四人抢答课程设计最后

1、成绩课程设计说明书题 目： 四人抢答器电路设计 课程名称： 数字电子技术 学 院： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 原加伟 学 号： 201102010105 专业班级： 自动化2011级2班 指导教师： 李立 2013年06月07日课 程 设 计 任 务 书设计题目四人抢答器学生姓名原加伟所在学院电子信息与电气工程学院专业、年级、班自动化2011级2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

2、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(相应的LED灯亮)，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。学生应完成的任务：首先用Multism软件进行原理图的设计与仿真，设计成功，工作正常后，然后用Altium Designer09软件绘制原理图，原理图绘制好后检查元件的封装是否一致正确，检查封装后导入PCB板。根据绘制的原理图，进行布线，设置焊盘直径，过孔大小，走线的粗细，相关参数设置好后，打印出布线图，转印电路板。电路板制成后装上原件进行

3、焊接，安装调试电路，最后撰写设计报告，老师验收。参考文献：1. 秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术（第一版）M .北京:北京大学出版社,2012. 2. 邱关源,罗先觉.电路（第五版）M .北京:高等教育出版社,2006.3. 谷树忠.Altium Designer教程 M .北京:电子工业出版社,2010.4. 童诗白.模拟电子技术基础 M .北京:高等教育出版社,2005. 工作计划：5月27日课程设计说明Multism软件培训; 5月28日Multism电路设计与仿真；5月29日-30日用Altium Designer09设计原理图及PCB板；6月3日4日制版；6月 5 日安装调试；6

4、月 6日7日书写课程设计报告，提交课程设计报告。任务下达日期： 2013年5月27日任务完成日期： 2013年 6月 7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，该电路能够实现四人比赛抢答的功能，并通过发光二极管和蜂鸣器实现对抢答者的声光指示。其中，抢答电路用四D触发器74LS175，二输入四与非门74LS00和555定时器实现；报警电路用一个上拉电阻、发光二极管、蜂鸣器等实现抢答声光指示器；显示电路用74LS74 D触发器、74LS192计数器、74LS47译码器（驱动器）和七段共阳极数码显示器实现；时钟电路用计数器74LS192、555定时器、7

5、4LS47译码器（驱动器）、七段共阳极数码显示器和双D触发器74LS47共同完成十秒倒计时的时钟电路。关键词：四人抢答器；抢答信号；声光报警；显示电路；时钟电路目 录1. 设计背景.1 1.1数字、电路系统的定义及应用.11.2时钟电路的定义及基本构成.11.3 Multisim软件和Altium Designer软件的应用12. 设计方案22.1任务分析.22.2方案论证.23. 方案实施.23.1原理图设计.23.2电路仿真.93.3 PCB制作103.4安装与调试 .114. 结果与结论.115. 收获与致谢.126. 参考文献.127. 附件.137.1电路原理图 .137.2 PCB

6、布线图147.3 PCB打印预览图.157.4电路板实物图.157.5元器件清单.161. 设计背景1.1数字电路系统的定义及应用用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。数字逻辑电路是一门研究数字信号的编码、运算、记忆、计

7、数、存储、分配、测量和传输的科学技术。简单地说是用数字信号去实现运算、控制和测量的科学。 1.2时钟电路的定义及基本构成时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路主要由555定时器、电阻、电容组成。555定时器成本非常低，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器在四人抢答器中构成多谐振荡器，起到了计时的重要作用。1.3 Multisim软件和Altium Designer软件的应用Multisim有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实

8、际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计；虚拟元器件只能用于电路的仿真。 Protel的高版本Altium Designer，是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。主要用途：原理图输入设计PCB板。因此，我们要熟练掌握两款软件。2. 设计方

9、案2.1任务分析 四人抢答器主要包括抢答电路，报警电路，显示电路，时钟电路。实现抢答电路需要用到触发器，定时器；实现报警电路需要用到蜂鸣器；实现显示电路需要用到计数器和数码管；实现时钟电路需要用到定时器，触发器。 在主持人发布抢答命令后，第一抢答者发出抢答信号，此时抢答电路截止，其它抢答者无法抢答。当第一抢答者抢答成功时，会有发光二极管点亮来指示，同时报警器会发出警报。在抢答过程中显示电路用来提示抢答者的抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声；10秒内无人抢答时，会有发光二极管点亮提示，同时有警报声。2.2方案论证将四个抢答开关信号分别接入

