电气与计算机学院
数字电子技术课程设计报告
设计题目:八路智力竞赛定时抢答器设计
一、 设计任务及要求
二、 设计的作用、目的
三、 设计过程
1 方案设计与论证
1.1 抢答器的结构框图
1.2 总体方框图
1.3 整体电路图
详细设计及其仿真
1) 主要元器件介绍
2) 秒脉冲电路的设计
3) 报警电路设计
4) 时序控制电路设计
2 整体电路的仿真与调试
2.1 仿真软件的介绍
2.2 抢答器电路的仿真:
2.3 仿真时的问题与解决:
四、 心得体会及建议
五、 附录
1 元器件明细表
六、 参考文献
八路智力竞赛定时抢答器设计报告 本课程设计的基本任务,通过指导学生循序渐进地独立完成数字电路的设计任务,加深学生对理论知识的理解,有效地提高了学生的动手能力,独立分析问题、解决问题能力,协调能力和创造性思维能力。重提高学生在数字电路应用方面的实践技能,树立严谨的科学作风,培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。学生通过电路的设计、安装、调试、整理资料等环节,初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能,逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
⑴通过课程设计各环节的实践,应使学生达到如下要求: 1掌握数字逻辑电路分析和设计的基本方法 2根据设计任务和指标,初选电路; 3通过调查研究、设计计算,确定电路方案; 4选测元器件,安装电路,独立进行试验,并通过调试改进方案; 5分析课程设计结果,写出设计总结报告。 ⑵培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力 1学会自己分析、找出解决问题的方法; 2对设计中遇到的问题,能独立思考,查阅资料,寻找答案; 3掌握一些测试电路的基本方法,课程设计中出现一般故障,能通过“分析、观察、判断、试验、再判断”的基本方法独立解决; 4能对课程设计结果进行分析和评价。 ⑶掌握安装、布线、调试等基本技能 1掌握常用的仿真软件,并能够利用仿真软件进行一定的电路调试、改进; 2掌握数字电路布线、调试的基本技巧; 3巩固常用仪器的正确使用方法。 ⑷培养学生的实践能力 1通过严格的科学训练和工程设计实践,树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风,并培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。
数字电子技术课程设计是重要的实践性教学环节,同“数字电子技术”理论讲授课程有密不可分的关系,起着相辅相成的作用,也是在“数字电子技术实验”课的基础上,进一步深化的实践环节。其主要目的是通过本课程,培养、启发学生的创造性思维,进一步理解数字系统的概念,掌握小型数字系统的设计方法,掌握查阅有关资料的技能。 设计作用: 完成设计任务,使电路满足设计任务的基本要求,即以下三点: (1)8 名选手编号为:0、1、2、3、4、5、6、7,各有一个抢答按钮用 S0---S7 表示,按钮的编号与选手的编号对应。 (2)给主持人设置一个控制按钮,用来控制系统清零(抢答显示数码管灭 灯)和抢答的开始控制开关(空格键总控制)。 (3)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,并在抢答显示器上显示该编号,同时扬声器给出音 响提示,封锁输入编码电路,禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主 持人将系统清零为止。 抢答器使以上问题得以解决,即使两组的抢答时间相差几微秒,也可分辨 出哪组优先答题。 设计目的: - 利用优先编码器74LS148,RS触发器74LS279,全加器74LS238,译码器4511BD组成抢答电路,完成基本抢答功能。
- 利用时基电路的时间延迟和产生脉冲功能,形成时钟脉冲源。
- 利用可逆计数器和译码器,形成倒计时电路,完成30S倒计时功能。
如图 1所示它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能,即开始抢答后,当选手按动抢答键时,能显示选手的编号,同时能封锁输入电路,禁止其他选手抢答。扩展电路完成检测数码管工作情况。其工作原理为: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;主持人将开关置于"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。
图 1
如图 2所示其工作原理为:接通电源后,主持人将开关按下即为“清零”状态,清零指示灯灭,抢答器处于禁止状态,编号显示器灭灯;主持人将开关断开即为“开始”状态,宣布“开始”,指示灯亮,抢答器工作,当有人抢答时,蜂鸣器发出声响并且灯不断闪烁。选手进行抢答时,抢答器将完成:优先判断、编号锁存、编号显示、蜂鸣器鸣叫及灯闪烁的提示等操作。当一轮抢答之后,禁止二次抢答。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。 图 2
图 3
详细设计及其仿真
选用8个可弹起按钮作为抢答按钮。如图 4所示:
图 4
采用74LS148优先编码器作为编码电路。74LS148编码器功能表如下:
图 5
74LS148功能表:
表 1
74LS148N是一个优先编码器
优先编码器是数字系统中实现优先权管理的一个重要逻辑部件。一般编码器的输入端只能有一个为有效信号,才能进行编码。优先编码器的各个输入不是互斥的,它允许多个输入端同时为有效信号。优先编码器的每个输入具有不同的优先级别,当多个输入信号有效时,它能识别输入信号的优先级别,并对其中优先级别最高的一个进行编码,产生相应的输出代码。 输入端:~ 输出端: A0~A2(低电平有效) 使能输入端:低电平有效 EO使能输出端:当=0时,EO=1表示有有效信号输入 扩展输出端:=0时,表示编码器工作,=1时表示编码器不工作
此设计电路选用D触发器作为锁存器电路。D触发器的逻辑功能表如下所示:
图 6
D触发器的特性表
表 2
D触发器具有在时钟脉冲上升沿或下降沿触发的特点,当时钟脉冲上升沿或下降沿时刻,输入端D的值传输到输出端。真值表如下:
数码显示器用带译码功能的4线的七段显示数码管。
图 7
功能表如下:
表 3
用于控制清零和工作的按钮。
图 8
控制电路由触发器和输入信号一起控制电路的工作。
图 9
原理:如上图所示,4个触发器的置数端都置为高电平,这样在开始工作时触发器的Q非端为1,当输入信号有高电平信号时,通过与门触发器开始工作,经过触发器将信号传输到显示数码管,而第4个触发器Q非端变为低电平,返回到与门锁定触发器的状态,这样将信号锁住,其他按钮信号就将不会显示。
