電氣與計算機學(xué)院
數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告
設(shè)計題目：八路智力競賽定時搶答器設(shè)計
一、 設(shè)計任務(wù)及要求
二、 設(shè)計的作用、目的
三、 設(shè)計過程
1 方案設(shè)計與論證
1.1 搶答器的結(jié)構(gòu)框圖
1.2 總體方框圖
1.3 整體電路圖
詳細設(shè)計及其仿真
1) 主要元器件介紹
2) 秒脈沖電路的設(shè)計
3) 報警電路設(shè)計
4) 時序控制電路設(shè)計
2 整體電路的仿真與調(diào)試
2.1 仿真軟件的介紹
2.2 搶答器電路的仿真：
2.3 仿真時的問題與解決:
四、 心得體會及建議
五、 附錄
1 元器件明細表
六、 參考文獻
八路智力競賽定時搶答器設(shè)計報告 本課程設(shè)計的基本任務(wù)，通過指導(dǎo)學(xué)生循序漸進地獨立完成數(shù)字電路的設(shè)計任務(wù)，加深學(xué)生對理論知識的理解，有效地提高了學(xué)生的動手能力，獨立分析問題、解決問題能力，協(xié)調(diào)能力和創(chuàng)造性思維能力。重提高學(xué)生在數(shù)字電路應(yīng)用方面的實踐技能，樹立嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。學(xué)生通過電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試、整理資料等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計方法和組織實踐的基本技能，逐步熟悉開展科學(xué)實踐的程序和方法。
⑴通過課程設(shè)計各環(huán)節(jié)的實踐，應(yīng)使學(xué)生達到如下要求： 1掌握數(shù)字邏輯電路分析和設(shè)計的基本方法 2根據(jù)設(shè)計任務(wù)和指標(biāo)，初選電路； 3通過調(diào)查研究、設(shè)計計算，確定電路方案； 4選測元器件，安裝電路，獨立進行試驗，并通過調(diào)試改進方案； 5分析課程設(shè)計結(jié)果，寫出設(shè)計總結(jié)報告。 ⑵培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨立分析問題、解決問題能力 1學(xué)會自己分析、找出解決問題的方法； 2對設(shè)計中遇到的問題，能獨立思考，查閱資料，尋找答案； 3掌握一些測試電路的基本方法，課程設(shè)計中出現(xiàn)一般故障，能通過“分析、觀察、判斷、試驗、再判斷”的基本方法獨立解決； 4能對課程設(shè)計結(jié)果進行分析和評價。 ⑶掌握安裝、布線、調(diào)試等基本技能 1掌握常用的仿真軟件，并能夠利用仿真軟件進行一定的電路調(diào)試、改進； 2掌握數(shù)字電路布線、調(diào)試的基本技巧； 3鞏固常用儀器的正確使用方法。 ⑷培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力 1通過嚴格的科學(xué)訓(xùn)練和工程設(shè)計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的科學(xué)作風(fēng)，并培養(yǎng)學(xué)生具有一定的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點、全面觀點及團結(jié)協(xié)作的精神。
數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計是重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，同“數(shù)字電子技術(shù)”理論講授課程有密不可分的關(guān)系，起著相輔相成的作用，也是在“數(shù)字電子技術(shù)實驗”課的基礎(chǔ)上，進一步深化的實踐環(huán)節(jié)。其主要目的是通過本課程，培養(yǎng)、啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，進一步理解數(shù)字系統(tǒng)的概念，掌握小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，掌握查閱有關(guān)資料的技能。 設(shè)計作用： 完成設(shè)計任務(wù)，使電路滿足設(shè)計任務(wù)的基本要求，即以下三點： （1）8 名選手編號為：0、1、2、3、4、5、6、7，各有一個搶答按鈕用 S0---S7 表示，按鈕的編號與選手的編號對應(yīng)。 （2）給主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅 燈）和搶答的開始控制開關(guān)（空格鍵總控制）。 （3）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答 按鈕，該選手編號立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號，同時揚聲器給出音 響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主 持人將系統(tǒng)清零為止。 搶答器使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨 出哪組優(yōu)先答題。 設(shè)計目的： - 利用優(yōu)先編碼器74LS148，RS觸發(fā)器74LS279,全加器74LS238，譯碼器4511BD組成搶答電路，完成基本搶答功能。
- 利用時基電路的時間延遲和產(chǎn)生脈沖功能，形成時鐘脈沖源。
- 利用可逆計數(shù)器和譯碼器，形成倒計時電路，完成30S倒計時功能。
