电子系统设计实验报告.docx
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电子系统设计实验报告
电子系统设计实习报告
4人智力竞赛抢答器
班级：
电子01-1
设计者：
何玉迎王丽晖李小瑞
学号：
01044101010441071044104
4人智力竞赛抢答器
指导老师:
刘丽萱耿敏设计者：
何玉迎李小瑞王丽晖
班级：
电子01-2班
内容摘要：
该抢答器用数字显示抢答倒计时时间，由“9”倒计到“0”时，蜂鸣器连续响0.5秒。
选手抢答时，显示选手号，同时蜂鸣器响0.5秒，倒计时停止。
该电路采用石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，起振快，定时精度高，使用方便。
一、设计内容及要求：
1.设计内容：
本课题要求设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
2.设计要求：
14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1，2，3，4。
2给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
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，改选手编号立即锁存，并在编号显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，同时封锁输入编码电路，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。
4抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后，要求定时器开始倒计时，并用定时显示器显示倒计时时间，同时扬声器发出音响，音响持续0.5秒。
参赛选手在设定时间（9秒）内抢答，抢答有效，扬声器发出音响，音响持续0.5秒，同时定时器停止倒计时，编号显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
5如果定时抢答时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。
系统扬声器报警（音响持续0.5秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。
6石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
7
二、电路工作原理：
电路由脉冲产生电路，锁存电路，编码及译码显示电路，倒计时电路和音响产生电路组成。
当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时音响产生。
主持人开始时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。
三、选定系统设计方案，画出系统框图
4人智力竞赛抢答器系统框图如下所示
主持人
选手
四、单元电路设计参数计算及元器件选择
1.以锁存器为中心的编码显示电路。
此电路是以四D触发器74LS175为中心的编码锁存系统，编码器的作用是把锁存器的输出转化成8421BCD码，进而送给7段显示译码器。
其真值表为：
锁存器输出
编码器输出
Q4
Q3
Q2
Q1
D
C
B
A
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
由真值表可得出A=Q4Q3Q2Q1+Q4Q3Q2Q1，B=Q4Q3Q2Q1+Q4Q3Q2Q1
C=Q4Q3Q2Q1,D=0
无人抢答时，输出为零，有人抢答时，D触发器将数据送出同时封锁触发器脉冲，使其他人不能抢答，送出数据经编码器成为8421BCD码，送到七段显示器上，显示抢答选手的号码。
该部分电路如下图所示
如图所示，当无人抢答时，4个D触发器的输出Q“与”在一起，为“1”，使脉冲能够进入触发器，有一人抢答时，与门中有一个变为“0”，使脉冲不能进入触发器，从而防止其他人抢答，而显示器上只显示先抢答人的编号。
2.脉冲产生电路：
该电路是由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲，由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用555定时器构成的多谐振荡器，电路及波形如下图所示：
_
3.倒计时显示电路：
该电路使用了十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。
电路图如下所示：
如图所示，当倒计时输出不为零时，“或”门输出为“1”，与脉冲同时输入到“与”门中，使脉冲可以送给计数器，当计数器输出为零时，“或”门输出为“0”，使脉冲不能输入到计数器中，从而使计数器停在“0”。
4.音响电路：
它是由集成单稳态触发器74LS121构成一个在下降沿出发的触发器，再接入蜂鸣器，根据74LS121产生的脉冲宽度t=0.69RC计算，使得蜂鸣器的鸣叫时间为0.5秒。
再由主持人，选手，倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始，选手抢答，倒计时到零时都能鸣叫。
电路图如下：
（74LS121用MONOSTABLE代替）
（图中A1,A2为输入端）
五、画出完整的电路图
如图为总电路，锁存电路74LS175的脉冲是由3部分控制的，分别是74LS175的输出Q，555产生的脉冲和计数器的输出，当有一个人抢答或计数器计到零时，都将封锁脉冲，此时不能再抢答。
音响电路则由主持人，计数器及抢答选手控制，当主持人按下开关宣布开始，有选手抢答和计数器计到“0”时，都会给74LS121输入一个上升沿或下降沿，从而使121产生一个时间为0.5秒的脉冲是蜂鸣器发出声响。
六、列出参考文献
1.荣君雅等主编，数字电子技术，机械工业出版社
2.标准集成电路数据手册TTL电路，电子工业出版社
3.康华光主编，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社
4.黄继昌等主编，数字集成电路应用300例，人民邮电出版社
5.肖景和编著，数字集成电路应用精粹，人民邮电出版社
6.
