多人抢答器电路时序电路设计与制作-论文

多人抢答器电路时序电路设计与制作多人抢答器电路时序电路设计与制作 论文论文 多人抢答器电路时序电路设计与制作 Abstract Digital circuit technology in the life of is the role of a very wide range including the number of Answer devices computers digital communications smart instrumentation automatic control and the areas of space These gave rise to live work etc has brought great convenience The development of digital circuits making this course for us it is necessary to learn in order to better do a good job Answer to a good foundation for basic device the circuit device to achieve the number of Answer is simple only a few integrated chips and some gate to achieve the speed and reliability In the production of digital circuits the paper design of the eight way Smart Answer and the circuit structure is simple and clear more practical Answer occasions in competitions indispensable equipment In this paper the use of digital circuits of different functions is to achieve a combination of chip multi Answer functions First is a brief introduction of the digital circuit development and evolution And then are a few major chip functions and the use of the pin Finally multi Answer s principles and design process Key word Home spaces Reset Answer 摘要 数字电路技术的发展在生活中有着极其广泛的作用 包括有数字抢答器 计算机 数字通信 智能仪器仪表 自动控制及航天等领域中 这些给人们带来了生活 工作等方面带来了极大的方便 数字电路的发展 使得这门课程对于我们来说是 很有必要学好 从而更好的为做好抢答器做好基础 此电路数字抢答器设备实现 简单 特点是操作简单 方便 性能可靠 实用于智力竞赛活动 只使用了几块集 成芯片和一些门电路来实现抢答功能 速度和可靠性好 在这次的数字电路制作 中 本文设计的八路智能抢答器 电路结构简单 一目了然 比较实用 抢答器在 比赛等场合中不可缺少的设备 本文主要利用功能不同的数字电路芯片的组合 来实现多路抢答器的功能 首先简要的介绍了数字电路的发展和演变 然后介绍 几个主要集成芯片的管脚功能和用法 最后介绍多路抢答器的原理和设计过程 关键词 置位 复位 抢答 目 录 1 绪论 1 1 1 题目背景和应用 1 1 2 国内研究发展情况 2 1 3 论文研究内容 2 2 抢答器基本元件特性和功能 2 2 1 电阻的概念 2 2 2 二极管的导电特性和结构 3 2 3 基本RS触发 4 2 3 1 基本RS概念 4 2 3 2 触发器特点 4 2 3 3 触发器的基本分类 4 2 3 4 触发器复位端和置位端的功能及使用方法 5 2 3 5 基本RS触发器的电路结构和功能 5 2 4 D触发器的基本特性 7 2 4 1 D触发器电路结构 7 2 4 2 D触发器真值表 7 2 4 3 D触发器状态转移图 8 2 5 T触发器的特性 8 2 5 1 T触发器电路结构 8 2 5 2 T触发器真值表 8 2 5 3 T触发器逻辑功能 9 3 几种芯片的基本特征 9 3 1 TTL7405特性 9 3 1 1 TTL7405基本概念 9 3 1 2 TTL7405逻辑图和引脚图 9 3 1 3 TTL7405 真值表 9 3 1 4 TTL7405绝对最大额定值和适用环境条件 10 3 2 TTL7430特性 10 3 2 1 TTL7430基本概念 11 3 2 2 TTL 7430逻辑图和引脚图 11 3 2 3 