如圖 1所示它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成檢測數(shù)碼管工作情況。其工作原理為：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?fàn)顟B(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)置于"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(dāng)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)。
圖 1
如圖 2所示其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)按下即為“清零”狀態(tài)，清零指示燈滅，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關(guān)斷開即為“開始”狀態(tài)，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當(dāng)有人搶答時，蜂鳴器發(fā)出聲響并且燈不斷閃爍。選手進行搶答時，搶答器將完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、蜂鳴器鳴叫及燈閃爍的提示等操作。當(dāng)一輪搶答之后，禁止二次搶答。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)。 圖 2
圖 3
詳細設(shè)計及其仿真
選用8個可彈起按鈕作為搶答按鈕。如圖 4所示：
圖 4
采用74LS148優(yōu)先編碼器作為編碼電路。74LS148編碼器功能表如下：
圖 5
74LS148功能表：
表 1
74LS148N是一個優(yōu)先編碼器
優(yōu)先編碼器是數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理的一個重要邏輯部件。一般編碼器的輸入端只能有一個為有效信號，才能進行編碼。優(yōu)先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。優(yōu)先編碼器的每個輸入具有不同的優(yōu)先級別，當(dāng)多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優(yōu)先級別，并對其中優(yōu)先級別最高的一個進行編碼，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出代碼。 輸入端： ~ 輸出端： A0~A2（低電平有效）  使能輸入端：低電平有效EO使能輸出端：當(dāng)=0時，EO=1表示有有效信號輸入  擴展輸出端： =0時，表示編碼器工作，=1時表示編碼器不工作
此設(shè)計電路選用D觸發(fā)器作為鎖存器電路。D觸發(fā)器的邏輯功能表如下所示：
圖 6
D觸發(fā)器的特性表
表 2
D觸發(fā)器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發(fā)的特點，當(dāng)時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端D的值傳輸?shù)捷敵龆恕Ｕ嬷当砣缦拢?/font>
數(shù)碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數(shù)碼管。
圖 7
功能表如下：
表 3
用于控制清零和工作的按鈕。
圖 8
控制電路由觸發(fā)器和輸入信號一起控制電路的工作。
圖 9
原理：如上圖所示，4個觸發(fā)器的置數(shù)端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發(fā)器的Q非端為1，當(dāng)輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發(fā)器開始工作，經(jīng)過觸發(fā)器將信號傳輸?shù)斤@示數(shù)碼管，而第4個觸發(fā)器Q非端變?yōu)榈碗娖�，返回到與門鎖定觸發(fā)器的狀態(tài)，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。
如圖實驗選擇燈來表示信號的鎖定。
計數(shù)器的時鐘由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路的提供可以有兩種選擇方案: 方案一:用555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖10所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端(6腳)和低電平觸發(fā)器(2腳)并接后接到R2和C的連接處，將放電端(7腳)接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于(1/3)Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VI截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容c充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc.上升到(2/3)Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從(1/3)Vcc上升到(2/3)Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)T充=(R1+R2)C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在(1/3~2/3)Vcc之間變化。 