七、系统需要的元器件清单：
QuantityDescriptionReference_IDPackage
=====================================================================
1RESISTOR,10kOhm_5%R7RES0.5
6RESISTOR,1.0kOhm_5%R6,R5,R4,R3,R1,R2RES0.5
1TIMER,LM555CHU1H08C
2CAPACITOR,1.0uFC2,C1cap5
4SWITCH,SPSTJ1,J2,J3,J4SPST
174LS,74LS192NU12NO16
774LS,74LS21DU3,U4,U5,U6,U10DO14
U11,U19
274LS,74LS32DU7,U8DO14
1SWITCH,SPDTJ5SPDT
174LS,74LS175DU2DO16
1BUZZER,BUZZERU21BUZZER
=====================================================================
八、调试过程中遇到的问题及解决方法
⏹在设计过程中，我们首先遇到的问题是如何把选手的编号锁存起来。
后来经过查阅资料，我们利用4D触发器74LS175的锁存功能，用74LS175的输出来控制CP脉冲的通断，从而完成琐存功能。
⏹如何把74LS175的输出转化成8421BCD码也是我们遇到的一个主要问题。
后来通过列出真值表（见上面），经过反复比较选用2—4输入与门74LS21才得以实现。
⏹设计题目所要求的在主持人，选手，到计时到零时蜂鸣器的响声是最棘手的问题，通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，我们利用74LS121来驱动蜂鸣器，从而实现此要求。
其工作情况如下图所示：
主持人
到计时到零无人抢答时
有人抢答时
设计心得体会
三周的电子实习，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断，到计时电路的零时刻锁存，和抢答器的选手号锁存等。
在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。
实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
总体来说，这次实习我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
数字频率计
指导老师:
刘丽萱学生：
张磊
学号：
01041129班级：
机械01-1班
一内容提要:
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器.它的基本功能是测量正弦信号.方波信号,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量.
本文粗略讲述了我在本次实习中的整个设计过程及收获。
讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分，记述了我在整个设计过程中对各个部分的设计思路、对各部分电路设计方案的选择、元器件的筛选、以及对它们的调试、对调试结果的分析，到最后得到比较满意的实验结果的方方面面。
二设计内容及要求:
要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的脉冲信号，是比较稳定的。
1.测量信号:
方波；
2.测量频率范围:
1Hz~9999Hz;10KHz~10KHz;
3.显示方式:
4位十进制数显示;
4.时基电路由555定时器及分频器组成,555振荡器产生脉冲信号,经分频器分频产生的时基信号,其脉冲宽度分别为:
1s,0.1s;
5.当被测信号的频率超出测量范围时,报警.
三设计思路及原理:
数字频率计由四部分组成：
时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。
由555定时器,分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,时间基准T称为闸门时间.宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端B.被测信号频率为fx,周期Tx.到闸门另一输入端A.当门控制电路的信号到来后,闸门开启,周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控制信号结束时过闸门,于输出端C产生脉冲信号到计数器,计数器开始工作,直到门控信号结束,闸门关闭.单稳1的暂态送入锁存器的使能端,锁存器将计数结果锁存,计数器停止计数并被单稳2暂态清零.（简单地说就是:
在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来时,闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器,这样就可以得到被测信号的数字显示的频率.而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误.）若T=1s,计数器显示fx=N（T时间内的通过闸门信号脉冲个数）若T=0.1s,通过闸门脉冲个数位N时,fx=10N,（闸门时间为0.1s时通过闸门的脉冲个数）.也就是说,被测信号的频率计算公式是fx=N/T.由此可见,闸门时间决定量程,可以通过闸门时基选择开关,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出.
在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.
因此,可得出数字频率计的原理框图如下:
四:
设计分析
1.时基电路
其基本电路图如下:
它由两部分组成:
第一部分为555定时器组成的振荡器（即脉冲产生电路）,要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:
f=1.43/（（R1+2*R2）*C）,因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R2取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲
第二部分为分频电路,主要由74LS90组成因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.1s和1s因此,利用10分频的电路比较好.分频后的脉冲宽度计算公式为:
tw=T（T为振荡器的周期）,而其周期T1=10T,所以一级分频后tw=0.001s,T1=0.01s.依次类推0.1s的脉冲宽度需要三次分频,1s的脉冲宽度需要四次分频.
分频电路如下:
其中一级分频后的波形如下:
（注:
上面的波形为振荡器产生）。
由此可见,设计的电路是正确的.
