，有些功能时好时坏，又经反复调试后经分析发现是2D触发器的问题，它影响倒计时，使得倒计时变快，并且使得抢答失去锁存功能。将2D触发器去掉后倒计时恢复正常，抢答功能也恢复正常。又反复检查电路无误后，经分析我们认为是2D触发器的CLR清零端没有起到清零作用，刚上电Q端就是高电平，就出现声光报警。经多次调试后发现是接触不良造成的，只有多次调节主持人开关才能使电路正常工作。4.结果与结论在电路设计的过程中，用Multisim仿真各个模块的功能都正常，整体电路的的仿真也能实现，按照仿真电路画DXP的原理图，并且仿真成功。然后成功导入PCB，并正确进行布线，成功制成电路板。正确安装上元器件后进行电路调试电路出现不正常状态，经检查后发现板子上有一处短线。故障排除后电路正常工作了一次然后又不正常了。然后又进行调试发现电路工作状态不稳定，有些功能时好时坏，又经反复调试后经分析发