四人抢答器电路设计.docx

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四人抢答器电路设计

课程设计说明书

题目：

四人抢答器电路设计

课程名称：

数字电子技术

学院：

电子信息与电气工程学院

学生姓名：

裴雷雨

学号：

20110201011X

专业班级：

自动化2011级2班

指导教师：

李立

2013年6月6日

课程设计任务书

设计题目

四人抢答器电路设计

学生姓名

裴雷雨

所在学院

电子信息与电气工程学院

专业、年级、班

自动化

2011级2班

设计要求：

1、设计制作一个四人抢答器，每组一个抢答开关。

2、设置一个抢答开始按键，同时设置抢答定时电路，且计时起点与抢答命令同步，计时终点是一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废。

3、系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，主持人发布抢答命令后，第一个抢答者按下抢答键后，电路应记下第一个抢答者的组别（相应的LED灯亮），并封锁其他各组抢答信号，即其他各组抢答信号都不会使电路响应。

4、系统采用声光指示第一抢答者，用扬声器提示第一抢答者产生，用发光二极管指示第一抢答者。

学生应完成的任务：

设计一个四人抢答器的控制电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。

利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。

根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。

掌握Multisim、Proteus、DXP等EDA软件的使用方法。

参考文献：

[1]童诗白.模拟电子技术[M].北京:

高等教育出版社,2005.

[2]秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术[M].北京:

北京大学出版社,2012.

[3]张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:

机械工业出版社,2010.

[4]刘小伟.AltiumDesigner6.0电路设计实用教程[M].北京:

电子工业出版社,2007.

工作计划：

5月27日课程设计说明、Multism软件培训。

5月28日Multism电路设计与仿真。

5月29日—5月30日用AltiumDesigner设计原理图。

5月30日—5月31日用AltiumDesigner09设计PCB板。

6月3日—6月4日制版。

6月5日安装调试。

6月6日书写课程设计报告。

6月7日指导教师验收课程设计报告学生提交课程设计报告，指导教师批阅课程设计报告。

任务下达日期：

2013年5月27日

任务完成日期：

2013年6月7日

指导教师（签名）：

学生（签名）：

四人抢答器电路设计

摘要：

本文介绍设计了一个四人抢答器控制电路，该电路能够实现四人比赛抢答的功能并通过发光二极管和蜂鸣器实现对抢答者的声光报警指示。

其中抢答电路用四D触发器74LS175、与非门74LS00和555定时器实现；报警电路用一个上拉电阻、发光二极管、蜂鸣器等实现抢答声光指示器；显示电路用74LS74D触发器、74LS192计数器、74LS47译码器（驱动器）和七段共阳极数码显示器实现；时钟电路用计数器74LS192、555定时器、74LS47译码器（驱动器）、七段共阳极数码显示器和双D触发器74LS47共同完成十秒倒计时的时钟电路。

关键词：

抢答器；声光报警；定时电路；显示电路；时钟电路

1.设计背景.…………………………………………………………1

1.1数字电路系统……………………………………………………1

1.2时钟电路的作用及基本构成……………………………………1

1.3Multisim软件和DXP软件..……………………………………1

2.设计方案.…………………………………………………………2

2.1分析任务..………………………………………………………2

2.2论证方案...………………………………………………………2

2.3电路分析..………………………………………………………2

3.方案实施….………………………………………………………3

3.1设计原理图…..…………………………………………………3

3.2用Multisim电路仿真..…………………………………………10

3.3制作PCB………….….…………………………………………12

3.4安装与调试….…….….…………………………………………12

4.结果与结论……..…………………………………………………12

5.收获与致谢……….………….……………………………………13

6.参考文献………….…….…………………………………………13

7.附件………………….…….………………………………………14

7.1电路原理图……….……………………………………………14

7.2PCB布线图…………......………….…………………………...15

7.3实物图……………………..…….………………………………16

7.4元器件清单.…………….……….………………………………17

1.设计背景

1.1数字电路系统

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。

输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。

比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。

模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。

在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

数字逻辑电路是一门研究数字信号的编码、运算、记忆、计数、存储、分配、测量和传输的科学技术。

简单地说是用数字信号去实现运算、控制和测量的科学。

1.2时钟电路的作用及基本构成

时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。

时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。

比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。

设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

1.3Multisim软件和DXP软件

Multisim软件是由加拿大IIT公司推出的大型设计工具软件。

它不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的数据分析功能，同时还提供了庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪器表，可以满足对一般的数字逻辑电路、模拟电路以及数字-模拟混合电路进行分析和设计的需求。