如图实验选择灯来表示信号的锁定。
计数器的时钟由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路的提供可以有两种选择方案: 方案一:用555构成的多谐振荡器构成。多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态,在自身因素的作用下,电路就在两个暂稳态之间来回转换,故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图10所示,R1,R2和C是外接定时元件,电路中将高电平触发端(6脚)和低电平触发器(2脚)并接后接到R2和C的连接处,将放电端(7脚)接到R1,R2的连接处。由于接通电源瞬间,电容c来不及充电,电容器两端电压uc为低电平,小于(1/3)Vcc,故高电平触发端与低电平触发端均为低电平,输出uo为高电平,放电管VI截止。这时,电源经R1,R2对电容c充电,使电压uc按指数规律上升,当uc.上升到(2/3)Vcc时,输出uo为低电平,放电管VT导通,把uc从(1/3)Vcc上升到(2/3)Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态,其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=(R1+R2)C。不难理解,接通电源后,电路就在两个暂稳态之间来回翻转,则输出可得矩形波。电路一旦起振后,uc电压总是在(1/3~2/3)Vcc之间变化。 图 11 振荡频率为 方案二:有石英晶体振荡器提供时钟脉冲。石英振荡器简称为晶振,它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动,当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时,振动便变得很强烈,这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性,就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点,被应用于家用电器和通信设备中。 经过比较,多谐振荡器频率稳定性比石英晶体振荡器较差,而且其精确度也远没有石英晶体振荡器那么高,但是考虑到在此次电路中的实际情况,石英晶体振荡器的造价等要求高于多谢振荡器,所以采用方案--的多谢振荡器来提供时钟脉冲。如图12所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形被输出。我们设定产生的时钟脉冲的时间间隔是一秒,根据 计算可以得出电阻R与电容c的关系,给定电容值,可适配解出电阻值得到如下图的电路: 图 12 报警电路只是采用了一个蜂鸣器和LED发光二极管构成,起电路如图 13所示。 图 13 时序控制电路是抢答器设计的关键,需要完成三项功能: - 主持人将控制开关拨到“开始”位置时,抢答电路和限时电路进入正常抢答工作状态。
- 当竞赛选手按动抢答健时,抢答电路和限时电路停止工作。
- 当限定的抢答时间到,无人抢答时抢答电路和限时电路停止工作。本设计采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路进行连接。
如图 14所示 图 14 Multisim是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image】Technoligics简称IT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。通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为;借助高级电路分析,理解基本设计特征;通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试;通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。 a.主持人将控制开关拨到开始位置,抢答电路和限时电路进入正常工作状态。 b.在在规定时间内当选手按动抢答键,抢答电路和限时电路停止工作,同时数码管显示相应选手的编号,指示灯亮起。 c.在规定时间内无人抢答,抢答电路和限时电路停止工作,选手再按抢答键,将不会显示编号,同时限时电路显示00,报警器报警,报警指示灯亮起。 设计按照的电路图连接器件,在仿真软件上进行调试,出现如下问题: (1)连线问题,元器件之间不能正常连接,连线交叉过多,电路图看起来十分混乱。 (2)元件参数的计算选择不是很合理,电容、电阻的参数选择未能使输出时钟脉冲的时间达到理论要求。 主要就是上述的问题,对上述问题的解决方法是: (1)在元件之家以添加节点的方式使其正常连接,同时更,改元器件放置位置,重新选择管脚连接顺序,再次布线。 (2)通过查阅资料,修改给定的电容参考值,重新计算电阻的值,多次修改调试,直到到达理论值。 通过这次课程设计,我学会了许多课本上学不到的东西,同时也加强了我的动手、思考和解决问题的能力,受益匪浅。 为了弄懂74LS系列芯片的功能,我从图书馆里借来了好几本书,同时也在网上找了资料再到逻辑功能,经过一番努力终于解决,还有其它的芯片的功能也要慢慢的去琢磨。而在课程设计过程中,我觉得是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,同时平时课间又没有好好的运用额理解个个元件的功能,而且考试的内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解很多元件的功能,对其在电路中的使用有更多的认识。 从前的学习过程过于浮浅,只是流于表面的理解,而现在要做课程设计,就不得不要求我们对所用到的知识有更深层次的理解。因为课程设计的内容比及书本中的理论知识而言,更接近于现实生活,而理论到实践的转化往往是一个艰难的过程,它犹如一只拦路虎,横更在我们的面前。但是我们毫不畏惧,因为我们相信我们能行。 这几天的主要任务是设计和仿真出主体电路。虽然在设计中会遇到这样那样的问题,有时认为是正确的,而在仿真中却出现了这样那样的问题。比如说在设计好的主电路图要实现南北各灯泡的状态,电路图我认为是对的,而在仿真的是后去出现了问题,就是出现了一个出状态,其它的都是正确的,经过了反复的检查没什么问题,其实没有问题,在实际中就不会出现了这种问题,所以有不懂的还是要问老师,那样还节省很多的时间。
表 4 数码显示管3个 发光二极管2个 蜂鸣器1个 电容、电阻、开关、电源若干
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