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1、 电子技术课程设计 班级 姓名 2012-1-10 设计一： 多路抢答器的设计一、设计内容和要求1. 设计内容设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。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。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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的
2、编号一直保持到主持人将系统清零为止。4.用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路，画出各单元电路图和总体逻辑框图，正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图以及写出设计总结报告。2. 设计要求抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30s)。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时蜂鸣器发出声响。参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时
3、间显示器上显示00。二、设计总体框如图（一）所示为八路智力竞赛抢答器的总体方框图。其工作原理如下： 抢答器系统原理框图如上所示。它由主体电路和扩展电路两部分组成，其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，
4、电路要完成以下功能： （1） 优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；（2） 扬声器发出短暂声响；（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。三、单元电路设计 1.抢答电路的设计图3-1 抢答电路其工作原理是：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q
5、1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处
6、于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。2.定时电路的设计74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码 显示在数码管上。74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，其余的全接低位，使的初始时间设定为30秒。555芯片完成
7、产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。 图3-2 定时电路3.报警电路的设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示：图3-3 报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为
8、：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。4.时序电路的设计时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图3-4所示：图3-4(A) 抢答与定时电路的时序控制电路图3-4(B) 报警电路的
9、时序控制电路图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端ST。图3-4（A）的工作原理是：主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3-1中的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图3-2的74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持状态，
10、门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求；当定时时间到时，来自于图3-2的74LS192的借位输出端BO2=0，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门G1同时处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路为00状态，从而实现功能的要求，74LS121用于控制报警电路及发声的时间。四、总电路图 设计二：矩形波发生器一、设计内容和要求设计一个占空比和频率皆可调的矩形波发生器。2、 电路设计 为了产生矩形波信号，要具备两个结构部件：一是需要开关部件-电压比较器，因为只有它，才能产生矩形波的高、低电平；二是需要起延迟作用的反馈网络是因为要依靠
11、它产生高电平持续时间和低电平持续时间，从而得到持续不断的矩形波振荡信号。矩形波发生器电路的结构示意图见下图。开关部件具有延迟作用的反馈网络Uf2.1 矩形波振荡电路图1中滞回比较器的阈值电压（1）工作原理 假设接通电源时，电容C两端电压Uc=O，输出电压Uo=+Uz，则U+(0)=+U t,Uo=Uz通过R1、R6给电容器C充电，Uc按指数规律上升，当Uc=U-升至U+时，运放跳变至UoUz，此时运放同向端电位也随之跳至U+Ut，电容C通过R2、R6放电，Uc按指数规律下降，当Uc=U-降至U+时，Uo=+Uz，电路回到开始时的状态，这样周而复始，便形成了矩形波输出信号。（） 周期的计算 利用
