毕业设计（论文）-智力竞赛60秒计时及显示电路的设计.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文）目录摘要 （1）前言 （1）第一章 概念（3）1.1 基本功能 （3）1.2 方案论证（3）1.2.1方案一 （3）1.2.2方案二 （4）第二章 电路工作原理（5）2.1时间脉冲发生器 （5）2.1.1、多谐振荡器结构和原理 （5）2.1.2 振荡周期的计算 (7 )2.2 计数显示单元(8)2.2.1 、CD4017IC概述(9)2.3控制电路 (13)2.4音频振荡电路(15)2.5整体电路分析（15）参考文献（18）致谢（19）智力竞赛60秒计时及显示电路的设计指导老师： 摘要：要求设计一个具有声光显示的智力竞赛60秒显示器电路。采用振荡器构成脉冲发生器，将脉冲送入计数器计数并通过60只发光二极管作为计时显示，同时配以音频振荡放大电路提供声音提示。关键词：计时，脉冲，计时器，显示，音频振荡Abstract：The desire is to design a timer with sound and light ,which is used to catch the chance to answer first in the intelligence matches。The impulse generator composed of the oscillator transfer impulses into the counter，and the time left is displayed by numeral，display tubes and is mentioned with sound by audio frequency oscillator and amplifier as well。Keywords：Timer；Impulse；Counter；Numeral display；Audio frequency oscillator前言当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。事实上，现在抢答器在各种综艺文体活动中越来越受青睐，这一类的计时显示装置已经不仅仅运用在智力竞赛中了。在体育比赛中的计时积分的体育比赛评判系统，用于定时打铃、定时开关广播、路灯以及其他电器设备等等，都是这一类产品的延伸，在原理上大同小异。如篮球比赛中进攻方控球的时间不能超过24s，即进攻方必须在24s内投篮出手，否则违例；知识比赛中必须在规定的时间内回答完所提出的问题等等。为了使参加比赛队员和裁判能够准确地掌握好时间。在比赛场地竖立起一个秒倒计时器，让比赛队员都能够清楚地看到时间是一个解决问题的最好方法。现在各种型号的抢答器是琳琅满目，其功能相互有所差异，但总体来说就是计时与显示相结合起来，主要的性能表现在时间精确度、计时范围、以及其他一些智力竞赛中可能需要用到的功能（例如抢答自锁、显示组号、声响，预置抢答规定时限、答题时间、倒计时/正计时、计时中途暂停等等）。抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但目前使用的抢答器存在分立元件较多，造成每路的成本较高。而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展 。因此设计出数字集成化电路的抢答器是现代电子技术发展的要求。因此我此次设计了一个简易的抢答计时装置。它的优点是结构简单，制作和调试都比较简单，适合于一般单位制作，特别是对于学校开展的一些活动，自制抢答计时装置是很好的选择。 我设计的这个智力竞赛60秒计时器可预制，可暂停，计时结束有声音提示，可复位。因此我设计这个智力竞赛显示装置足以应付一般要求的智力竟赛或者其他要求的计时情况。根据具体要求，还可以对电路做适当的增减。第一章 概述1.1节 基本功能我的毕业设计的要求就是设计一个原理简单、便于制作并且实用的智力竞赛60秒显示器。由于数字电路不仅特性好、结构简单、通用性强、调试方便、而且集成电路体积小、功耗低，所以本设计采用数字电路为主。 电路的主体是两位译码十进制计数器、时间脉冲发生器、音频振荡器以及一些辅助电路。电路的核心部分是时间脉冲发生器和两位译码十进制计数器，倒计时装置即由这两部分构成，时间脉冲和计数的准确是整个设计成败与否的关键。 时间脉冲发生器和音频振荡器是由CMOS门电路组成的多谐振荡器，通过选择不同的R、C的值来调节振荡频率。由于时间脉冲发生器是计时装置，所以保证它的频率为1HZ显得尤为重要。 两位译码十进制计数器也是整个装置的关键部分。计数器采用两片CD4017构成两位计数器，当调整好预置数并对CD4017的预置端置位后，就可以由脉冲发生器将脉冲送入计数器计数。抢答器的剩余时间由60个发光二极管显示，声音的提示则由音频振荡器和放大电路完成。（当计时结束后，控制信号同时送入时间脉冲发生器和音频振荡器，显示器显示为“00”，同时通过音频振荡器和放大电路之后，音频振荡器停振喇叭不再发出声响。 1.2节 方案论证看完毕业设计书的要求后，我研究了两套方案。方案一是采用大电流的白炽灯作10S显示；方案二是按照任务书的基本要求设计的，灯光显示采用发光二极管。两套方案的时间脉冲发生器和音频振荡器采用相同的电路，主要的区别是在显示的部分。