10、74LS175触发器的四个输入端口，将由定时器组成的多谐振荡器OUT发出的高频脉冲接至触发器的CLK输入端口。当系统抢答信号发出后，第一个抢答者信号生成，触发器所对应的Q输出端口输出高电平，此时与之对应的发光二极管亮。同时将输出端口经过一系列的与非门转换后和高脉冲相与接至触发器脉冲端口，发出低电平信号，从而封锁了抢答电路。在此同时，触发器端口的低电平信号也接至声光指示模块上，和十秒倒计时模块中的定时器组成的多谐振荡器的时钟相与，从而封锁倒计时模块。3. 方案实施3.1原理图设计选择合适的数字器件，应用Multisim软件绘制各模块的逻辑电路图。 由以上分析可知，本次设计中所选用的集成芯片的逻辑

11、符号图如下图所示。 图1 74LS175逻辑符号图 图2 74LS192逻辑符号图 图3 74LS47逻辑符号图 图4 74LS74逻辑符号图 图5 555定时器逻辑符号图 图 6 七段数码显示管1.设计报警电路 如图7所示为报警电路，此电路的下端连接有与非门，与非门与电路一起才能完成报警工作，若与非门输出高电平时二极管和蜂鸣器都不工作。若与非门输出低电平时二极管点亮，同时蜂鸣器发出响声，此时报警电路完成报警功能。图7 报警电路原理图2.设计多谐振荡电路555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。本文用到555定时器

12、的多谐振荡功能。用555定时器设计的多谐振荡器如图8所示。图8 555定时器构成的多谐振荡电路原理图NE555P在此的功能能够是为了满足数码管倒计时为十秒的工作状态及当第一个抢答信号发出时封锁其他三个信号的要求，由图8知电容上两端电压在和之间往复震荡，故据此可以根据充放电时间计算出电路的震荡周期：T(2) ×C×Ln2 。又根据设计要求可知此震荡周期为1HZ，取电容C、C的大小分别为10uF和10nF，由此可以计算书两电阻的阻止大概在48K左右，因此选用老师给定的电阻=47K。由此用示波器仿真如下图9所示。图9 555定时器信号输出波形图3.设计时钟电路时钟电路就是产生像时

13、钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路主要由555定时器、电阻、电容组成。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器在四人抢答器中构成多谐振荡器，起到了计时的重要作用。如图10所示为时钟电路设计，在此次抢答器设计要求是数码管倒计时为十秒钟，故设计555定时器组成的多谐振荡器发出的1Hz时钟脉冲接至预置数为9的计数器74LS192，当74LS192倒计数为0时借位信号发出，将借位信号接至D输入端口始终接高电平的双D正边沿触发器74LS74的脉冲输入端，从74LS

14、175的端口输出低电平。将此低电平与1HZ时钟脉冲相与，从而封锁了倒计时的模块。整个过程由预置数为9的预置数74LS192到双D正边沿触发器74LS74的的端口输出低电平信号，恰好为10秒。另外，74LS192的预置数端口接主持人抢答开始按钮处的下拉电阻。主持人开始按钮未摁下时，预置数按钮为低电平，计数器被记为9；当主持人摁下开关按钮牛时，预置数按钮被置为高电平，计数器开始倒计时工作。图10 时钟电路原理图时钟电路设计选用的74LS192是同步十进制加/减计数器，也称可逆计数器。它具有异步清零和异步置数等功能，其逻辑符号如图11所示所示。图中：UP是加法计数脉冲输入端，DOWN是减法计数脉冲输

15、入端，CO是进位脉冲输出端，BO是借位脉冲输入端，CLR是异步清零输入，LOAD是异步置数输入端，A、B、C、D是并行数据输入端，QA、QB、QC、QD是计数器输入端。如下表1为绘制的逻辑真值表。图11 74LS192逻辑符号图 表1 74LS192真值表 输入输出CLRUPDOWNDCBAQDQCQBQA1×××××××000000××dcbadcba011××××加计数011××××减计数4.设计抢答电路 如图12设计为抢

16、答电路。将四个抢答开关摁扭与四D触发器74LS175的四个D输入端口相接，由555定时器组成的多谐振荡电路OUT发出的震荡信号接至四D触发器的输入端，当其中一个抢答者摁下抢答按钮时，Q端输出高电平，而与之相对应的端口输出低电平，此低电平经过多次与非门转换后与555定时器的OUT触发高电平相与后输出低电平，并将其输入到四D触发器的CLK输入端，从而封锁了剩余三位抢答者的抢答信号，来完成电路的锁存功能。图12 抢答电路原理图5.设计显示电路 如下图13所示为显示电路倒计时的模块，记录抢答之后的剩余时间。图示器件为，七段数码显示管和74LS47芯片。其中74LS47是一种与共阳极七段数码管配合使用的