12、电容器充放电的规律，可以计算出矩形波的周期。充电时：Uz-仅VD1通、R1、R6-C-地端，t充=（R1+R6）C T1=（R1+R6）Cln(1+2R3/R4)放电时：C-仅VD2通、R2、R6-Uz-地，t放=（R2+R6）C T2=（R2+R6）Cln(1+2R3/R4)所以 T=T1+T2=(R1+R2+2R6)Cln(1+2R3/R4) f =1/T=1/(R1+R2+2R6)Cln(1+2R3/R4)(3)占空比 通常将矩形波输出高电平的持续时间与振荡周期的比定义为占空比。图1所示电路利用二极管的单向导电性使电容充、放电的通路不同，从而使它们的时间常数不同，实现了输出电压占空比的调
13、节。 D=T1/T=（R1+R6）/(R1+R2+2R6) 由上述分析可知，调节电位器R1或R2可改变矩形波发生器的振荡频率及占空比。如果在图1中电容C处通过一只多路开关投入不同数值的电容，则可实现输出信号的频段控制。在低频范围（如10 Hz1O kHz）以内，对于固定频率来说，图1所示电路是一种较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后边沿较陡的矩形波，宜选择转换速率较高的运放。2.2 幅值调节电路图1中稳压管双向限幅电路结构简单，选用不同稳压值的稳压管可改变输出电压，但限幅特性受稳压管参数影响大，而且输出限幅电压完全取决于稳压管的稳压值，采用这种方法对输出电压进行调整很不方便也很不实用
14、。为了实现对矩形波发生器输出电压幅值的精确调节，同时提高电路带负载的能力，可在图1电路输出端uo处并联一只可调电位器将输出电压进行取样，并将取样电压接至由运放和电阻网络组成的同相放大电路。2.3 元件参数选择为提高输出信号频率和占空比的调节范围并减小二极管的动态电阻对电路参数的影响，设计电路时R1、R2应远大于R6。为使电路输出受频率影响较小的理想矩形波信号，电容C1和C2取值不宜过小（可取0.01、O.1和1F），并选用具有高转换速率的运算放大器，同时为简化电路结构，可选用双集成运放LF353P，其转换速率（SR）为13 Vs。为减小对矩形波振荡电路输出信号的影响，设计幅值调节电路时应选用大
15、阻值（可取100 k）电压取样电位器。因电路为12 V双电源供电，考虑到集成运放最大输出电压的限制，设计同相放大电路的电压放大倍数为2倍，同时反馈电阻不宜过大或过小（可取10 k）。三、Multisiin 10仿真分析在Muhisim 10中建立如图2所示的矩形波信号发生器，打开仿真开关，观察电路的起振过程，并观测当R5、R6及R7变化时电路输出波形的参数。文中参数及波形以电容C1为例，开关拨至C2时电路的测试方法相同。 R5、R6均为0时，输出波形频率最大，如图（1）；R5、R6均为最大值时，矩形波发生器输出波形的频率最小，如图（2）。输出信号频率调节范围为1.7721.5 kHz。如作为方
16、波信号源（占空比严格为50）使用时，方波信号的频率调节范围为2.6421.5 kHz。(1)(2)R5为0、R6为最大值时，输出波形的占空比最大，如图（a）；R5为最大值、R6为0时，矩形波发生器输出波形的占空比最小，如图（b）。输出信号占空比调节范围为1194。(a)(b)通过参数扫描分析（Parameter Sweep Analysis）中的瞬态分析（Transient Analysis）选择电阻R7为扫描元件，设置取样电阻值由O至最大值时，矩形波输出电压幅值在010.45 V之间连续可调，如图5所示。在图2电路输出端并联一只200 负载电阻，测得电路的输出阻抗为144 ，同理测出未接入幅
17、值调节电路时的输出阻抗为968 。可见，幅值调节电路提高了矩形波信号发生器的带负载能力。5、 理论参数分析 通过对矩形波信号发生器进行理论分析，可知电路理论参数如下：矩形波输出信号频率调节范围为1.9230.2 kHz，作为方波信号源使用时频率可调范围为2.930.2 kHz，占空比调节范围为8.995，电压幅值调节范围为010 V，理论参数与Multisim 10仿真分析及应用电路测试结果略有不同。本文设计的矩形波信号发生器的频率调节范围可达到16 Hz23.8 kHz（三频段控制），占空比调节范围可达到11.494，电压幅值在01O.5V之间连续可调，同时可作为方波信号源使用，为三角波、锯
18、齿波、阶梯波等其他非正弦波信号产生电路的研究工作提供了条件。 Multisim 10仿真分析和应用电路测试结果表明：该电路能产生较理想的可控矩形波信号，具有低失真、简单实用、调试方便、性能稳定的优点，各项性能指标均达到了设计要求。 三 设计心得这次课程设计基本完成了老师的要求，能够实现全部的功能。能八路抢答，能定时抢答，也能报警，清零。 在进行实验的时候，遇到不少的问题。一开始不知道该使用什么芯片去做实验，只能研究熟悉芯片的功能，同时去图书馆借有关书籍，看看哪些芯片能达到编码，译码，锁存等，以及重新温习了上个学期的数字逻辑书本。经过资料的搜集，基本确定了用哪类芯片达到哪类功能。然后就研究电路图
19、，仔细对照真值表连接电路图，并画好电路图草稿。画好电路图后，到实验室上机，一开始在电脑上画好电路图后，编译也不过，存在几个错误，慢慢检查后，是连线的错误，有几个地方是不该接在一起的，从而造成了一个输入端有两个输入量。在排除错误后，经过了编译，但是数码管完全没有反应，检查后发现是因为在通过与非门进行清零的时候，接线错误导致令74LS74一直不工作，改过错误后，数码管能正确显示，选手也能抢答，但是抢答时间到了，74LS192还是在计数，不能在00那里停止，于是改进电路图，使74LS192的十位的BON连到一个脉冲上。上面是一些问题和解决方法，其实遇到的问题远不止这些，不过现在回想起来都是一些很低级
20、的错误，有时候是因为粗心大意造成的错误，有时候是因为没有认真看芯片的真值表而造成的。 经过了这次课程设计，我收获良多。在一开始的时候，很担心自己不能完成实验，因为上学期的数字逻辑不是学得很好，造成信心不是很足。后来也证明了我是可以独立完成的。在设计电路的时候，考虑的不是很全面，以及画电路图的时候没有很细心谨慎地工作，造成了一些低级错误。所以经过课程设计，我提高了自己的动手能力，也增强了自己的信心。同时让我知道在工作的时候要保持细致严密的工作态度，这样会事半功倍。此外，还有最重要的一点就是团队合作精神，老师让我们两人一组尽心设计，在这一周里我们两人分工分明，互相协作，齐心协力的解决了一个又一个原本以为我们不可能克服的难题。