下面对两套方案进行论证。 1.2.1 方案一：这套方案设计的智力竞赛60S显示器中每10S的显示采用的是大电流的白炽灯，发光二极管做秒显示，所以在大场面上使用会达到视距更远的效果。抢答时间一结束，喇叭发出声响提示，设计合理实用。该装置的电路是由脉冲发生器、两块十进制计数器/脉冲分配器IC2、IC3（CD4017），灯光控制电路、单稳态触发电路、音频振荡电路以及电源电路等组成。由自激多谐荡器提供脉冲，一接通电源它便开始振荡，调节RC的值使其输出脉冲周期为1S即可。IC2及其10只发光二极管构成秒显示电路，IC2在秒脉冲的作用下计数，使其输出端Y0-Y9依次顺序出现高电平，发光二极管LED1LED10依次点亮。当10S时，IC2的端输出一个进位脉冲加在IC3的CP端，导致IC3的Y0端变为高电平，经二极管后触发单向可控硅VS1自锁，此时白炽灯H1点亮。H1H6当10S时H1点亮，20S时H2点亮，30S时H3点亮由于单向可控硅的自锁作用，白炽灯一经点亮就不会自行熄灭，而LED1LED10 则是闪亮的。当计满60S时IC3的输出端Y6变为高电平，此时IC2、IC3的EN端均为高电平，禁止计数输出。从上述原理分析中可以看出，彩灯H1H6是依次点亮，最后全亮，而LED1LED10是依次点亮，它们可以排成两行，上为彩灯，下为LED。当时间结束时，发出提醒音，并且LED不再闪动。该装置由于耗电量较大，用交流电供电。1.2.2方案二：设计思想为用发光二级管提示时间的长短。当开始计数后每过一秒钟，发光二极管亮起一个，当最后一个二极管点亮，说明抢答时间结束。这个设计的好处在于电路比较简单，光显部分只需采用CD4017芯片和60 个发光二极管就可以了。平时，SA1处于断开状态。这样，就有一个正脉冲作用于CD4017的清零端R，发光二极管都不亮。当SA1闭合，时间脉冲振荡器起振送出计数脉冲，第一个发光二极管点亮，同时脉冲输出的高电平还作用于三极管的基极，经其放大喇叭发出响声。随着计数脉冲不断送入，发光二极管依次点亮起来，当最后一个二极管点亮后，时间脉冲发生器音频振荡器停振，驱动喇叭不再发出声响提示，这就完成了整个计划过程。本次设计将采用第二套方案。第二章 电路工作原理 抢答器的装置主要由时间脉冲发生器、两位十进制译码计数器、音频振荡器、控制电路以及一些辅助电路组成。电路工作框图如下图所示：时间脉冲发生器 计数器 译码器 显示器 扬声器 音频振荡器 控制电路 2.1时间脉冲发生器本抢答器的时间脉冲发生器由多谐振荡电路构成。 多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。另外多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。由门电路组成的多谐振荡电路有多种电路形式，但它们均具有如下共同特点：首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、BJT等。这些器件主要用来产生高、低电平；其次，具有反馈网络，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还有延迟环节，利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有延时作用。2.1.1、多谐振荡器结构和原理一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图2.1.11所示，图中的G1、G2为反相器。其原理图和工作波形分别如图2.1.12所示。图2.1.12中D1、D2 D3、D4均为保护二极管。 为了讨论方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平(VON) 和关门电平(VOFF)相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门坎电平，记为Vth且设Vth=VDD/2。图2.1.11由CMOS门电路组成的多谐振荡器图2.1.12（a）（1） 第一暂稳态及电路自动翻转的过程假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为V01=VOH，V1=V02=VOL 状态，即第一暂稳态。此时，电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN管给电容C充电，如图2（a）所示。随着充电时间的增加，V1的值不断上升，当V1达到Vth时，电路发生下述正反馈过程:V1 V01 V02 这一正反馈过程瞬间完成，使V01= VOL，V02= VOH，电路进入第二暂稳态。（2）第二暂稳态及电路自动翻转的过程电路进入第二暂稳态瞬间，V02由0V上跳至VDD，由于电容两端电压不断突变，则V1也将上跳VDD，本应升至VDD+Vth，但由于保护二极管的钳为作用，V1仅上跳至VDD+V+。随后，电容C通过G2的TP、电阻R和G1的TN放电，使V1下降，当V1降至Vth后，电路又产生如下正反馈过程。V1 V01 V02 从而使电路又回到第一暂稳态，V01= VOH，V02= VOL。此后，电路重复上述过程，周而复始的从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端得到方波。