课程设计四路抢答器

1、目录 1 设计要求32 设计目的作任务33 系统框图34 主要器件介绍54.1 开关阵列 55 抢答器个模块工作原理简述65.1 开关阵列电路 65.2 触发锁存电路 65.3 数码显示电路 95.4 报警电路126 抢答器电路的制作与调试 136.1 原理图制作146.2 印刷版电路157 电路仿真与分析178 元件清单一览189 心得体会1910 参考文献 20 一、设计要求1.本项目是一款采用D触发器数字集成电路制成的数字显示四路抢答器，它利用数字集成电路的锁存特性，实现优先抢答和数字显示功能，要求如下：（1）设计一个可供4名选手参加比赛的4路数字显示抢答器。他们的编号分别为“1”、“2

2、”、“3”、“4”各用一个抢答按钮，编号与参赛者的号码一一对应。（2）抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出抢答成功者的号码。（3）抢答器对抢答选手动作的先后有很强的分辨能力，即使他们的动作仅相差几毫秒，也能分辨出抢答者的先后来。即不显示后动作的选手编号。 =（4）主持人具有手动控制开关，可以手动清零复位，为下一轮抢答做准备。2、.本项目主要包括开关阵列电路，数码显示器、4D触发器.蜂鸣器报警电路等常用集成组合逻辑器件的工作原理、逻辑功能测试方法及其应用。二、设计目的和工作任务1.学习目标1.会描述常用中规模集成电路的逻辑功能。2.能正确使用优先编码器，会描述优先编码器的工

3、作原理和逻辑功能。3.能正确使用显示译码器，会描述显示译码器的工作原理和逻辑功能。4.能正确使用锁存器，会叙述锁存器的工作原理。5.会用中规模集成电路完成抢答器电路功能的制作与调试。2.工作任务1正确连接译码显示电路。2测试D触发器逻辑功能。3四人抢答器的制作与调试。三、抢答器的组成框图抢答器的一般组成框图如图3-1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、LED数码显示电路和蜂鸣器报警电路等几部分组成。下面逐一给予介绍。开关阵列电路触发锁存电路数码显示电路蜂鸣器报警电路图3-1四、主要器件介绍1. 开关阵列该电路由四个单刀双掷开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。当开关接上端触点时，输出相

4、应Q输出端为高电平，反之输出低电平。2. 四D触发器触发锁存电路由四D触发器74LS175构成，当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。3.数码显示管本设计采用的为LED数码管，其功能是对最先按下开关的抢答者编号给予显示。4.蜂鸣器蜂鸣器报警器主要是对抢答起始和终止给予提醒，有人开始抢答蜂鸣器处于工作状态。五、抢答器各个模块工作原理简述(1) 开关阵列电路图5-1为四路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。当任一开关按下时，相应的输出为低平，否则为高电平。图5-1(2)

5、触发锁存电路下图5-2所示为74LSl75外引线排列图和逻辑电路图。其中，是异步清零控制端。D0D3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q0Q3是并行数据输出端，是Q0Q3的反码数据输出端。图 5-3所示电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端D0D3，在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器Q端。图 5-2图 5-3图5-4示是4位集成寄存器74LSl75图5-4下表5.1所示是D触发器功能表：74LS175的功能表清零时钟输入输出工作模式CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q0×××××0

6、000异步清零11D2D3D4D1D2D3D4D数码寄存11××××保持数据保持10××××保持数据保持表5.1特性方程：当D=0时Qn+1=0，当D=1时Qn+1=1，由此得D触发器特性方程为Qn+1=D.图5-5所示即为4路触发锁存电路。图中74LS175为4D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经4输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到

7、的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。说明：CLK代表时钟脉冲输入端CP POL代表功能输入端M。图5-5 (3)抢答显示电路设计中采用的是LED数码管。下5-6图是半导体数码管的外形图，图5-7为其等效电路。半导体数码管有共阳极型和共阴极两种类型。共阳极型中各发光二极管阳极连接在一起，接高电平，ag和DP各引脚中任一脚为低电平时相应的发光段发光；共阴极型号中各发光二极管的阴极连接在一起，接低电平，ag和DP各引脚中任一脚为高电平时相应的发光段发光（DP为小数点）。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。

8、小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。下图5-6所示为半导体数码管外观图图5-6半导体数码管等效电路图5-7下表5.2列出了ag发光段的十种发光组合情况，他们分别和十进制的十个数字相对应。表中H表示发光的线段，L表示不发光的线段。七段显示组合与数字对照表发光段数字abcdefg0HHHHHHL1LHHLLLL2HHLHHLH3HHHHLLH4LHHLLHH5HLHHLHH6HLHHHHH7HHHLLLL8HHHHHHH9HHHHLHH表5.2半导体数码管的优点是

9、工作电压较低（1.53V）、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高，字形清晰。半导体数码管适合于与集成电路直接配用，在微型计算机、数字化仪表和数字钟等电路中应用十分广泛。半导体数码管的主要缺点是工作电流大，每个字段的工作电流约为10mA左右。下图5-8所示是设计中用到的数码显示电路：图5-8（4）报警电路设计中用到的报警电路如下图5-9所示，其输入端接四输入与非门74LS20的输出端，与非门与触发锁存电路的四个反向输出端相连，只要有人按下开关，与非门输出高电平驱动报警电路工作。图5-9六、抢答器电路的制作与调试1、原理图制作下图所示为四人抢答器电路原理图，以下内容是抢答器的制作与调试

