电子课程设计-三路抢答器.doc

简易三路抢答器目 录前言11方案设计22 主要单元电路42.1 二输入4与非门74LS0042.2 三输入3与非门74LS1052.3 四D触发器74LS17562.4 555定时器构成的多谐振荡器72.4.1 555定时器72.4.2 555定时器构成的多谐振荡器82.5 抢答器按键部分92.6 抢答器指示部分103总电路原理图及设计原理124 总结与体会14参考文献15附录 元器件清单16前言电子课程设计是对以前学科知识的综合，检验学生掌握电子学科的理论知识的程度，也是学科教学中的一个十分重要的环节。通过把理论与实践相结合，提高理论水平，锻炼实践动手能力。同时，对于学生对电子学科的学习兴趣也是有极大的激发作用，让同学在自己动手制作的过程中找到乐趣，加深对学科知识的理解及消化，为以后的学习打下良好的基础。一个较为复杂的设计课题，通常需要对设计要求进行认真分析和研究，通过收集和查阅资料，在已学模拟和数字电子技术课程（或电子技术）理论的基础上进行构思，从而提出实现设计要求的可能方案，并画出相应的框图。抢答器是一个用于智力抢答的简易器械，通过他可以实现对由谁获得回答权的自动判断，假如仅靠人的判断，很难保证先做出抢答的选手获得答题权，运用抢答器可以消除这种可能性从而保证比赛的公平公正性。抢答器多见于一些益智类节目中，抢答器可以锻炼选手的快速反应能力，而且活跃现场气氛。本报告主要介绍了简易三路抢答器的设计原理以及器件选择和主要器件分析以及原理图等。1 方案设计图1-1 三路抢答器的流程图如图为这个三路抢答器的方案流程图，其具体介绍如下：选手抢答按键由三个可自动复位开关组成；多谐振荡器由555定时器和电容和电阻构成；主持人复位键使用一个可自动复位按键；声光提示部分由三个发光二极管和一个扬声器构成；抢答信号分析主体部分由一个四D触发器74LS175和两个二输入与非门（由74LS00提供）和一个三输入与非门（由74LS10提供）构成。该抢答器工作流程：抢答开始前，主持人按下复位键，此时，三个发光二极管均为熄灭状态，扬声器不发声。当主持人表示开始抢答时，选手按下抢答器按键，和该选手对应的指示灯即发光二极管亮，扬声器发出声音，同时通过与非门电路将抢答信号反馈回来，锁住抢答器主体，使之不再接收其他选手的抢答信号，从而保证只有第一个按下抢答按键的选手获得答题权。等到进入下一抢答环节，主持人按下复位键，抢答器再次处于可抢答状态。2 主要单元电路2.1 二输入4与非门74LS00图2-1 二输入4与非门74LS00的内部逻辑图74LS00有外部14个管脚，内部由四个二输入与非门电路构成。现取其中一个列其功能表：Y=表2-1 二输入与非门功能表输入输出ABYLLHLHHHLHHHL2.2 三输入3与非门74LS10图2-2 三输入3与非门74LS00的内部逻辑图74LS10有外部14个管脚，内部由三个三输入与非门电路构成。现取其中一个列其功能表：Y=表2-2 三输入与非门功能表输入ALLLLHHHHBLLHHLLHHCLHLHLHLH输出YHHHHHHL2.3 四D触发器74LS175图2-3 74LS175引脚图图2-4 四D触发器逻辑图四D触发器，顾名思义，是由四个触发器构成，并且这四个触发器为上升沿触发，其功能表为：表2-3 四D触发器74LS175的功能表输 入输 出RDCPD1D2D3D4Q1Q2Q3Q4LLLLLHD1D2D3D4D1D2D3D4HH保 持HL保 持2.4 555定时器构成的多谐振荡器2.4.1 555定时器555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。555 定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。图2-5 555定时器内部结构2.4.2 555定时器构成的多谐振荡器555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。用555定时器组成的多谐振荡器如图3.4.2所示。接通电源后，电容C被充电，当vc上升到时，使vo为低电平，同时放电三极管TD导通，此时电容C通过R2和TD放电, vc下降到时，vo翻转为高电平。