TTL7430真值表 11 3 2 4 TTL7430绝对最大额定值和适用环境条件 12 3 3 TTL74LS175特性 13 3 3 1 TT74LS175基本概念 13 3 3 2 TTL74LS175真值表 13 3 3 3 TTL74LS175绝对最大额定值和适用环境条件 14 3 3 4 TTL74LS175电气特性 14 4 抢答器设计原理和电路图 14 4 1 输入电路部分 14 4 1 1 输入电路原理图 14 4 1 2 输入电路工作原理 14 4 2 信号处理部分 15 4 2 1 信号处理原理图 15 4 2 2 信号处理工作原理 15 4 3 显示电路部分 16 4 3 1 显示电路原理图 16 4 3 2 显示电路工作原理 16 4 4 总电路图 17 5 时序电路的抢答器和组合电路的抢答器方案比较 18 5 1 简易抢答器设计方案与电路说明 18 5 1 1 逻辑要求 18 5 1 2 电路组成 18 5 1 3 基本工作原理 19 5 1 4 步骤与要求 19 5 1 5 总结与分析 19 5 2 由触发器构成改进型抢答器 20 5 2 1 步骤与要求 21 5 2 2 总结与分析 22 6 电路制作与调试 23 6 1 布线原则 23 6 2 故障检测 24 6 3 连接线路 25 6 4 操作与调试 26 结论 28 参考文献 29 致谢 898 多人抢答器电路时序电路设计与制作 1绪论 1 1题目背景和应用 目前数字电子技术已经广泛的应用于计算机 自动控制 电子测量仪表 电视 雷达 通信等各个领域 随着集成技术的发展 尤其是中 大规模和超大规模集 成电路的发展 数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透倒国民经济地各门 并将产生越来越深刻地影响 因此 数字电子技术是电类及计算机类各 专业地主要计算基础课之一 也是现代电子工程技术人员所必备地专业基础知 识 采用电子设计自动化的设计方式 电子设计自动化是现代数字系统设计的基 本手段 不会使用电子设计自动化就无法适应信息社会对设计人员的要求 但是 对于初学者来说 学习使用经典的基础的设计方法与手段 了解一些常用数字 集成电路的基本功能 设计较小规模的数字系统 仍然是一条重要的必经之路 1 2 国内研究发展情况 中国抢答器产业发展出现的问题中 许多情况不容乐观 如产业结构不合理 产 业集中于劳动力密集型产品 技术密集型产品明显落后于发达工业国家 生产要 素决定性作用正在削弱 产业能源消耗大 产出率低 环境污染严重 对自然资源 破坏力大 企业总体规模偏小 技术创新能力薄弱 管理水平落后等 从什么角度分析中国抢答器产业的发展状况 以什么方式评价中国抢答器产业 的发展程度 中国抢答器产业的发展定位和前景是什么 中国抢答器产业发展 与当前经济热点问题关联度如何 诸如此类 都是抢答器产业发展必须面对 和解决的问题 中国抢答器产业发展已到了岔口 中国抢答器产业生产企业急需选择发展方向 中国抢答器产业发展研究报告阐述了世界抢答器产业的发展历程 分析了中国 抢答器产业发展现状与差距 开创性地提出了 新型抢答器产业 及替代品产业概念 在此基础上 从四个维度即 以人为本 科技创新 环境 友好 和 面向未来 准确地界定了 新型抢答器产业 及替代产品的内涵 根据 新型抢答器产业 及替代品的评价体系和量化指标体系 从全新的角度对中国抢答器产业发展进 行了推演和精准预测 在此基础上 对中国的行政区划和四大都市圈的抢答器产 业发展进行了全面的研究 1 3 论文研究内容 该选题可以培养我们的创新能力的动手能力 工程实践能力 对于我们了解电路 设计和原理有较大的作用 该电路是设计是为智力竞赛抢答所设计 具有反应迅 速 精确无误 操作简单等特点 对各个电器元件都达到合理和正确的使用 思 路通过我们集体讨论和详细查阅资料 在辅导老师的帮助下分析的挑选 作出了 比较清晰 实用 具有实际意义的电路设计图 在检查电路时 有对电路进行了 更加严格和仔细的改进 明确的对各个元件的功能和使用范围进行核对 基本上 完善了设计电路 使之具有可执行性和可操作性 2基本元件特性和功能 2 1 电阻的概念 导体虽然容易导电 但都对电流有阻碍作用 在相同的电压作用下 通过不同导 体的电流大小不同 表示不同导体对电流的阻碍作用不同 电阻就是为了描述导 体对电流阻碍作用大小而引入的物理量 2 2 二极管的导电特性和结构 发光二极管 LED 是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管 其发光机理 是当在PN结两端注入正向电流时 注入的非平衡载流子 电子 空穴对 在扩散 过程中复合发光 这种发射过程主要对应光的自发发射过程 按光输出的位置不 同 发光二极管可分为面发射型和边发射型 我们最常用的LED是InGaAsP InP双异质结边发光二极管 发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结 