由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的。2.1.2 振荡周期的计算 图2.1.12（b）在振荡过程中，电路状态的转换主要取决于电容的充、放电，而转换时刻则取决于V1的数值。根据以上分析所得电路在状态转换时V1的几个特征值，可以计算出图T1、T2的值。（1）T1的计算对应于第一暂稳态，将图二（b）中t1作为时间起点，T1=t2-t1，V1(0+)=-V-0V, V1()=VDD,t=RC根据RC电路瞬态响应的分析，有 （2） T2的计算对应于图二（b），在第二暂稳态，将t2作为时间起点，则有V1（0+）=VDD+V+VDD，V1（）=0，t=RC，由此可求出 所以 将Vth=VDD/2代入，上式变为T=RCIn41.4RC。2.2 计数显示单元 计数显示单元由计数译码部分和显示部分组成，计数译码部分由CD4017完成，显示部分由发光二极管构成，电路如图2.21所示。 图2.212.2.1 、CD4017IC概述CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，又称十进制计数/脉冲分频器。它是4000系列CMOS数字集成电路中应用最为广泛的电路之一，其结构简单，造价低廉，性能稳定可靠，工艺成熟，使用方便。它与时基集成电路555一样，深受广大电子科技工作者和电子爱好者的喜欢。目前世界各大通用数字集成电路厂家都生产4017IC，在国外的厂品典型型号为CD4017，在我国，早期产品的型号为C217、C187、CC4017等。CD4017IC采用标准的双列直插式16（10）脚塑封，它的引脚排列如图2.2.11所示。其引脚功能如下：脚（Y1）-(Y9)分别为第19输出端；脚（Y0），第0输出端，电路清零时，该端为高电平；脚（VSS），电源负端；脚（），进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位输出端信号可作为下一级计数器的时钟信号。脚（），时钟输入端，脉冲下降沿有效，脚（CP），时钟输入端，脉冲上升沿有效；脚（R），清零输入端，在“R”端加高电平或正脉冲时，CD4017IC计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有Y0端为高电平；脚（VDD），电源正端，318V直流电压。CD4017内部逻辑电路原理如图2.2.12所示。它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中的D触发器F1F5构成了十进制计数器，门电路615构成了时序译码电路。它实质上是一种串行移位寄存器，除了第3个触发器是通过门电路15、16构成的组合逻辑电路作用于F3的D3端以外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端D的，计数器最后一级的Q5端连接到第一级的D1端。这种计数器具有编码可靠，工作速度快，译码简单，只需由二输入端的与门即可译码，且译码输出端无过度脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的那个输出端为高电平，其余输出端均为低电平。约翰逊计数器状态如表1-3所示。图2.2.12十进制 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 表2.2.13当加上清零脉冲后，Q1Q5均”0”,由于Q1的数据输入端D1是Q5输出的反码，因此，输入第一时钟脉冲后，Q1即为“1”，这时Q2Q5均依次进行移位输出，Q1的输出移位至Q2，Q2的输出移位至Q3。如果继续输入脉冲，则Q1为新的Q5，Q2Q5仍然依次移位输出，这样就得到了表2.2.13的状态及图2.2.14的波形。 图2.2.14 由五级计数单元组成的约翰逊计数器，其输出端可以有32种组合状态，而构成十进制计数器只需10种计数状态，因此，当电路接通电源后，有可能进入我们所不需要的22种伪码状态。为了使电路能迅速进入表13所列状态，就在第三级计数单元的数据输入端上加接了两级组和逻辑门，使Q2不直接连接D3，而使Q3由下列关系决定： D3=Q2(Q1+Q3)这样做，当电源接通后，不管计数单元出现哪种随机组合，最多经过8个时钟脉冲输入之后都会自动进入表13所列状态。CD4017有3个输入端：复位清零端R，当在R端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有对应“0”状态的Y0输出高电平，其余输出均为低电平：时钟输入端CP和,其中CP端用于上升沿计数，端用于下降沿计数，CP和还有互锁的关系，即利用CP计数时端要接低电平；利用计数时，CP端要接高电平，反之则形成互锁。在“R”端加上高电平或正脉冲时，计数器中各计数单元F1F5均被置零，计数器为“0000”状态。CD4017有10个译码输出端Y0-Y9，它仍随时钟脉冲的输入而依次出现高电平。此外，为了方便，还设有进位输出端，每输入10时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，所以可作为下一级计数器的时钟信号。