电子技术课程设计-数字式竞赛抢答器.doc

课 程 设 计设计名称：数字式竞赛抢答器学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电气112 姓 名 学 号 提交日期 2014-1-4 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院数字式竞赛抢答器全套设计加扣3012250582 摘 要 ：抢答器是在竞赛中常用的一种方式，选手通过按抢答器开回答问题，本次设计就是设计一个四路抢答器电路，该电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存的功能，在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示抢答者的组别，此时电路也应该具有功能，使别组的抢答开关不起作用，该电路的主要器件是74LS175。 关键词 ：数字式竞赛抢答器；74LS175; 时序控制电路目 录第一章 设计任务与要求11.1设计任务11.2 设计目的11.3题目分析1第二章 方案比较与论证22.1各种方案比较与选择22.2 方案论证3第三章 硬件设计43.1 系统的总体设计43.2单元电路的设计53.3 电路原理图8第四章 实验仿真94.1 Multisim仿真图94.2 仿真结果9第五章 系统的调试组装11第六章 结论12参考文献14附 录151第一章 设计任务与要求第一章 设计任务与要求1.1设计任务随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。做为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展,因此设计了本抢答器。本题要求：（1）设计制作一个可容纳四组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。（2）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组的指示灯亮。以表示该组抢答成功。此时，电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用。1.2 设计目的（1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。（2）培养根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力。（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和电路组装、调试和检测等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。（4）学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高学生动手能力和进行数字电子电路实验的基本技能。（5）熟悉和学会使用Multisim10.0这个仿真软件，画出仿真电路图，以及Protel软件画出电路图和PCB仿真图1.3题目分析这次设计主要是从简。并没有难点，重点是放在抢答功能上。3第二章 方案比较与论证第二章 方案比较与论证2.1各种方案比较与选择 方案一：用一片四D触发器74LS175、一片反相器74LS04、三片与非门74LS20以及一个蜂鸣器、四个发光二级管、四个抢答器来实现。如图1，四D触发器输出经四输入与非门到四路抢答按键开关，加到触发器的四个输入端，同时经四输入与非门作为四D触发器的时钟信号，四D触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。四组选手抢答集成4D触发器74LS175灯光显示主持人控制开关CP停止产生脉冲 图2.1.1 方案一方框图方案二：抢答器主要是由四个三极管、和四个D触发器以及四个或非门构成，其中三极管是与主持人一起配合使用，用来控制是否开始抢答，当主持人将开关接地时，三极管截至，此时三极管可以当作一个二极管使用当有选手抢答时就通过三极管将信号传送给D触发器，D触发器在将信号传送给或非门并将其他选手锁存，同时将信号送给发光二极管与喇叭。图2.1.2 方案二方框图。其工作原理是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答。当有选手抢 时，抢答信号就通过三极管传入D触发器，并且最先收到抢答信息D触发器送出一个反馈信号将其余三位选手的信号封锁。当选手回答完毕问题时，主持人启动计分器，并且给该选手加上或减去分数。计分器通过译码器将信号传送给一数码管显示出来。通过对以上2种方案的仔细分析及验证，发现方案2存在的一些缺点和不足之处，首先是由控制电路控制锁存器来进行对其他选手的禁止锁存功能不好实现；方案一相对来说简单方便，容易实现，所以选第一种方案。图2.1.2 方案二方框图2.2 方案论证可供4名选手参加比赛的四路竞赛抢答器：（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。（2）每个参赛者控制一个按钮，用按动按钮发出抢答信号。（3）设置一个系统清零和抢答控制开关，该开关由竞赛主持人控制，用于将电路复位。（4）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,并在对应的发光二极管上显示,同时封锁输入编码电路,禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。7第三章 硬件设计第三章 硬件设计3.1 系统的总体设计用一片四D触发器74LS175、一片反相器74LS04、三片与非门74LS32以及四个发光二级管、四个抢答器来实现。四D触发器输出经四输入与非门到四路抢答按键开关，加到触发器的四个输入端，同时经四输入与非门作为四D触发器的时钟信号，四D触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。图3.1.1是四人（组）参加智力竞赛的抢答器电路。 抢答前先清零，1Q4Q均为“0”，相应的发光二极管LED1LED4都不亮；均为“1”，“或”门G1输出为“0”。同时，G2输出为“1”，将G3打开，时钟脉冲C可以经过G3进入D触发器的C端。此时，由于S1S4均未按下，1D4D均为“0”，所以触发器的状态不变。抢答开始，若S1首先被按下，1D和1Q均变为“1”，相应的发光二极管LED1亮；变为“0”，G1的输出为“1”。同时，G2输出为“0”，将G3封闭，时钟脉冲C便不能经过G3进入D触发器。由于没有时钟脉冲，因此再接着按其它按钮，就不起作用了，触发器的状态不会改变。