构来解释 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的 热平衡状态下的N区有很 多迁移率很高的电子 P区有较多的迁移率较低的空穴 由于PN结阻挡层的限制 在常态下 二者不能发生自然复合 而当给PN结加以正向电压时 沟区导带中 的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧 于是在PN结附近稍偏于P区一边的 地方 处于高能态的电子与空穴相遇时 便产生发光复合 这种发光复合所发出 的光属于自发辐射 辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg 即 1 24 eV 发光二极管具有可靠性较高 室温下连续工作时间长 光功率 电流线性度好等 显著优点 而且由于此项技术已经发展得比较成熟 所以其价格非常便宜 因此 在一些简易的光纤传感器的设计中 如果LED能够胜任 选用它作为光源即可大 大降低整个传感器的成本 然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足 如 输出功率小 发射角大 谱线宽 响应速度低等 因此 在一些需要功率高 调制 速率快 单色性好的光源的传感器设计中 就不得不以提高成本为代价 选用其 它更高性能的光源 由于不同材料的禁带宽度不同 所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同 波长的光 另外 有些材料由于组分和掺杂不同 例如 有的具有很复杂的能带 结构 相应的还有间接跃迁辐射等 因此有各种各样的发光二极管 2 3 基本RS触发 2 3 1基本概念 触发器是由门电路构成的时序逻辑单元 它有一个或多个输入端 两个互补输出 端 分别用Q和 表示 其中Q的状态代表了触发器的状态 当Q 0时 表示触发器处于0状态 当Q 1时 表示触发器处于1状态 在一定的外界信号作用下 可以从一个稳定状态翻 转到另一个稳定状态 它是一个具有记忆功能的二进制信息存贮器件 是构成各 种时序电路的最基本逻辑单元 2 3 2触发器的特点 与门电路相比 具有两个稳定的状态0和1 在触发信号作用下 两个状态之间可 以相互转换 若没有触发信号作用 触发器将保持原有的状态不变 所以说触发 器具有 记忆 功能 这是门电路所没有的 2 3 3 触发器的分类 触发器按功能分有基本RS触发器 D触发器 JK触发器 T触发器 触发器按触发方式分有基本触发器 电平触发器 主从触发器 边沿触发器 电平触发器是指触发器的状态变化不仅由触发信号控制 同时受时钟信号控制 在时钟信号高电平或低电平期间 触发器的状态才由触发信号控制 主从触发器是指触发器在时钟信号高电平期间接收控制信号 下降沿时刻状态 发生变化 边沿触发器是指触发器只在时钟信号上升沿或下降沿时刻接收控制信号并同时 状态发生变化 边沿触发器的抗干扰性能最好 2 3 4触发器复位端和置位端的功能及使用方法 一般触发器和计数器都有复位端和置位端 分别用RD和SD 或 和 表示 若复位和置位信号为低电平有效 当需要直接复位 置0 时 就在 端加低电平 当需要直接置位 置1 时 就在 端加低电平 若复位和置位信号为高电平有效 当需要直接复位或置位时 只要 在相应复位端RD或置位端SD加高电平信号即可 复位和置位方式又分为同步方 式和异步方式 所谓同步方式 是指复位或置位信号必须与时钟信号配合才能实 现相应功能 多人抢答器电路时序电路设计与制作 所谓异步方式 是指只要有复位或置位信号 无须时钟信号配合 就能实现相应 功能 正常工作时 应使复位端和置位端处于无效状态 2 3 5基本RS触发器的电路结构 由两个与非门的输入和输出交叉耦合组成的基本RS触发器如图1 1 a 所示 图 b 为其逻辑符号 图 a 逻辑连接图 图 b 逻辑符合 图 2 3 5 基本RS触发器电路结构 和 为信号输入端 它们上面的非号表示低电平有效 在逻辑符号中用小圆圈表示 Q 和 为输出端 在触发器处于稳定状态时 它们的输出状态相反 下面根据与非门的逻辑功能讨论基本RS触发器的工作原理 1 当 0 1时 触发器置0 因 0 G2输出 1 这时G1输入都为高电平1 输出Q 0 触发器被置0 使触发器处于0状态的输 入端 RD称为置0端 也称复位端 低电平有效 2 当 1 0时 触发器置1 因 0 G1输出Q 1 这时G2输入都为高电平1 输出 0 触发器被置1 使触发器处于1状态的输入端 称为置1端 也称为置位端 也是低电平有效 3 当 1 1时 触发器保持原状态不变 如触发器处于Q 0 Q 1的0状态时 则Q 0反馈 到G2的输入端 G2因输入有低电平0 输出 1 1又反馈到G1的输入端 G1输入都为高电平1 输出Q 0 电路保持0状态不变 如触发器原处于Q 1 0的1状态时 则电路同样能保持1状态不变 4 当 0时 触发器状态不定 这时触发器输出Q 1 这既不是1状态 也不是0状态 