从上述分析中可以看出，CD4017它的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0Y9这十个输出端，计满十个数后计数器复位，同时输出一个进位脉冲。我们只要掌握了这些基本功能就可以设计出千姿百态的应用电路来。当第一个计数脉冲到来时，CD4017内电路翻转，（3）脚Y0呈高电平。输出的高电平信号直接送入D触发器CD4017的串行输入端（3）脚。CD4017内部含有6个D型触发器。本控制器将其中的5个连接成串行输入、并行输出端五位移位寄存器。其中D6为最高位触发器，D2为最低位触发器（D1未用），依次排列。每个触发器都有各自的输入端和输出端，高一位触发器的输出端Q与低一位触发器的输入端D相接，只有最高位触发器D6的输入端CD4017（3）脚接收脉冲信号。CD4017(2)(4)脚、（5）（6）脚、（10）（13）脚、（12）（14）脚分别为各相邻触发器输入端和输出端的连接点，作为五位寄存器的并行输出端。各触发器的复位端连接在一起，作为寄存器的总清零端。寄存器工作前低电平复位有效，工作开始复位信号应跳变为高电平，并在工作期间一直保持。复位信号时由电容器C3、电阻器R4及CD4069非门构成的复位电路提供的。在接通电源瞬间，电源电压经C3、R4微分成一个正脉冲，此脉冲通过非门F3倒相，从CD4069（6）脚输出，送入CD4017复位端（15）脚，用以完成寄存器工作前的置零任务。随着时间的延续，C3充电结束，在其负极端形成一个稳定的低电平，经F3倒相后来满足寄存器工作期间的需要。各触发器的时钟脉冲输入端也连接在一起，作为寄存器的移位脉冲输入端。 当第二个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y1呈高电平。此高电平从其（2）脚输出，经二极管加到CD4066（12）脚。当第三个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y2呈高电平。此高电平从其（4）脚输出，经二极管加到CD4066(12)脚。同理，当第四、五、六、七、八、九、十个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y3、Y4依次呈高电平。由此可见，60个发光二极管是按逐行点亮的。2.3控制电路控制电路如图2.31图2.31控制电路由由D触发器CD4013，开关SA1、SA2、R3、R4组成。CD4013的Q端接CD4017的复位端R，CP接IC3（CD4017）的Y6输出端。CD4013 提供了 14 引线多层陶瓷双列直插（D ）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料 双列直插（P ）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。当SA1，SA2均断开时，CD4013的R端和S端为低电平，Q端输出高电平，CD4013的Q端与CD4017的清零端R相连，所以计数器不计数。当SA1闭合时，CD4013的R端为高电平，Q端为低电平，导致CD4017的清零端为低电平，计数器开始计数。当选手在60秒内完成答题可以将SA2闭合时，此时CD4013的S端为高电平，Q端为高电平，CD4017的清零端R为高电平，CD4017复位。2.4音频振荡电路图2.41音频振荡电路如图2.41。音频振荡器其原理和时间脉冲发生器相同，也是一个典型的由CMOS门电路组成的多谐振荡器，只是由于R，C值的不同，振荡频率不同而已。该振荡器的频率为f=1/T=1/2.2RC=1/2.210K0.01Uf=4.5KHz其中，F4的一个输入端接入控制信号，当控制信号为低电平，振荡器工作，否则振荡器不工作。输入信号通过三极管VT9013放大驱动扬声器工作。音频振荡器每接受一个脉冲，扬声器便发出“嘀-”的声响，60秒时间一到F4的输出端为高电平，音频振荡器停止工作，扬声器不再发出声响。2.5整体电路分析本抢答器由时钟脉冲发生器、两块十进制计数器/脉冲分配器、控制电路以及音响电路等组成。反相器F1、F2、R1、RP、C1构成自激多谐振荡器提供时钟脉冲，输出的方波信号经F3反相整形后分为两路：一路送至计数器IC2（CD4017）的CP端进行计数；另一路则控制音响发生器F5、F6的间歇振荡及发声频率。调整RP的阻值使自激振荡器的方波周期为1S即可。60只发光二极管由IC2、IC3（CD4017）控制，IC2控制纵轴，IC3控制横轴。脉冲信号输入到IC2的CP端，使输出端Y0Y9依次出现高电平，每计满10个脉冲，则端输出一个进位脉冲使IC3的输出端Y0Y6顺序出现高电平。控制器由IC5（CD4013）构成双稳态触发器。当按下SA1时，IC5的R为高电平，S端则为低电平，其Q端则为低电平，导致计数器/脉冲分配器IC2、IC3的清零端R为低电平，IC2、IC3可以计数。当60只发光二极管全部点亮后，IC3的Y6端出现高电平，触发IC5的CP端，使双稳态触发器翻转，其 Q端则为高电平，IC2、IC3的R端同时变为高电平，使得其计数禁止，内部清零，呈初始状态，只有再次按动SA1才能重新开始计数。如果参赛者在60秒内完成了答题，可以按动SA2，使IC5的Q端立即呈现高电平，这时IC2、IC3的R端为高电平，停止计数并清零恢复初始状态。 由反相器F5、F6及R2、C2等构成音频振荡器，它受到脉冲信号的控制，发出间歇的