DXP软件是一个软件集成平台，把为电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用软件中。

DXP包括所有设计所需的工具：

原理图和HDL设计输入、电路仿真、信号完整性分析、PCB设计、基于FPGA的嵌入式系统的设计和开发。

此次课程设计主要学习应用到Multisim软件的电路图仿真和DXP软件的原理图及PCB的设计，因此熟练掌握两种软件的基本操作很有必要。

2.设计方案

2.1分析任务

抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。

即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。

而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。

抢答时间设定9秒。

接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

2.2论证方案

将由定时器组成的多谐振荡器发出的高频脉冲接至触发器的输入端口。

将四个抢答开关信号接入触发器的输入端口，当系统抢答信号发出后，第一个抢答者信号生成，触发器所对应的Q输出端口输出高电平，此时指示发光二极管亮。

同时将

输出端口和高脉冲相与接至触发器脉冲端口，由于

端口发出低电平信号，从而封锁了抢答电路。

在此同时，触发器

端口的低电平信号也接至声光指示模块上，和十秒倒计时模块中的定时器组成的多谐振荡器的时钟相与，用来封锁显示电路的倒计时。

2.3电路分析

当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。

报警电路给出声音提示。

当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，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。

然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。

最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。

若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

3.方案实施

3.1设计原理图

1、本次设计选用的集成芯片的逻辑符号图及功能如下

图174LS192的逻辑符号图

表174LS192功能表

输入

输出

CLR

UP

DOWN

D

C

B

A

QD

QC

QB

QA

1

×

×

×

×

×

×

×

0

0

0

0

0

0

×

×

d

c

b

a

d

c

b

a

0

1

↑

1

×

×

×

×

加计数

0

1

1

↓

×

×

×

×

减计数

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。

其逻辑符号图如图1所示。

图中UP是加法计数脉冲输入端，DOWN是减法计数脉冲输入端，

是进位脉冲输出端，

是借位脉冲输入端，CLR是异步清零输入，

是异步置数输入端，A、B、C、D是并行数据输入端，QA、QB、QC、QD是计数器输入端。

图274LS74逻辑符号图

74LS74内含两个独立的上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（

）复位输入（

）、时钟输入（CLK）和数据输出（

、

）。

、

的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。

当

、

均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CLK上升沿作用下传送到输出端。

表274LS74功能表

输入输出

SDRDCLKDQn+1Qn+1

01××10

10××01

00××00

11↑110

11↑001

11↓×QnQn

图374LS47的逻辑符号图

74LS47为4线—七段译码器/驱动器它和七段数码显示管共同组成显示电路，该电路的输入D、B、C、A是四位BCD码，输出是驱动七段数码管工做的反码，某段输出为0表示点亮该段，为1表示熄灭该段。

74LS47驱动的是共阳极的数码显示管，因此数码显示管的CA端接高电平VCC才能正常工作。

图474LS175的逻辑符号图

74LS175是常用的四D触发器集成电路，里面含有四组D触发器，可以用来构成寄存器、抢答器等功能部件。

表374LS175的功能表

输入

输出

RD

CP

1D

2D

3D

4D

1Q

2Q

3Q

4Q

L

×

×

×

×

×

L

L

L

L

H

↑

1D

2D

3D

4D

1D

2D

3D

4D

H

H

×

×

×

×

保持

H

L

×

×

×

×

保持

图5555定时器逻辑符号图

555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。

用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。

本文用到555定时器的多谐振荡功能。

2、本次电路设计各芯片构成的局部电路图如下

报警电路如图6所示，该电路的发光二极管的输出经过一个74LS00的与非门，当与非门输出为高电平时，发光二极管不亮，并且蜂鸣器不响，也就是说此电路不工作；当与非门输出为低电平时，发光二极管点亮，并且蜂鸣器发出声响，此电路导通。

图6报警电路原理图

抢答电路如图7所示，四个抢答开关按钮与四D触发器74LS175的四个D输入端口相接，当第一个抢答者摁下抢答按钮时，Q端输出高电平，而与之相对应的

端口输出低电平，此低电平与555定时器的触发高电平相与后输出低电平，并将其输入到四D触发器的CLK输入端，从而封锁了剩余三位抢答者的抢答信号。

图7抢答电路原理图

显示电路如图8所示，该电路主要由74LS47和七段数码显示管共同组成，此电路主要是为了提醒抢答者在抢答开始之后所剩余时间多少。

图8显示电路原理图

图9555定时器构成的多谐振荡器原理图

用555定时器设计的多谐振荡器原理图如图9所示，555在此的功能是为了满足数码管倒计时为十秒的工作状态及当第一个抢答信号发出时封锁其他三个信号的要求，故据此可以根据充放电时间计算出电路的震荡周期：