而在 和 同时由0变为1时 由于G1和G2电气性能上的差异 其输出状态无法预知 可能是 0状态 也可能是1状态 在实际上 这种情况是不允许的 下面介绍两个名词 现 态 是指触发器输入信号 端 变化前的状态 用Qn 表示 次态 是指触发器输入信号变化后的状态 用Qn 1 表示 触发器次态Qn 1 输入信号和电路原有状态 现态 之间关系的真值表称作特性表 因此 上述基本 RS触发器的逻辑功能可用下表所示的特性来表示 表2 3 6 基本RS触发器特性表 2 4 D触发器的基本特性 2 4 1 D触发器电路结构 D触发器可由JK触发器转换而成 如图2 3 4 a 所示 只要在JK触发器的K端接一个非门 再接到J端 引出一个控制端D 即 可组成D触发器 图2 3 4 b 为D触发器的逻辑符号 a 逻辑连接图 b 逻辑符号 图2 4 1 用JK触发器转换成D触发器 2 4 2 D触发器真值表 D触发器实际上是JK触发器中J K条件下的特殊电路 当D 0时Qn 1 0 相当于J 0 K 1时的情况 当D 1时Qn 1 1 相当于J 1 K 0时的情况 由此得到D触 发器的真值表 D触发器的特性方程是Q D 图中D Q 应该是Q的反 所以Q D Q 从这个状 态方程中可以看出每来一个时钟脉冲触发器的状态就翻转一次 所以该电路是 实现翻转功能的 特征方程 Qn 1 D 2 4 3 D触发器状态转移图和真值表 D触发器真值表 表2 4 3真值表 a Dn Qn 1 0 0 1 1 考虑 清零 和 预置 后的D触发器真值表 表2 4 4 真值表 b 清零 CLR 1 预置 PR 1 无预置 PR 0 无清零 CLR 0 DT D CLR PR 0 1 DC D PR CLR 1 0 2 5 T触发器的基本特性 2 5 1 T触发器电路结构 与D触发器相似 T触发器也可由JK触发器转换而成 如图2 3 5 a 所示 只要将JK触发器的J端和K端 直接连接在一起 引出一个控制端T 即可 组成T触发器 图2 3 5 b 为T触发器的逻辑符号 a 逻辑连接图 b 逻辑符号 图2 5 1 用JK触发器转换成T触发器 2 5 2 T触发器真值表 T触发器实际上是JK触发器中J K条件下的特殊电路 当T 0时Qn 1 Qn 相当于 J K 0时的情况 当T 1时 相当于J K 1时的情况 由此得到T触发器的真值表2 5 2 D 0 Qn1 表2 5 1 T触发器真值表2 5 3 T触发器逻辑功能 根据真值表2 5 2可知 T触发器具有 保持 和 翻转 的逻辑功能 因此T触发器又 称为可控计数型触发器 多人抢答器电路时序电路设计与制作 3几种芯片的基本特征 3 1 TTL7405特性 3 1 1 TTL7405基本概念 集成芯7405是六角变频器开放集电极输出芯片 它的一般特性是 该器件包含6个独立的盖茨每个执行逻辑反转功能 开放集电极输出需要外部上 拉电阻器进行适当的逻辑运算 并且它的一般方程 注 N1 IOH 总最大输出电流为所有产出挂钩拉电阻 N2 IIH 总最大输入电流的所有投入与拉电阻 N3 IIL 总最大输入低电流的所有投入与拉电阻 3 1 2 TTL7405的逻辑图和引脚图 图 3 1 2 TTL7405结构 图3 1 2 TTL7405引脚 3 1 3 TTL7405的真值表 输入 输出 A Y 1 0 0 1 2 5 3 TTL7405绝对最大额定值和适用环境条件 供给电压 7V 输出电压 7V 储存温度范围 65 C to 150 C 输入电压 5 5V 自由空气温度范围0 C to 70 C 表2 5 3 TTL7405适用环境 符号 参数 最小值 中间值 最大值 单位 VCC 电源电压 4 75 5 5 25 V VIH 最大输入电压 2 V VIL 最小输入电压 0 8 V VOH 最大输出电压 5 5 V IOL 最小输出电流 16 MA TA 自由空气温度范围 0 70 C 表2 5 4 TTL7405电气特性 符号 参数 条件 最小值 Typ 最大值 单位 VI 输入钳位电压 VCC Min II 12 mA 1 5 V ICEX 高输出电流 VCC Min IOL Max VIL Max 250 UA VOL 低输出电压 VCC Min IOL Max VIH Min 0 2 0 4 V II 输入电流和最大输入电压 VCC Max VI 5 5V 1 MA IIH 高输入电流 VCC Max VI 2 4V 40 UA IIL 低输入电流 VCC Max VI 0 4V 1 6 MA ICCH 电源电流与高输出 VCC Max 6 12 MA ICCL 电源电流与低输出 VCC Max 18 33 MA 3 2 TTL7430特性 3 2 1 TTL7430基本概念 集成芯片7430是8输入端与非门 它的一般特性是 该器件包含一个门的执行逻 辑的NAND功能 3 2 2 TTL7430的逻辑图和引脚图 图3 2 2 a TTL7430逻辑图 图3 2 2 b TTL7430引脚图 3 