10、说明。电路组成及其元器件的选择说明。(1) 开关阵列电路：本设计抢答者一律采用单刀双掷开关，主持人用单刀单掷开关，由于触发锁存电路采用TTL集成电路组成，故主持人上拉电阻R可取1K欧。 (2) 触发锁存电路：选择74LS175四D锁存器。(3)显示单元电路：选择数码管作为显示单元电路。（4）报警电路用蜂鸣器。 应用Protel 99SE设计原理电路图过程如下1准备电路原理图和网络表：根据设计要求设计电路原理图，并绘制原理图，然后由该原理图文件生成相应的网络表。对于相当简单的电路图，也可以直接进行印制电路板设计。2规划印制电路板：在设计电路板之前，要对电路板有个初步的规划，主要包括电路板的选择，

11、采用几层电路板、板材的物理尺寸、各元件的封装形式等，这是一项相当重要的工作，是电路板设计的框架。3设置参数：设置参数包括设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等。大多数情况下，可以直接使用系统的默认值，参数设置是一次性完成的，在后续的设计工作中很少需要修改。4加载网络表和元件封装：网络表是自动布线的基础，是连接原理图和印制电路板的纽带。只有加载了网络表和元件封装后，电路板的自动布线才能完成。5元件布局：规划电路板并导入网络表后，通过执行命令，系统将自动装入元件并将元件布置在电路板边框内。元件布局可以由系统自动完成，然后进行手工调整布局，布局合理后才能进行下一步的布线工作。元件布局是印制电路板设

12、计中比较花费精力的一个步骤，需要设计者有足够的耐心。6自动布线：Protel DXP 2004中自动布线的功能相当强大，只要把有关参数设置得适当，元件布局合理，系统就会根据设置的规则选择最佳的布线策略进行自动布线，成功率几乎100%。7手工调整：自动布线虽然成功率很高，但往往存在不满意的地方，这时就需要进行手工调整，以满足设计要求。8DRC检查：布线完成后，为了确保PCB板符合设计规则、所有的网络连接正确，必须对电路板进行设计规则检查（DRC）。9保存及打印输出：完成布线后，可以将完成的印制电路板文件保存到磁盘，利用输出设备如打印机等，输出电路板的布线图。下图6-1所示是四人抢答器原理图图6-

13、12、用Protel 99SE设计印刷电路下面是印制板图过程(1)启动印刷电路板设计服务器执行菜单File/New命令，从框中选择PCB设计服务器（PCB Document）图标，双击该图标，建立PCB设计文档。双击文档图标，进入PCB设计服务器界面。(2)规划电路板根据要设计的电路确定电路板的尺寸。选取Keep Out Layer复选框，执行菜单命令Place/Keepout/Track，绘制电路板的边框。执行菜单Design/Options，在“Signal Lager”中选择Bottom Lager，把电路板定义为单面板。(3)设置参数参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令D

14、esign/Rules，左键单击Routing按钮，根据设计要求，在规则类（Rules Classes）中设置参数。选择Routing Layer，对布线工作层进行设置：左键单击Properties，在“布线工作层面设置”对话框的“Pule Attributes”选项中设置Tod Layer为“Not Used”、设置 Bottom Layer为“Any”。选择Width Constraint，对地线线宽、电源线宽进行设置。(4)装入元件封装库执行菜单命令Design/Add/Remove Library，在“添加/删除元件库” 对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，例如：PCB Footp

15、rint，Transistor，General IC，International Rectifiers等。(5)装入网络表执行菜单Design/Load Nets命令，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件（扩展名为Net），如果没有错误，单击Execute。若出现错误提示，必须更改错误。(6)元器件布局Protel 99SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令Tools/Auto Placement/Auto Placer可以自动布局。布局是布线关键性的一步，为了使布局更加合理，多数设计者都采用手工布局方式。(7)自动布线Pr

16、otel 99SE采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing/All，并在弹出的窗口中单击Route all按钮，程序即对印刷电路板进行自动布线。只要设置有关参数，元件布局合理，自动布线的成功率几乎是100%。下图6-2所示是印制板图图6-2七、电路仿真与分析对电路Multism进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标，并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。在面包板或印制板）上组装并调试四人抢答器电路下图7-1所示是用Multism进行仿真调试的电路图，当J3接高电平时，电路工作状况,此时LED数码管显示数字三，且蜂鸣器开始工作。

17、图7-1八、元件清单四路抢答器电路元件清单如表8.1所示：序号品名型号/规格数量配件图号实测情况1数字集成电路74LS1751U12数字集成电路CC40118U3U113数字集成电路74LS201U24数码显示器BS2051U55开关5J1J56碳膜电阻1K1R17碳膜电阻1001R28蜂鸣器SONALERT1U129信号源OBEG1V1九、设计心得和体会1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路

18、，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。3、我知道做课程设计同时也更是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。4、

19、经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实践，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。 5 同时我认为我们的任务是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。设计中只