17、集成译码器。该电路的输入D、B、C、A是四位BCD码，输出是驱动七段数码管工做的反码，某段输出为0表示点亮该段，为1表示熄灭该段。它还有3个控制端LT RBI BIRBO 工作时三个控制端都接高电平，它可以用来将不希望显示的数码0熄灭。由于74LS47是驱动的共阳极的数码显示管，因此数码显示管的CA端接高电平VCC才能正常工作。图13 显示电路原理图3.2电路仿真电路仿真如下图14、15所示。 图14 无人抢答时的仿真电路图图15 有人抢答时的仿真电路图在各个模块完成后,用Multisim软件把各模块电路连接起来，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。经验证电路可以正常工作,并且满足设计要求。

18、然后根据用Multisim仿真后的正确电路图，用Altium Designer软件进行原理图的绘制。3.3 PCB制作1.在导入制版前需要逐个检查元器件的封装是否是所要求的，检查无误后把电路原理图导入PCB制版，设置PCB板为10×10cm的，紧接着需要对连线及焊盘进行一些常规的设置，根据老师的要求及钻头大小，需要把焊盘孔的直径设置为0.9mm，电源线和地线需要用0.8mm左右,两焊盘之间的线设置为0.4mm。另外，为了将来焊接的方便及焊接的可靠性，一般X方向和Y方向分别为2.0mm和1.6mm即可，特殊情况应再处理。2.对元器件进行排版。本着紧凑、非线交叉最少的原则进行排版，排版必

19、须用手动，并且这次课程设计选用的是顶层线，排版需要足够的耐心。排版之后需进行连线（跳线不能超过5根），应该指出的是，在连线完成后，应该在焊盘与导线相接处的位置上布上“泪滴”，用以增加连线的可靠性。待完成之后就是通过转印纸打印出PCB布线图、电路板的腐蚀、电路板的打孔及元器件的焊接，焊接过程中应注意虚焊、短路及元器件安插过程中正负极的方向。3.待电路板焊接完成后，首先检查元器件的正负极、是否有虚焊的，检查无误后剪掉多余的引脚。3.4安装与调试 在所有焊接完成后，经测试发现电路中的数码管倒计时走得非常快，且主持人控制开关不能控制数码管。抢答器开关能正常工作，但是与之对应的其中一个二极管不会发光，当

20、抢答结束后与报警电路相连的二极管能正常工作但蜂鸣器不会报警。我们首先检测了元器件的正负极性是否接反，经检查无相关错误，又检查电路板中铜线是否有脱落的地方，经检查发现一处铜线脱落，用焊锡将铜线接上后又发现与抢答开关对应的不会发光的二极管已经坏掉，重新换上新的二极管。我们又进行了一次测试，以上问题几乎都得到解决，唯一问题还是数码管倒计时太快。经过我们几个仔细讨论研究得出由555定时器构成多谐振荡器上面用的电阻阻值有问题，经检查发现电阻装错，换上正确阻值的电阻，再次进行测试，发现以上所有问题都得到解决，电路正常工作，预设的所有功能都能实现。4. 结果与结论 根据本次课程设计的要求，我们小组对四人抢答

21、器做了深入透明的分析，于是将抢答器分为以下几个模块：显示电路模块、时钟电路模块、抢答电路模块和报警电路模块。其电路预期结果是：当电源开关闭合，并且主持人摁下抢答按钮时，数码管显示器开始倒计时，当其中的一名选手摁下抢答按钮时，与之相对应的发光二极管开始发光，蜂鸣器开始作响，并且经锁存器封锁其余三人的抢答信号，数码管停止倒计时，电路能正常的工作，预设功能都能实现。总的来说这次课程设计还算是成功的，我们从中学习到了不少的东西。但是，还必须正视自己的缺点，由于开始调试时出现的问题导致电路不正常工作，是由于我们不够认真，粗心大意导致的。在今后的学习中努力改正自己的缺点，做什么事都要有认真细心，一丝不苟的

22、的态度。5. 收获与致谢这次时间为两个星期的课程设计试验让我受益匪浅，不仅让我更加深入的了解和掌握了Multisim和DXP的操作和应用，也知道了电路板制作的全部过程，为今后更加深入的学习打下牢固的基础，还大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神。在我们小组当中，分工协作，共同探讨其中遇到的问题使我们能够把学到的理论知识应用到实处，为期两周的课程设计使我深深体会到团队的力量，干什么事情都需要协作的精神，我们不可能一个人做任何事情，团队就是成功的基础。还有就是，在这次课程实践中我也发现了自己理论知识的不足之处，在今后的学习生中针对自己的的不足加强训练，认真弥补，多与老师同学交流，使自己的知识水平得到进一步的提高。这次课程设计要特别对李立老师、张天鹏老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建