2 3 TTL7430的真值表 输入 输出 ABCDEFGH Y 全都是1 0 有一个或多个0 1 3 2 4 TTL7430绝对最大额定值和适用环境条件 供给电压 7V 储存温度范围 65 C to 150 C 输入电压 5 5V 自由空气温度范围 DM54和54 55 C to 125 C DM74 0 C to 70 C 符号 参数 DM5430 DM7430 单位 最小 中间 最大 最小 中间 最大 VCC 电源电压 4 5 5 5 5 4 75 5 5 25 V VIH 高输入电压 2 2 V VIL 低输入电压 0 8 0 8 V VOH 高输出电流 0 4 0 4 mA IOL 低输出电流 16 16 mA TA 自由空气温度范围 55 125 0 70 C 表3 2 5 TTL7430电气特性 符号 参数 条件 最小 TYP 最大 单位 VI 输入钳位电压 VCC Min II 12 mA 1 5 V VOH 高输出电压 VCC Min IOH Max VIL Max 2 4 3 4 V VOL 低输出电压 VCC Min IOL Max VIL Min 0 2 0 4 V 多人抢答器电路时序电路设计与制作 3 3 TTL74175的基本特性 3 3 1 TTL74LS175的概念 74LS175 TTL 带公共时钟和复位四D触发器 a TTL74LS175内部引脚 b TTL74LS175内部结构 图3 3 1 TTL74LS175内部引脚及内部结构 图3 3 2 74LS175的内部框图 3 3 2 TTL74LS175的真值表 表3 3 3 74LS175真值表 3 3 3 TTL74175绝对最大额定值和适用环境条件 供给电压 7V 储存温度范围 65 C 150 C 输入电压 5 5V 自由空气温度范围 DM54和54 55 C 125 C DM74 0 C 70 C 3 3 4 TTL74LS175电气基本特性 表3 3 5 TTL74LS175的电气特性 符号 参数 DM54174 DM74174 单位 最小 中间 最大 最小 中间 最大 VCC 电源电压 4 5 5 5 5 4 75 5 5 25 V VIH 最大输入电压 2 2 V VIL 最小输入电压 0 8 0 8 V VOH 最大输出电压 0 8 0 8 MA IOL 最小输出电流 16 16 MA F 时钟频率 0 30 0 30 MHZ TW 脉冲宽度 低时钟 25 25 NS 高时钟 10 10 NS 清 20 20 NS TSU 建立数据时间 20 20 NS TH 保持时间 0 0 NS TREL 明确释放时间 30 30 NS TA 自由空气温度范围 55 125 0 70 C 4 抢答器设计原理和电路图 本人设计的这个智能竞赛抢答器 它可以同时供7个选手或 7个代表队参加比赛使用 并且给他们编号 分别是1 2 3 4 5 6 7 各使用一 个抢答按钮 按钮的编号与选手的编号相对应 分别是 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 与此同时给节目主持人设置一个控制开关 用来控制系统的清零 编号显示 数码管灭灯 和抢答的开始 主持人按下复位按钮S0使各触发器RD 0执行复位 即Q0 Q6均为0 而各触发器 的反相端均为1 并加在8输入与门7430芯片的输入端 使外部的时钟脉冲能通过 该与门加在各触发器的时钟端 但由于S1 S7均断开 使D1 D7均为0 故使所有触发器保持在0态 抢答开始后 若有选手 按动抢答开关按钮 编号立即锁存 同时扬声器给出音响提示 某个开关 如S1 先按下 输入D1 1 使Q1 1 发出抢答信号 同时LED1亮 模拟实际电路中的彩 灯或电铃发声的控制开关 此外 要封锁输入电路 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 此时FF1的反相端为0 将与门 封锁 时钟脉冲不能再加入各触发器的时钟端 同时Q1保持在1态 其他人的抢 答将失效 实现了抢答功能 4 1输入电路部分 按钮开关输入控制信号 4 1 1输入电路原理图 图 4 1 输入电路 4 1 2控制原理 抢答前因S1 S7均断开 他们的编号分别是S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 各用一个抢答按钮 在通电之前 输入端均为0 触发器都不能工作 还没处于 抢答的状态 电源电压为5V 该电路由多路开关所组成 每一竞赛者与一组开关相对应 开关应为常开型 当 按下开关时 开关闭合 当松开开关时 开关自动弹出断开 电路中 1 7为 上拉和限流电阻 当任一开关按下时 相应的输出为低电平 否则为高电平 此输 入控制简单 方便 但不能锁存 4 2信号处理 4 2 1信号处理原理图 图4 2信号处理 4 2 2工作原理 给节目主持人设置一个控制开关 用来控制系统的清零 编号显示数码管灭灯 和抢答的开始 主持人按下复位按钮S0使各触发器RD 