数电课程设计报告--数字电路抢答器.doc

课 程 设 计 报 告数学与物理科学学院数 电 课 程 设 计 报 告 课程名称： 智力竞赛抢答装置 专业班级： 学 号: 姓 名： 指导老师： 设计时间： 2011年12月28日 摘要抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以四路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发,利用数字电子器件设计具有抢答和清除功能的抢答器。本设计利用基础的集成元器件简单的组合连接而成，能使四个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为A号、B号、C号、D号参赛台.抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉效果非常好。该抢答器的设计利用Multisim11完成了原理图设计和电路仿真，具有发光二极管显示功能，应用效果良好。关键词:数字电子技术；抢答装置；multisim 11仿真目 录一、设计的目的及要求1.1设计的目的1.2 设计的任务及要求二、电路设计总方案及原理框图2.1原理框图2.2电路元器件介绍2.2.1 抢答器74LS1752.2.2 抢答器74LS742.2.3 抢答器74LS202.2.4 抢答器74LS00三、各单元电路的工作原理3.1 四位D触发器3.2 多谐振荡器3.3 分频电路3.4 显示电路4、 电路仿真4.1 设计的总电路图五、电路的安装及调试六、电路的实验结果七、实验总结八、参考文献一、设计的目的及任务1.1设计的目的1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。3.熟悉掌握时序电路的设计方法。4.利用Multisim 11进行模拟仿真。5.了解一些基本元器件的功能及用法。6.学会焊接电路。1.2 设计的任务及要求 1、设计任务设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。抢答后显示抢到回答权的选手面前的灯。主持人负责对抢答清零。2、设计要求(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。选手面前的灯也分别编号1，2，3，4。(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并且选手面前的灯亮，抢答选手的编号对应的灯一直保持到主持人将系统清零为止。2、 电路设计总方案及原理框图2.1原理框图图1系统原理框图2.2电路元件介绍根据推任务要求，采用D触发器以及锁存器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。表1所列举的为本设计所用的元器件清单。表1 仪器仪表明细清单类型商品名称数量（个）4D触发器74LS1751双D触发器74LS741四输入端双与非门74LS201二输入四与非门74LS001电阻1K欧姆5电容0.1uf1滑动变阻器最大阻值5K欧姆1发光二极管LED发光二极管4开关微动开关52.2.1 抢答器74LS175 图2 74LS175内部原理图图3 74LS175参数介绍 本电路是单向正沿触发的四D触发器，互补输出，有公用的时钟和公用的清零。在时钟脉冲正跃变的沿上，满足建立时间的D输入信息可传至输出。时钟的触发产生于特定的电压电平上，同脉冲的正跃变时间无直接关系。不管时钟输入的电平是高或是低，D输入信号不影响输出。电路同其它TTL和DTL完全相容。2.2.2 抢答器74LS74 在TTL电路中，比较典型的d触发器电路有74ls74。74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路。图4 74LS74内部原理及引脚图2.2.3 抢答器74LS20 图5 74LS20内部原理及引脚图 74LS20为四输入端双与非门，在数字电路中起到非常重要的作用，其应用也十分广泛。2.2.4 抢答器74LS00图6 74LS00内部原理及引脚图74LS00内部集成了四个双输入端与非门，将亮输入端连接起来可组成非门，一切的逻辑电路都可由与非门构成，与非门作为最基本的元件，在数字电路的实现中。三、各单元电路的工作原理3.1 四位D触发器图7 74LS175连接电路图 电路接通后，按下清零键A后74LS175 CLR端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能，数码管上显示为0。再次按下复位按键A，、输出高电平。电路进入准备状态。这时，假设有按键F被按下，4D的输出4Q将由低变成高电平，使4Q输输出为高电平，LED4灯亮。同时使(4Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下除了复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了既定的功能目标。假设有按键E被按下，3D的输出3Q将由低变成高电平，使3Q输输出为高电平，LED2灯亮，同时使(3Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号2的目的。