＝（

＋

）×C×Ln2

＝

×C×Ln2故：

T＝

＋

，根据设计要求可知此震荡周期为1Hz，取电容C

、C

的大小分别为10uF和10nF，由此可以计算出两电阻的阻值大概在48KΩ左右，因此选用

=

=47KΩ。

由此用示波器仿真输出信号如下图10所示，该仿真周期存在着误差，那是因为提供的电阻为47KΩ，与理论的48KΩ的电阻存在着一定的差别，误差也就是由此产生的。

图10555定时器信号输出波形图

3.2用Multisim电路仿真

图11无人抢答时的仿真图

图12有人抢答时的仿真图

3.3制作PCB

首先建立PCB文件，对元件选择正确的封装，利用网络表导入元件，然后进行布线，先要进行一系列的参数设置，并要移动元件的位置尽量得到最佳布局，我们采用的是手动布线的方法。

PCB板制作要求如下：

1、单位采用公制单位（mm）。

2、电源线和地线要求采用0.8mm或是0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm

或0.3mm。

3、信号线采用0.5mm。

如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。

4、焊盘的内径用0.9mm或0.85mm。

外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6mm，

Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.6mm。

5、数码管的封装采用上下的封装形式。

6、PCB板制作大小应该紧凑、美观。

本次设计PCB大小应选用10cm*10cm的板。

3.4安装与调试

把电路焊好后，首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现有几个管脚没接好且铜线断了，于是细心地接上。

然后用万用表逐一检查有没有虚焊、断路、短路等，结果没发现此类问题。

下一步就接通电源调试，但电路完全没反应，然后用万用表对逐个模块进行检查，发现有些管脚还没接上，于是再对照电路图细心地检查，发现有一个二极管坏了，还有一个电阻的阻值选错了，一一进行改正之后，再进行调试，这次欣喜地发现功能已经实现了，最后完善一下电路，宣告成功。

4.结果与结论

在本次课程设计中，我们小组对四人抢答器做了分析，将抢答器分为以下几个模块：

显示电路模块、时钟电路模块、抢答电路模块和报警电路模块。

其电路预期结果是：

当电源开关闭合，并且主持人摁下抢答按钮时，数码管显示器开始倒计时，当其中的一名选手摁下抢答按钮时，与之相对应的发光二极管开始发光，蜂鸣器开始作响，并且经锁存器封锁其余三人的抢答信号，数码管停止倒计时，这样才是正常的工作。

总的来说这次课程设计还算是成功的，我们从中学习到了不少的东西，但是，还必须正视自己的缺点，今后多锻炼动手操作能力。

经过本次实习，我学会了使用Multisim10、DXP软件设计电路图并进行仿真操作，熟练掌握了在PCB板上布局、布线的技巧，最终经过印版、安置元件和焊接电路制得抢答器，按要求完成了老师布置的实习任务。

经过电路调试，一开始器件虽然不能正常工作，但我已经从中学到了很多。

5.收获与致谢

本课程设计使我对课堂上的理论知识有了进一步的了解，我学会了使用Multisim10、DXP软件设计电路图并进行仿真操作，熟练掌握了在PCB板上布局、布线的技巧，最终经过印版、安置元件和焊接电路制得抢答器，按要求完成了老师布置的实习任务。

并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。

了解了更多电子元件的工作原理，如：

74LS175、74LS00、74LS47、74LS74、74LS192等。

但同时也暴露出我在知识上掌握不足。

其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件比如：

Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。

加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我们必须查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。

这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。

所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。

这次课程设计要特别感谢李力老师的辅导和在设计中给出的宝贵意见，在此我表示深深的感谢！

6.参考文献

[1].童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社,2005.

[2].秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术[M].北京:

北京大学出版社,2012.

[3].张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:

机械工业出版社,2010.

[4].刘小伟.AltiumDesigner6.0电路设计实用教程[M].北京:

电子工业出版社,2012.

7.附件

7.1电路原理图

图13四人抢答器的电路原理图

7.2PCB布线图

图14PCB布线图

图15PCB布线打印预览图

7.3实物图

图16实物图

7.4元器件清单

表4元器件清单

名称

备注

数量

蜂鸣器

报警

1

电容

10nF

1

电容

10uF

1

数码管

七段数码管

1

LED

红色

6

555定时器

定时

1

电阻

1k

5

电阻

100欧

3

电阻

47k

2

74LS00

四与非门

3

74LS74

双D型触发器

1

74LS47

共阳极驱动器

1

74LS192

可逆十进制计数器

1

74LS175

四D触发器

1

开关

六脚开关

1

开关

四脚开关

4

电线

跳线

4

指导教师评语：

课程设计报告成绩：

，占总成绩比例：

40％

课程设计其它环节成绩：

环节名称：

原理设计，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

PCB设计，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

安装调试，成绩：

，占总成绩比例：

20％

总成绩：

指导教师签字：

年月日

本次课程设计负责人意见：

负责人签字：

年月日