抢答判断完毕，清零，准备下次抢答。图3.1.1 四人（组）参加智力竞赛的抢答器电路图3.1.2 显示电路图3.1.2是四人抢答器加驱动后，连接译码管可分别显示出数字“1、2、3、4”的电路。3.2单元电路的设计（1）Multisim软件介绍：Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。（2）Protel软件介绍：PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL，现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。（3）各元器件分析：74LS175： 图3.2.1 74LS175管脚74LS175为一四路的锁存器，当CLK引脚输入上升沿时，1D-4D被锁存到输出端（1Q-4Q）。在CLK其他状态时，输出与输入无关，功能表如下:表3.1.1 74LS175的功能表输入输出RDCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QLLLLLH1D2D3D4D1D2D3D4DHH保持HL保持图3.2.2 74LS32N74LS32N是或门的一种，如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个2输入或门构成。只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。表3.2.2 74ls32真值表AB真值111101011000LED灯LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。总体功能介绍由一片4D触发器74LS175，一片反相器74LS04，三片与非门74LS20，4个抢答按键，1个清零复位按键，一个蜂鸣器和4个发光二极管LED1、LED2、LED3、LED4组成。抢答开始前，主持人按动清零键清零复位，作好抢答准备，抢答选手开始抢答。若1选手按下，对应的指示灯LED1点亮，此时，若2选手、3选手、4选手纷纷都按下，均不改变显示状态，维持LED1灯亮，1选手回答完问题后，开始下一题抢答前，主持人必须按动清零键清零。同样，其他2、3、4任何一个选手首先按下抢答器抢答时，剩余的选手按下的抢答器的LED灯都不会亮，只有首先按下的选手的LED灯会亮，就这样，四路竞赛抢答器能够工作起来。3.3 电路原理图图3.3.1 电路原理图9第四章 实验仿真第四章 实验仿真4.1 Multisim仿真图图4.1.1 Multisim仿真图4.2 仿真结果上图中的74LS175为一四路的锁存器，当CLK引脚输入上升沿时，1D-4D被锁存到输出端（1Q-4Q）。在CLK其他状态时，输出与输入无关。 电路通电后，按下复位按键，1Q、Q2、Q3、Q4输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。同时用它们作为输入的或门U5A输出为低电平。电路进入准备状态。这时，假设有按键J2被按下，或门U7A的输出将由低变成高电平，形成一个上升沿经过两个非门的延迟后作为175 CLK的输入。CLK得到上升沿后会将1D上的数据锁存，这时由于J2 是按下的，1D上应为高电平，故175的1Q输出为低电平。对应的LED 被点亮，同时或门U5A的输出也变为高电平。它为高电平后，按键的两端都为高电平，故按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定。达到了既定的功能目标。当是第二位选手抢答成功，即是J2按下，仿真结果如下：图4.1.2 仿真结果图11第五章 系统的调试组装第五章 系统的调试组装5.1 Protel PCB图图5.1.1 Protel PCB图13第六章 结论第六章 结论通过抢答器的课程设计，使我对或门以及触发器等芯片有了更深的了解，对课本上的知识有了进一步的掌握。本课题首先在Multisim11.0环境下仿真能够实现课题要求。 四人抢答器由四个指示灯“LED1”、“LED2”、“LED3”、“LED4”组成。主持人首先提出问题，在抢答前，主持人按一下清零键清零，为抢答做好准备。若有人抢答，选手甲乙丙丁可以分别按下抢答按键,则对应的指示灯点亮，选手答题。在这个过程中，其他人即使按键，也不能改变指示灯的状态，不会给答题人造成影响。然后再在Protel里画出原理图，由于许多芯片都没有，需要自己画出元件，然后封装，最后还要生成PCB图，在布局一下元件图，布线生成通过这次课程设计,我学到了很多书本上没有的实际的知识,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的灵活运用，比如4D触发器74LS175、反相器74LS04，或门74LS32N， 清零复位键的使用。在设计及制作过程中，遇到过一些困难，比如对书的不熟悉、对电路图设计没有头绪、不知怎么安装仿真软件、不知怎样使用仿真软件Multisim,还有protel里封装错误，生成PCB图时，有些元器件没有自动生成等等，不过通过上网和去图书馆查资以及找同学询问最后都一一的解决之，并且在网上搜集到了一些元器件及电路的相关资料，通过自己的分析与思考，用于自己的设计报告书中。我相信这些对我以后的学习及工作是非常有帮助的，还有最重要的是我学会了自学的方法，不懂和不清楚的地方我会自己去寻找答案，这对我今后离开学校，踏上社会是相当有帮助的。其次是进一步熟练地掌握和运用了相关的专业软件，比如Multisim10.0仿真软件和protel软件，multisim还是有一定的局限性的，它只是一个简单仿真软件，只能去仿真电路而protel软件既可以仿真电路图又可以画PCB图，功能比较重要，这次课程设计又让我懂得了两个功能强大的电路作图软件，提高了我们自身的专业素质，这也是我们工科学生所必须掌握的基础技能。同时也深深的体会到，我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远，我们所不懂的知识还有很多，因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用，及设计中出现的细节错误请老师多多指出，我会认真改正，并在以后的学习中汲取教训。最后感谢老师给我提供这样一次受益匪浅的机会，让我学到很多以前从不了解的知识，完成这次电子课程设计后，感觉收获很大，尤其自学了两个软件，并且可以熟练的使用，但是这次设计我发现自己存在很多不足，设计过程也有很多不是那么满意的地方，通过这次抢答器的设计，我把理论知识与实践很好的结合，从而对我们以前所学的知识有了进一步的了解。同时，我也明白了一个道理，不论做什么事都要养成认