附174LS90各管脚作用：
2.逻辑控制电路
根据原理框图所示波形，在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号IV，锁存信号IV的负跳变又用来产生清零信号V，脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS121产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
设锁存信号IV和清零信号V的脉冲宽度tw相同，根据tw=0.7Rext*Cext可以计算出各个参数。
这样当脉冲从A1端输入可以产生锁存信号和清零信号，其要求刚好满足IV和V的要求，当手动开关按下时，计数器清零。
其电路图如下：
锁存信号波形比较如下：
注：
上面的波形为输入信号
清零信号调试如下：
注：
上面的波形为输入信号
由调试波形可以看出设计的电路是正确的。
附274LS121的用法
它是单稳态触发器，它有两个负跳沿触发输入和一个可作为禁止输入使用的正跳沿触发输入，它可提供互补的输出脉冲。
外部元件的接法：
外接电容接在Cext和Rext两引脚之间；如用内接定时电阻，需将引脚Rint接Vcc；为了改善脉冲宽度的精度和重复性可在Cext和Rext/Cext之间接一外接电容。
并将Rint开路。
适当选择定时元件。
需出脉冲宽度可以变化于40ns和28s之间。
如不接定时元件（Rint引脚接Vcc，而使Cext和Rext/Cext引脚开路），输出脉冲宽度一般可达30ns或35ns，可以作直接耦合触发复位信号使用。
输出脉冲宽度可由如下关系式确定：
tw=0.7Rt*Cext。
3．译码显示电路
译码显示电路取用7447七段显示译码器，此电路比较常用，在此并不赘述。
4．计数、译码、显示电路原理电路图如下：
附374LS273的用法
5．报警系统
本电路要求用4位数字显示，最高显示为9999。
因此，超过9999就要求报警，即当千位达到9（即1001）时，如果百位上再来一个时钟脉冲（即进位脉冲），就可以利用此来控制蜂鸣器报警。
电路如下：
五.使用的元器件
●元件名称
●规格及用途
●数量
74LS90N
时基电路
4
74LS90D
计数器
4
74LS273N
锁存器
2
74LS47D
译码器
4
74LS121
逻辑控制电路
2
74LS00
（与非门）闸门
1
74LS08
与门
4
555定时器
产生1000Hz脉冲
1
蜂鸣器
报警系统
1
七段显示器
显示频率值
4
电容
2.0nF
2
电容
1uF,0.01uF
各1个
电阻
10k
2
电阻
5003.3k430
各1个
三输入与门
U16AND3
1
六．参考文献
1、安德宁赵廷瑞编注.数字电路与逻辑设计实验技术.北京邮电学院出版社
2．、高吉祥主编电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社2002.2
3．、谢自美主编电子线路设计.实验.测试（第二版）华中科技大学出版社2000.7
七．心得体会
本次实习是我到目前为止最头疼也是收获最大的一次实习。
我是机械专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。
可以说，本次实习有苦也有甜。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。
因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。
制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调快等等。
这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。
要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
交通控制器
指导老师:
刘丽萱耿敏班级：
电子01-2班
设计者：
张晓玲01044207陈婧01044201
丁璐01044203袁晓燕01044206
内容摘要：
本课题要求设计一个铁路和公路交叉路口的交通控制器。
该交叉路口的平面位置示意图如下图所示。
A、B是两个栏杆，P1、P2处设置两个压敏传感器，用于检测是否有火车通过路口。
（P1、P2点相距较远，一列火车不会同时压在两个压敏元件上）。
当有火车通过交叉路口时，栏杆放下，禁止车辆和行人通行，当火车通过交叉路口后，栏杆抬起，路口放行。
一、设计要求：
1．当火车由东向西或由西向东通过P1P2段，且当火车的任何部分位于P1P2之间时，栏杆A、B应同时放下，否则A、B同时抬起。
2．路口设置红、绿两色交通灯指示灯。
在栏杆A、B放下时，路口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭；当栏杆A、B抬起时，路口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭。
3．在栏杆A、B刚抬起或刚放下时，鸣响警铃，要求铃声持续15秒;同时用数码显示器显示倒计时时间。
提示：
栏杆A、B的抬起、放下及交通灯的控制由时序控制电路实现。
X1
其中：
1．输入信号X1、X2由压敏元件发出：
当火车压到压敏元件时，X1（或X2）=1，否则X1（或X2）=0。
