四人抢答器课程设计报告.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称： 设计题目: 院 系： 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2011年5月 27日课 程 设 计 任 务 书设计题目四人抢答器学生姓名王发亮所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班2009级自动化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：设计四人抢答器的工作原理，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protel.dxp电路设计m.北京：高等教育出版社，2005.工作计划： 5月16号18号完成原理图的设计；5月19号22号进行pcb设计；5月23号25号制作pcb板；5月26号27号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期： 2010 年 5 月 16 日任务完成日期： 2010 年 5 月 27 日指导教师（签名）： 学生（签名）： xxx四人抢答器摘 要：由计数器74ls192,555定时器，bcd7段数码管译码器/驱动器74ls247，共阳极数码管，双d触发器74ls74共同组合成10秒倒计时的时钟电路。用四d触发器74ls175和四输入双与门74ls21，二输入四与门74ls08,555定时器共同组合实现抢答功能模块。通过一个上拉电阻和发光二极管，蜂鸣器组合成第一抢答声光指示器。关键词：555定时器；计数器；抢答器；四d触发器目 录1.设计背景11.1了解数字电路的定义与组成11.2掌握multisim软件和dxp软件12.设计方案12.1任务分析12.2方案论证23.方案实施23.1原理图设计23.2电路仿真53.3pcb制作64.结果与结论65收获与感谢76参考文献77.附件77.1电路原理图77.2pcb布线图87.3.元器件清单81. 设计背景1.1了解数字电路系统的定义及组成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。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。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。1.2掌握multisim软件和dxp软件multisim软件是由加拿大iit公司推出的大型设计工具软件。它不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功能，同时还提供了一个庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪器表，可以满足对一般的数字逻辑电路、模拟电路、模拟电路以及数字-模拟混合电路进行分析和设计的需要。dxp软件是一个高效的pcb制版软件，能够掌握multisim软件的使用和dxp软件有助于学习数字电路。2. 设计方案2.1任务分析1. 由于设计要求为四人抢答器，且具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，故选用四d触发器74ls175。抢答电路的设计要求为10秒，故选用计数器74ls192和多谐振荡器、双d正边沿触发器74ls74组合实现。2. 在抢答过程中需要计时显示电路用来提醒抢答者剩余抢答时间，此时显示电路由bcd-7译码器/驱动器、共阳极数码管共同完成。当有抢答信号发出，第一抢答者产生，系统设计用扬声器提示第一抢答者出现，用发光二极管指示。2.2方案论证将四个开关信号分别接至四d触发器四个d输入端，将由555定时器组成的多谐振荡器发出的高频脉冲接至四d触发器脉冲端口。当系统抢答信号发出，第一者抢答者信号生成，四d触发器所对应的q端口输出高电平，此时指示发光二极管led闪亮。同时将q端口和高脉冲相与接至四d触发器脉冲端口，由于q端口发出低电平信号，从而封锁了抢答电路。在此同时，四d触发器q端口的低电平信号也接至声光指示模块上，和10秒倒计时模块中555定时器组成的多谐振荡器的1hz时钟相与后，从而封锁倒计时模块。3. 方案实施3.1原理图设计 1. 显示电路设计 显示电路的设计是为了提醒抢答者剩余抢答时间的多少便于抢答。故需要将倒计时模块产生的信号接至显示电路中。其中显示电路的完成需要bcd-7段译码器/驱动器和数码管。由于此次设计提供的器件为共阳极数码管，故需要将ca端口接至高电平。具体电路图如图1所示。图1显示电路设计 2. 时钟电路设计 在本次设计中系统要求倒计时为10秒。在本着设计电路中集成电路数目最少，种类最少，互相间连线最少的最简标准，设计为由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倒计时为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的脉冲输入端口，从74ls74的q的端口输出低电平。将此低电平信号与1hz时钟脉冲相与，从而封锁了倒计时模块。整个过程由预置数为9的计数器74ls192到双d正边沿d触发器74ls74的q的端口输出低电平信号产生，恰好为10秒，实现了时钟电路设计。具体电路图如图2所示。