0执行复位 即Q0 Q6均为0 而各触发器 的反相端均为1 并加在8输入与门7430芯片的输入端 使外部的时钟脉冲能通过 该与门加在各触发器的时钟端 但由于S1 S7均断开 使D1 D7均为0 故使所有触发器保持在0态 当其中一个开关按钮接 通时 例如D1接通 输入D1 1 使Q1 1 而Q1的另一个 0 经过8输入与门7430 芯片的输入端 输出端变为高电平1 又经7405芯片的输入端输入 经过处理后 输出端又变为低电平0 使得其他时钟脉冲都处于低电平 使得其他抢答器都是 不能够工作 处于封锁状态 起到了抢答的作用 回路中的电阻起到限流的作用 保护了每个触发器因电流过大而烧了触发器 4 3显示电路 4 3 1显示电路原理图 多人抢答器电路时序电路设计与制作 4 3 2工作原理 某个开关 如S1先按下 输入D1 1 使Q1 1 发出抢答信号 同时LED1亮 模拟 实际电路中的彩灯或电铃发声的控制开关 起到了显示的功能 让其他人和主 持人都清楚知道是哪个先抢到 并且同时其他抢答器都已经处于封锁的状态 都 不能工作 其他LED显示灯都不能 避免了有两个灯同时亮的情况出现 而七段 数码显示管是显示译码器主要由译码器和驱动器两部分组成 通常这两者都集 成在一块芯片中 显示译码器的输入一般为二 十进制代码 其输出的信号用以去驱动显示器件 显示出十进制数字来 由七段 发光二极管组成的数码显示器的外形 利用字段的不同组合可分别显示出0 9十 个数字 与它对比起来 优点是显示方便 制作简单 缺点是 所需二极管和电阻 比较多 4 4时序电路组成的抢答器总原理图 图4 4 时序电路总电路图 5时序电路的抢答器和组合电路的抢答器方案比较 5 1简易抢答器设计方案的电路与说明 5 1 1逻辑要求 用基本门电路构成简易型四人抢答器 A B C D为抢答操作开关 任何一个人 先将某一开关按下且保持闭合状态 则与其对应的发光二极管 指示灯 被点亮 表示此人抢答成功 而紧随其后的其他开关再被按下 与其对应的发光二极管则 不亮 5 1 2电路组成 电路如图5 1 所示 电路中标出的74LS20为双四输入端与非门 74LS05为六非门 简易抢答器设计与制作 方案一 图5 1简易抢答器方案一 方案二 图5 2简易抢答器方案二 5 1 3 基本工作原理 在简易抢答器方案一中 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A B C D 此回路由基本时序电路组成 抢 答开始之后 若有选手按下抢答按钮 例如选手A按了之后 a处接通了 此时电 路为高电平1 经过74LS20与非门电路处理之后 变成了低电平0 再通过74LSO5 的六非门处理之后 又变成了高电平1 此时LED就会形成通路 就会发出报警信 号 起到了抢答的作用 其他选手如果按下按钮也类似 在方案二中 基本工作 原理也一样 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A B C D 此回路由基本时序电路组成 抢答开始之后 若有选手按下抢答按钮 例如选手A按了之后 a处接通了 此时电路为高电平1 经过74LS20与非门电路处理之后 变成了低电平0 此时LED就会形成通路 就会 发出报警信号 起到了抢答的作用 此时电路中少了一个74LS05门电路接到图中 更为简便了 5 1 4步骤与要求 1 检测IC 用数字集成电路测试仪测试IC的好坏 如果IC上的字迹模糊 型号显示不清楚 通过自动扫描检测的方式可以检测其型号 2 连接线路 熟悉电路板 电路可以连接在自制的PCB 印刷电路板 上 也可以焊接在万能板 上 或通过 面包板 插接 无论采用哪种电路板 在连接电路之前 都必须首先对 电路板的结构 特点有足够的认识 尤其是第一次使用 面包板 的读者 必须事 先掌握它的使用方法 熟悉器件 如果将IC芯片正面朝上 开口朝前 则IC引脚编号按逆时针方向排列 左前方第1个引脚的编号为1 数字电路中IC的电源往往不在电路中标出 一般 情况下 左下方最后一个引脚为电源 编号最大的引脚 右前方第一个引脚 为电源 在使用中 必须正确识别IC的引脚 按正确方法插好IC芯片 参照图2 1连接线路 通电前要认真检查线路 注意 IC芯片电源的正 负端连接是否正确 电源连线是 否反接 电路板各管脚或焊点之间是否短路 待检查无误后方可通电 3 操作与调试 通电后 分别按下A B C D各键 观察对应指示灯是否点亮 当其中某一指示灯点亮时 再按其他键 观察其他指示灯的变化 1 方案中采用了两种不同信号的数字集成电路 其中 74LS20可以实现4个输入 信号与非的逻辑关系 称为四输入与非门 由于内部包含两个完全相同的电路 故称为双四输入与非门 74LS05可以实现非逻辑关系 称为非门 也称为反相器 其内部包含6个非门 故称为六非门 集成逻辑门电路具有结构简单 体积小 重量轻 容易实现等特点 2 电路中对逻辑事件的是与否用电路的电平高低来表示 表示逻辑事件的这种 电信号只有高 