圖 11 振蕩頻率為 方案二:有石英晶體振蕩器提供時鐘脈沖。石英振蕩器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當(dāng)交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。 經(jīng)過比較，多諧振蕩器頻率穩(wěn)定性比石英晶體振蕩器較差，而且其精確度也遠沒有石英晶體振蕩器那么高，但是考慮到在此次電路中的實際情況，石英晶體振蕩器的造價等要求高于多謝振蕩器，所以采用方案--的多謝振蕩器來提供時鐘脈沖。如圖12所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形被輸出。我們設(shè)定產(chǎn)生的時鐘脈沖的時間間隔是一秒，根據(jù) 計算可以得出電阻R與電容c的關(guān)系，給定電容值，可適配解出電阻值得到如下圖的電路: 圖 12 報警電路只是采用了一個蜂鳴器和LED發(fā)光二極管構(gòu)成，起電路如圖 13所示。 圖 13 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，需要完成三項功能: - 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，搶答電路和限時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。
- 當(dāng)競賽選手按動搶答健時，搶答電路和限時電路停止工作。
- 當(dāng)限定的搶答時間到，無人搶答時搶答電路和限時電路停止工作。本設(shè)計采用門電路對控制開關(guān)、搶答電路、定時電路進行連接。
如圖 14所示 圖 14 Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司(Interactive Image】Technoligics簡稱IT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境，輕松設(shè)計電路;通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為;借助高級電路分析，理解基本設(shè)計特征;通過一個工具鏈，無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試;通過改進、整合設(shè)計流程，減少建模錯誤并縮短上市時間。 a.主持人將控制開關(guān)撥到開始位置，搶答電路和限時電路進入正常工作狀態(tài)。 b.在在規(guī)定時間內(nèi)當(dāng)選手按動搶答鍵，搶答電路和限時電路停止工作，同時數(shù)碼管顯示相應(yīng)選手的編號，指示燈亮起。 c.在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，搶答電路和限時電路停止工作，選手再按搶答鍵，將不會顯示編號，同時限時電路顯示00，報警器報警，報警指示燈亮起。 設(shè)計按照的電路圖連接器件，在仿真軟件上進行調(diào)試，出現(xiàn)如下問題： (1)連線問題，元器件之間不能正常連接，連線交叉過多，電路圖看起來十分混亂。 (2)元件參數(shù)的計算選擇不是很合理，電容、電阻的參數(shù)選擇未能使輸出時鐘脈沖的時間達到理論要求。 主要就是上述的問題，對上述問題的解決方法是: （1）在元件之家以添加節(jié)點的方式使其正常連接，同時更,改元器件放置位置，重新選擇管腳連接順序，再次布線。 （2）通過查閱資料，修改給定的電容參考值，重新計算電阻的值，多次修改調(diào)試，直到到達理論值。 通過這次課程設(shè)計，我學(xué)會了許多課本上學(xué)不到的東西，同時也加強了我的動手、思考和解決問題的能力，受益匪淺。 為了弄懂74LS系列芯片的功能，我從圖書館里借來了好幾本書，同時也在網(wǎng)上找了資料再到邏輯功能，經(jīng)過一番努力終于解決，還有其它的芯片的功能也要慢慢的去琢磨。而在課程設(shè)計過程中，我覺得是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，同時平時課間又沒有好好的運用額理解個個元件的功能，而且考試的內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解很多元件的功能，對其在電路中的使用有更多的認識。 從前的學(xué)習(xí)過程過于浮淺，只是流于表面的理解，而現(xiàn)在要做課程設(shè)計，就不得不要求我們對所用到的知識有更深層次的理解。因為課程設(shè)計的內(nèi)容比及書本中的理論知識而言，更接近于現(xiàn)實生活，而理論到實踐的轉(zhuǎn)化往往是一個艱難的過程，它猶如一只攔路虎，橫更在我們的面前。但是我們毫不畏懼，因為我們相信我們能行。 這幾天的主要任務(wù)是設(shè)計和仿真出主體電路。雖然在設(shè)計中會遇到這樣那樣的問題，有時認為是正確的，而在仿真中卻出現(xiàn)了這樣那樣的問題。比如說在設(shè)計好的主電路圖要實現(xiàn)南北各燈泡的狀態(tài)，電路圖我認為是對的，而在仿真的是后去出現(xiàn)了問題，就是出現(xiàn)了一個出狀態(tài)，其它的都是正確的，經(jīng)過了反復(fù)的檢查沒什么問題，其實沒有問題，在實際中就不會出現(xiàn)了這種問題，所以有不懂的還是要問老師，那樣還節(jié)省很多的時間。
表 4 數(shù)碼顯示管3個 發(fā)光二極管2個 蜂鳴器1個 電容、電阻、開關(guān)、電源若干
完整的Word格式文檔51黑下載地址（含仿真工程）：
http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-125877-1.html
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