图2时钟电路设计（1）图2中关于由555定时器组成的多谐振荡器的原理为把555定时器的thr端口和tri端口连在一起构成施密特触发器，然后将v0经rc积分回路接回输入端。由于c的容量较大不宜直接由555定时器的g4提供电容充放电流，为此将dis端口与r1接成了一个反向器，它们的输出vod与v0在高低电平状态上完全相同，因此图2中是将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。由电容c上的电压vc在vt+和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,故电路振荡周期为t=t1+t2=（r1+2*r2）*c*ln2,振荡频率为f=1/t=1/（r1+2*r2）*c*ln2。输出脉冲占空比为q=t1/t=(r1+r2)/ （r1+2*r2）。由于设计要求为f=1hz,占空比为2/3,故r1=r2=48k。由于本次数电实习提供47k的电阻，故略有偏差。（2）图2中计数器74ls192的预置数端口load接主持人抢答开始按键处的下拉电阻。主持人抢答开始按键未按下时，预置数端口load接低电平，计数器被置为9，主持人抢答按键按下之后，预置数端口load被置为高电平，计数器开始倒计时工作。 3. 抢答电路设计 四个抢答开关信号分别接至四d触发器的四个d输入端，由555定时器组成的多谐振荡器发出的高频脉冲信号接四d触发器脉冲输入端。具体电路图如图3所示。图3抢答电路设计 图中当一个抢答者按下抢答器，所对应的q端口输出高电平，随后的led闪亮，q端口输出低电平和高频脉冲信号进行与运算后接至74ls175脉冲输入端，从而封锁了抢答电路。4. 报警电路设计 具体电路图如图4所示。图4报警电路设计图中线3引出端口接四d触发器的四个q端口进行与运算后的端口，当抢答者按下抢答器，此端口为低电平，发光二极管闪亮，与之并联的蜂鸣器开始震动。3.2电路仿真在multisim里面进行电路仿真，首先学会如何使用multisim软件，并且懂得基本设置。在仿真过程中必须保证芯片输入端锁定一个具体的电平，或是高电平，或是低电平，而输出端没有这个限制。另外考虑传输函数对系统仿真的影响，传输函数过小，或者所设计的电路频率过低，导致输出不明显。具体电路仿真图如图5所示。图5四人抢答器电路仿真图3.3 pcb制作 1. 首先将原理图导入pcb制板，设定板子大小，由于第一次使用，pcb的布局不甚紧凑，所以板子初选为10*15，单位采用公制mm。且在现有资源的要求下，使用单层覆铜板，元器件封装形式均为直插式。 2. pcb布局紧凑美观，便于布线，其中过孔的大小和焊盘的大小一致，电源线和地线要求为0.8mm或是0.6mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或是0.3mm.信号线采用0.5mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或是0.3mm。焊盘的内径用0.8mm或0.85mm。外径根据需要进行修改，一般为x方向1.6 mm，y方向2.0mm，或是x方向2.0 mm，y方向1.6mm。 3. 最后进行pcb打印，电路板焊接，焊接过程中注意是否为虚焊。3.4 安装与调试 在电路的安装过程中注意元器件特别是发光二极管是否接反，电路焊制过程中，焊锡千万不要与铜融合以防止短路，另外本次试验中时钟脉冲开关采用六脚封装，信号脉冲开关采用四脚封装，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，发现电路工作不理想，仔细检查后发现电路中存在断路，用跳线把断开处焊接好之后，用万用表测时后发现电路断开处正常工作。进行第二次调试，发现电路不稳定，用万用表调试后发现电路中存在短路。认为是铜和焊锡的少量融合，于是吸锡后重新焊接，进行调试后发现问题得到解决，第三次调试时发现，电路显示模块不工作，进行若干次修改，问题仍没得到解决。4. 结果与结论 在本着设计电路中集成电路数目最少，种类最少，互相间连线最少的最简标准下，对课程设计任务进行透彻分析后，将本次电路设计分为四个模块：显示电路模块、时钟电路模块、抢答电路模块、报警电路模块。预期设想当主持人按下抢答开始按键之后，系统开始工作。时钟电路模块开始倒计时，显示电路模块提示剩余抢答时间，抢答电路模块工作，当第一个抢答者按下抢答器，时钟倒计时模块停止倒计时，显示电路模块显示此时剩余抢答时间，报警电路模块声光指示第一抢答者产生。 把设计构想落实到multisim仿真软件上，发现电路仿真很成功，于是进行pcb制板，电路的具体安装后，进行调试后发现电路有断路现象和短路现象，解决之后进行多次调试后发现抢答电路模块工作，显示电路模块存在问题以至于不工作。纵观整个设计流程，这两周的数电实习还算成功。5. 收获与致谢这次为期两个星期的数字电路实习，让我受益匪浅。不仅让我更好的熟悉了muslism和dxp这两个软件，更加深了我对数字电路的理解。在这种学习型的收获之外，我更切身体验到做事与做学问的区别，团队团结一致共同克服困难的氛围和做实验要严谨的准则让我对以后的工作学习有了新的展望。最后特别感谢在这次数电实习中不辞辛劳指导我们的高素玲老师！6. 参考文献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.protel dxp电路设计m.北京：高等教育出版社，2005.7. 附件7.1 电路原理图7.2 pcb布线图7.3 元器件清单 元器件规格个数电阻47k4电阻1k5电阻100欧姆3电容10uf1电容10nf3芯片ne555p2芯