电容C放电所需时间为：tpL= R2Cln 20.7R2C当放电结束时，TD截止，Vcc将通过R1 、R2向电容充电，vc由上升到所需的时间为：tpH=(R1+R2)Cln20.7 (R1+R2)C当vc上升到时，电路又翻转为低电平。如此循环往复，在输出端得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：f =1/( tpL + tpH) 1.43/(R1+R2)C其振荡周期为:T=1/ f =(R1+R2)C/1.43由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。（a）(b)图2-6 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形（a）电路图 （b）工作波形2.5 抢答器按键部分在本电路中，需要三位选手各一个抢答按键和主持人一个复位按键。考虑到抢答器实际需要，在此不采用单刀双掷开关，因为单刀双掷开关在选手抢答之后需要手动扳回，增加了操作的复杂性。所以选用可复位按键，以减少操作流程。 (a) (b)图2-7 抢答器按键部分 （a）抢答部分 （b）复位键如图（a）所示，选手按键区，在常态下，S1、S2、S3处于断开状态，输出端接地处于低电平。当按键按下去时接通电源，由于电阻R7、R8、R9的作用，输出端会输出高电平。松开按键，输出端再次变为低电平。图（b），常态下Rd端通过电阻R6接通5V电源，从而接收到高电平。当按下S0键，Rd端直接接地，变为低电平信号。松开S0，Rd再次变为高电平。2.6抢答器指示及发声部分图2-8抢答器指示及发声部分抢答器指示部分主要有指示灯显示对应的作出抢答的选手，和发声部分。其中指示灯选取三个发光二极管接在相应的电路中，发声功能则选取一个扬声器来完成。鉴于74LS175输出电压较小，并且通过电阻和二极管的管压降效应，导致扬声器的电压更小，从而无法驱动负载。所以在扬声器的发生部分加上一个三极管放大电路，保证扬声器能够正常工作。3总电路原理图及设计原理图3-1 三路抢答器总原理图以一号选手为例，该抢答器设计工作原理为：抢答前，D1、D2、D3和Q1、Q2、Q3均处于低电平状态，1、2、3处于高电平状态，所以三者通过一个三输入与非门，再经过一个二输入与非门之后处于高电平状态，这个高电平和多谐振荡器通过一个开始抢答时，按下抢答键S1，此时四D触发器D1接收到一个高电平信号，和多谐振荡器汇合通过一个与非门之后，仍然为高低电平的振荡波形，并输送至74LS175 的CP端。抢答开始时，按下S1键，此时74LS175的D1端接收到一个高电平信号，D1、D2、D3状态为H、L、L，经CP端触发Q1、Q2、Q3状态也为H、L、L，Q1将高电平信号输送至相应的指示灯（二极管），指示灯亮，扬声器发声；此时，1、2、3状态为L、H、H，经过两个与非门得到低电平，与多谐振荡器汇合通过一个与非门得到一个持续的高电平，并输送至74LS175的CP端，当CP端不再变化时，四D触发器74LS175处于保持状态，S2与S3再按下时，四D触发器不再响应。抢答结束，主持人按下复位键S0，四D触发器RD端接收到低电平信号，74LS175清零。松开按键S0，RD端接收到高电平信号，抢答器复位至抢答前的状态，可以进入下一抢答环节。4 总结与体会通过此次课程设计，是我的能力有了一定程度的提高，并且在数字逻辑电路技术和理论基础上有了更深的了解。通过在设计过程中的发现问题、解决问题，增长了许多宝贵经验。巩固了本学期学的数字电路知识。通过设计这个简易三路抢答器，对逻辑电路有了更近一步的了解。通过查阅文献资料，提高了文件检索和查找数据手册的能力。通过画原理图，复习了Protel软件的使用。同时又发现自己的许多不足之处，一些知识还需提高。由于个人能力和时间原因，本设计不尽完善，尚有不足之处，有可改进之处，还望老师提出改进意见。参考文献1 康华光，电子技术基础，高等教育出版社，2006年第五版；2 徐国华，模拟及数字电子技术实验教程，北京航空航天大学出版社，2004；3 鲁捷 等，Protel2004电路设计，清华大学出版社，2007；4 王澄