低电平两种状态 故称为开关信号 为简单起见 用 1 和 0 两个 符号表示高 低电平 如用 1 表示高电平 0 表示低电平则称为正逻辑电路 反 之称为负逻辑电路 在数字电路中 如采用实训中使用的称为TTL的集成器件 高电平一般在4 3 5V之间 低电平在0 0 7V之间 3 当输入 输出开关信号的频率很低时 我们可以用万用表或逻辑笔来测量电路 中的逻辑关系 分析电路 若输入 输出开关信号频率较高 可用示波器或逻辑分 析仪测试并记录信号的波形 再根据波形图分析某一信号的变化规律及在任一 时刻各信号间的逻辑关系 本实训电路中的输入信号为手动开关信号 频率很低 所以我们用逻辑笔或万用来测试输入与输出信号之间的逻辑关系 并可用表2 1 直观地表示出来 4 有了上面的基本知识 我们可以分析电路的工作过程 初始状态 无开关按下 a b c d端均为低电平 各与非门的输出端为高电平 反相器的输出则都为低 电平 小于0 7V 因此全部发光二极管不亮 当某一开关被按下后 如开关A被按 下 则与其连接的与非门的输入端变为高电平 这样该与非门的所有输入端均 为高电平 根据与非关系 输出端则为低电平 反相器输出为高电平 从而点亮 发光二极管 由于该与非门输出端与其他3个与非门的输入端相连 它输出的低 电平维持其他3个与非门输出高电平 因此其他发光二极管都不亮 5 2由触发器构成的改进型抢答器 电路如图5 3所示 与简单抢答器比较 改进型抢答器电路减少了一个输入端 而 在每一个输入端增加了两个与非门 图中的G4门 G9门 该电路作为抢答信号的接收 保持和输出的基本电路 S为手动清零控制 开关 S1 S3为抢答按钮开关 该电路具有如下功能 1 开关S作为总清零及允许抢答控制开关 可由主持人控制 当开关S被按下时 抢答电路清零 松开后则允许抢答 输入抢答信号由抢答按钮开关S1 S3实现 2 若有抢答信号输入 开关S1 S3中的任何一个开关被按下 时 与之对应的指示灯被点亮 此时再按其他任何 一个抢答开关均无效 指示灯仍 保持 第一个开关按下时所对应的状态不变 电路中 6个二输入与非门采用两个74LS00 3个三输入与非门采用两个74LS20 多人抢答器电路时序电路设计与制作 图5 3触发器构成改进型抢答器 改进型抢答器工作原理 当清零按钮S按下后 抢答器清零 置零后电路不能进行 抢答 当松开S后 可以进行抢答了 此时按下S1S3的其中一个按钮开关 例如S1 接通之后 G4与非门变为高电平1 然后高电平1与S1的高电平1经过G5与非门电 路之后 Q1变为低电平0 再通过74LS2O三输入与非门后 电路变为低电平0 所 以LED形成了通路 LED显示会亮 就会发出抢答信号 形成了抢答功能 其他两 个回路都是一样的工作原理 5 2 1内容与步骤 1 检测与查阅器件 用数字集成电路测试仪检测所用的集成电路 通过查阅集成电路手册 标出各集 成电路输入 输出端的引脚编号 2 连接电路 按图5 1连接电路 先在实训电路板上插接好IC器件 在插接器件时 要注意IC芯 片的豁口方向 都朝左侧 同时要保证IC管脚与插座接触良好 管脚不能弯曲或 折断 指示灯的正 负极不能接反 在通电前先用万用表检查各IC的电源接线是 否正确 3 电路调试 首先按抢答器功能进行操作 若电路满足要求 说明电路没有故障 若某些功能 不能实现 就要设法查找并排除故障 排除故障可按信息流程的正向 由输入到 输出 查找 也可按信息流程逆向 由输出到输入 查找 例如 当有抢答信号输入时 观察对应指示灯是否点亮 若不亮 可用万用表 逻 辑笔 分别测量相关与非门输入 输出端电平状态是否正确 由此检查线路的连 接及芯片的好坏 若抢答开关按下时指示灯亮 松开时又灭掉 说明电路不能保 持 此时应检查与非门相互连接是否正确 直至排除全部故障为止 4 电路功能试验 按下清零开关S后 所有指示灯灭 按下S1 S3中的任何一个开关 如S1 与之对应的指示灯 D1 应被点亮 此时 再按其他开关均无效 按总清零开关S 所有指示灯应全部熄灭 重复 和 步骤 依次检查各指示灯是否被点亮 5 电路分析 分析图实训电路 完成表各项内容 表中1表示高电平 开关闭合或指示灯亮 0表示低电平 开关断开或指示灯灭 如果不能正确分析 可以通过试验检测来完成 表5 2 2电路调试表 S S3 S2 S1 Q3 Q2 Q1 L3 L2 L1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 5 2 2结论与分析 1 在实训4中 由于电路本身没有保持功能 所以抢答开关必须用手按住不动 指示灯才会点亮 若手松开指示灯就熄灭 这种操作方式十分不便 在本实训中 通过在输入端接入两个首尾交叉连接的双输入与非门 解决了这一问题 实验 证明 该电路能将输入抢答信号状态 保持 在其输出端不变 比如抢答开关S1按 下时 与其连接的与非门G5的输出端Q1变为高电平 使与非门G1输出低电平 指示灯D1点亮 当开关S1松开后 与非门G5的输出状态仍保持高电平不变 指示 