2．输出信号Z控制栏杆A、B及交通等的动作：
Z=1时，A、B抬起，红灯亮，绿灯灭；Z=0时，A、B放下，红灯灭，绿灯亮。
3．CP：
控制电路的时钟信号，由555定时器产生，5V，1000Hz。
二、电路工作原理：
电路组成如图一所示，由1Hz信号发生器，时序控制电路，15秒倒计时显示电路和15秒蜂鸣器报警电路组成。
1.1Hz信号发生器：
由555构成多谐振荡器产生1Hz的脉冲。
2.时序控制电路：
画状态表和状态图，画卡诺图并化简，列写现态次态表达式，得出触发器的D1，D2及输出Z的表达式。
3.15秒倒计时显示电路：
由两个74192及两个译码器及七段显示器构成，高位片置数1，低位片置数5，down端接555输出的脉冲，从而实现倒计时。
4.15秒蜂鸣器报警电路：
由一个74121和一个555构成，74121的3输入端由红灯处的电平提供，当红灯变亮和红灯熄灭（绿灯变亮）时都会触发74121产生15秒的一个脉冲，然后将此脉冲接入555的输入端，将555构成一个单稳态触发器，触发产生15秒的脉冲，控制蜂鸣器报警15秒，同时控制倒计时显示电路的置数端使之开始倒计时，脉冲停止，倒计时停止，同时蜂鸣器也停止报警。
三、系统方框图
图一
四、设计方案的比较和选定
第一种方案如图二
图二
第二种方案如8中的电路图三
两种方案的分析与比较：
图一与图二的区别在于对15秒蜂鸣器的报警的控制上。
图二用x1和x2的上跳变和下跳变来控制74121使之产生15秒宽的脉冲来控制蜂鸣器报警，并控制计数器的倒计数。
图三由一个74121和一个555构成，74121的3输入端由红灯处的电平提供，当红灯变亮或熄灭时都会触发74121产生15秒的一个脉冲，然后将此脉冲接入555的输入端，将555构成一个单稳态触发器，触发产生15秒的脉冲，控制蜂鸣器报警15秒，同时控制倒计时显示电路的置数端使之开始倒计时，脉冲停止，倒计时停止，同时蜂鸣器也停止报警。
图二仿真能实现，但是由于开关模拟实际压敏元件时，x1从低电平到高电平时（红灯亮）会触发74121，但x1从高电平到低电平时（红灯继续亮）也会触发74121，实际电路难以实现，所以没有选择此电路。
图三是用红灯的变亮和熄灭来控制74121，所以不会出现图二的问题。
所以选择了图三的电路。
五、单元电路设计参数计算与元器件选择
1．555构成的多谐振荡器产生5V,1Hz时钟信号：
由公式1.43/[（R1+2R2）C]=f和实际情况取得R1=43KΩ，R2=51KΩ，C=10μf
2．74121控制蜂鸣器报警的时间15秒：
由T=0.69RC近似可得
R=2.2MΩ，C=10μf
555构成的单稳触发器产生15秒的时间脉冲：
由T=1.1RC近似可得
R=1.5MΩ，C=10μf
六、完整电路图图三
七、测试方法与仪器
1、采用仿真软件Multisim2001调试
2、采用实验箱及示波器调试
3、
八、相关波形
1．555产生的脉冲波形图：
2：
时序控制电路
3：
121产生的脉冲波形
九、列出参考文献
1、数字集成电路应用300例，黄继昌等主编。
，人民邮电出版社
2、第二届全国大学生电子设计竞赛组委会编．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994～1995）．北京：
北京理工大学出版社，1997．
3、电子电路设计与实践，姚福安编著。
山东科学技术出版社
4、电子技术基础（数字部分），康华光主编。
第四版．北京：
高等教育出版社.
5、数字逻辑电路设计与实验，绳广基编著。
上海交通大学出版社，1989．
6、中国集成电路大全TTL集成电路，《中国集成电路大全》编写委员会编。
北京：
国防工业出版社，1985．
7、电子技术基础课程设计，粱宗善。
华中理工大学出版社.1995.1
8、电子技术基础实验与课程设计，高吉祥主编。
电子工业出版社2002.2
十、元器件清单
2个开关（不锁定），蜂鸣器1个，1个74LS74，1个74LS08，2个74LS32，1个74LS04，红、绿发光二极管，2个74LS192，2个4511，2个七段显示器，电阻，电容
十一、在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法
问题一：
使蜂鸣器鸣响15秒时，用74121产生的15秒宽度的脉冲驱动不了蜂鸣器，蜂鸣器只鸣响一小声，几乎听不到。
解决方案：
将74121产生的脉冲接到555的输入端，让555构成单稳触发器，然后将555输出端接到蜂鸣器的正极，就可以实现蜂鸣器鸣响15秒。
问题二：
设计时序电路控制红绿灯时，一开始设定了八个状态：
1、火车由西向东未压上x1；2、由西向东压上x1；3、由西向东位于x1和x2之间；4、由西向东压上x2；5、火车由东向西未压上x2；6、由东向西压上x2；7、由东向西位于x2和x1之间；8、由东向西压上x1。
不能实现红绿灯的转换。
解决方案：
将1状态和5状态合并为“火车位于x1和x2之外”。
设计心得体会
此次电子系统设计中，我们组由四位同学组成，每个人都投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用Multisim仿真电路，在实验箱上组合实践实际电路，去电子市场买零件，焊接电路板，每一个过程都经过了大家的共同探
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