假设有按键D被按下，2D的输出2Q将由低变成高电平，使2Q输输出为高电平LED2灯亮，同时使(2Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号3的目的。假设有按键C被按下，1D的输出1Q将由低变成高电平，LED1灯亮，同时使(1Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号1的目的。 3.2 多谐振荡器如上图所示，F3是由三个非门（74LS00的三个与非门构成）、一只10K电位器及一只0.1u的电容组成的非对称型多谐振荡器，其产生非对称型的矩形脉冲。3.3分频电路 如上图所示，F4是由两只D触发器（由双D触发器74LS74提供）组成，其中每只D触发器均转换成触发器，触发器仅具有唯一的翻转功能，因此一只触发器是二分频电路，两只触发器构成四分频电路。3.4显示电路显示功能：可用发光二极管显示。LED从左到右依次对应开关K1、K2、K3、K4，用于提示哪路具有抢答资格。电路工作原理（1）假设F3产生1000Hz的矩形脉冲，经四分频电路F4后，变成250Hz，然后接到与非门“3”的一个输入端；（2）先将复位开关S接到高电平，此时74LS175将产生清除信号，其输出、全为0，所有发光二极管LED均熄灭；（3）清零后，、均为低电平“0”，、输出均为高电平，因此四输入端的与非门“1”将输出一个低电平，经过非门“2”后又变成高电平，这个高电平与四分频电路的输出250Hz脉冲连接到与非门“3”的两个输入端，因此与非门“3”将输出250Hz脉冲，故74LS175的CP一直得上升沿脉冲，随时处于触发状态；（4）当抢答开始后，首先反应最快的参赛者立即按下开关，假设开关K1首先闭合，其余开关稍为落后，那么，输出为高电平“1”，对应的发光二极管LED点亮，同时，输出为低电平“0”，因此四输入端的与非门“1”将输出一个高电平，经过非门“2”后又变成低电平，这个低电平与四分频电路的输出250Hz脉冲连接到与非门“3”的两个输入端后，将输出一个高电平，即74LS175的脉冲输入端CP得到的是一个高电平，由于74LS175是CP为上升沿脉冲时触发，所以触发器将不会再触发，、一直输出低电平，LED一直熄灭，直到再次清零后再次抢答开始。四、电路仿真4.1 设计的总电路图根据设计要求，在multisim11软件中进行电路仿真，给电路加5V电压，开关E打开，然后运行电路，即打开电源开关，显示LED3灯亮。CLR端正常情况下接高电位，当需要清零时接低点位即可，所以此处接一个开关，当一轮抢答结束时，主持人只需按下此开关便可重新新的一轮抢答。当一个选手最先按下抢答按钮时，会瞬间发出一个脉冲，给175一个上升沿，此时该选手面前的灯亮，锁存器锁存该地址。而其他选手后按下后，得不到上升沿，所以没有率先按下按钮的选手面前的灯没有反映。 图8 四位竞猜抢答器五、电路的安装及调试 实践证明，新安装的电路板往往难以达到预期的效果，这是因为我们在设计的时候不可能周全地考虑元件的误差、器件参数的分散性、寄生参数等各种各样的客观因素。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。通过电路板整体测试与调整，可发现和纠正设计方案中的不足，并查出电路安装中的错误然后采取措施加以改进和纠正，就可以使之达到预定的技术要求。 本次设计采用的是较为复杂电路，步骤繁琐，流程较为复杂。所以在电路调整与测试的应注意的问题较多，电路安装完毕后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。检查应特别注意： 1.元器件引脚之间有无短路，尤其在焊接时，要严格按照焊接规则焊接，否则容易短路。 2.电源的正负、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好。关于电源正、负极问题主要是在本次设计中的单电源供电的导线插在功放电路的插座上，在此应特别注意在测试极性的时候，应注意红、黑表笔不要弄反。红表笔接正极，黑表笔接负极。不但满足制图制板的要求，而且使其极性区分明显。 3.集成电路的型号及安插方向对不对，引脚连接处有无接触不良等。在安装的时候我们查阅相关资料，在网上找出各个引脚的标号及参数。 六、电路的实验结果 将焊接好的电路加上+5V直流稳压工作电源，摁下四位按钮中任意一位，对应的LED灯亮，摁下抚慰开关，灯灭，与软件仿真结果相同。七、实验总结这次的课程设计让我学会了很多，运用到了很多书本上的知识，比如分析与设计数字抢答器、时序控制电路等，设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本。除此之外，对于元器件认识不足也是一件很纠结的事，像74LS175,74LS74,74LS20,74LS00等器件，都是在网上查到了管脚分布以及工作原理。明白了元器件的功能后就开始设计了，运用multisim 11软件进行电路连接与仿真很方便。最后焊接电路确实是一个难题，因为设计的电路仿真方便，可焊接时就要非常小心，因为一不小心就会导致两条线道通情况，而且焊接时也要非常小心，不能烫伤手，每一次焊接都要认真检查管脚连接是否正确，最后导线还要合理的布局，因为电路多而复杂，所以以我们现在的能力，只能利用细导线跨越交接的地方。这次的课程设计呢暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐，另外，我焊接电路完成后却得不到想要的结果，花了好长时间用万用表一