灯D1仍保持点亮状态 2 在图5 3中 将与非门G4 G5连接构成的电路既有接收功能同时又具有保持功 能 在电路中可将与非门G4 G5连接构成的电路看成一个专门电路 该电路能接 收输入信号并按某种逻辑关系改变输出端状态 在一定条件下 该状态不会发生 改变 即 保持 不变 3 这类具有接收 保持记忆和输出功能的电路简称为 触发器 触发器有多种 不同的功能和不同的电路形式 掌握触发器的电路原理 功能与电路特点是本章 学习的主要内容 目前 各种触发器大多通过集成电路来实现 对这类集成电路 的内部情况我们不必十分关心 因为我们学习数字电子技术基础课程的目的不 是设计集成电路的内部电路 学习时 我们只需将集成电路触发器视为一个整体 掌握它所具有的功能 特点等外部特性 使我们能合理选择并正确使用各种集 成电路触发器 6电路制作与调试 6 1布线原则 首先 应便于检查 排除故障和更换器件 在数字电路制作过程中 有错误布线 引起的故障 常占很大比例 布线错误不仅会引起电路故障 严重时甚至会损坏 器件 因此 注意布线的合理性和科学性是十分必要的 正确的布线原则大致有 以下几点 1 接插集成电路芯片时 先校准两排引脚 使之与实验底板上的插孔对应 轻轻 用力将芯片插上 然后在确定引脚与插孔完全吻合后 再稍用力将其插紧 以免 集成电路的引脚弯曲 折断或者接触不良 2 不允许将集成电路芯片方向插反 一般IC的方向是缺口 或标记 朝左 引脚序 号从左下方的第一个引脚开始 按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚 3 导线应粗细适当 一般选取直径为0 6 0 8mm的单股导线 最好采用各种色线 以区别不同用途 如电源线用红色 地线用黑色 4 布线应有秩序地进行 随意乱接容易造成漏接错接 较好的方法是接好固定电 平点 如电源线 地线 门电路闲置输入端 触发器异步置位复位端等 其次 在 按信号源的顺序从输入到输出依次布线 5 连线应避免过长 避免从集成器件上方跨接 避免过多的重叠交错 以利于布 线 更换元器件以及故障检查和排除 6 当电路的规模较大时 应注意集成元器件的合理布局 以便得到最 佳布线 布线时 顺便对单个集成器件进行功能测试 这是一种良好的习惯 实 际上这样做不会增加布线工作量 7 应当指出 布线和调试工作是不能截然分开的 往往需要交替进行 对大型电 路元器件很多的 可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分 逐个布线 调试 分调 然后将各部分连接起来 联调 6 2故障检查 电路不能完成预定的逻辑功能时 就称电路有故障 产生故障的原因大致可以归 纳以下四个方面 1 操作不当 如布线错误等 2 设计不当 如电路出现险象等 3 元器件使用不当或功能不正常 4 仪器 主要指数字电路实验箱 和集成器件本身出现故障 因此 上述四点应作为检查故障的主要线索 以下介绍几种常见的故障检查方法 1 查线法 多人抢答器电路时序电路设计与制作 由于大部分故障都是由于布线错误引起的 因此 在故障发生时 复查电路连线 为排除故障的有效方法 应着重注意 有无漏线 错线 导线与插孔接触是否可靠 集成电路是否插牢 集成电路是否插反等 2 观察法 用万用表直接测量各集成块的Vcc端是否加上电源电压 输入信号 时钟脉冲等 是否加到实验电路上 观察输出端有无反应 重复测试观察故障现象 然后对某 一故障状态 用万用表测试各输入 输出端的直流电平 从而判断出是否是插座板 集成块引脚连接线等原因造成的故障 3 信号注入法 在电路的每一级输入端加上特定信号 观察该级输出响应 从而确定该级是否有 故障 必要时可以切断周围连线 避免相互影响 4 信号寻迹法 在电路的输入端加上特定信号 按照信号流向逐级检查是否有响应和是否正确 必要时可多次输入不同信号 5 替换法 对于多输入端器件 如有多余端则可调换另一输入端试用 必要时可更换器件 以检查器件功能不正常所引起的故障 6 动态逐线跟踪检查法 对于时序电路 可输入时钟信号按信号流向依次检查各级波形 直到找出故障点 为止 7 断开反馈线检查法 对于含有反馈线的闭合电路 应该设法断开反馈线进行检查 或进行状态预置后 再进行检查 以上检查故障的方法 是指在仪器工作正常的前提下进行的 如果电路功能测不 出来 则应首先检查供电情况 若电源电压已加上 便可把有关输出端直接接到0 1显示器上检查 若逻辑开关无输出 或单次CP无输出 则是开关接触不好或是 内部电路坏了 一般就是集成器件坏了 6 3检测IC 用数字集成电路测试仪测试IC的好坏 如果IC上的字迹模糊 型号显示不清楚 通过自动扫描检测的方式可以检测其型号 连接线路 1 先将个简单的线路连成回路 论采用哪种电路板 在连接电路之前 都必须首 先对电路板的结构 特点有足够的认识 尤其是第一次使用 面包板 的读者 必 须事先掌握它的使用方法 2 熟悉器件 如果将IC芯片正面朝上 开口朝前 则IC引脚编号按逆时针方向排 列 左前方第1个引脚