反应速度测试器.docx
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反应速度测试器
琼州学院本科生课程设计
《数字电子技术》课程设计
设计题目:
人体反应速度测试器设计
专业:
电子信息科学与技术
班级:
2011级
学生姓名:
程宇
学号:
11214050
指导教师:
郑泽龙老师(高级实验师)
2012年12月12日
人体反应速度测试器的设计
程宇
(琼州学院电子信息工程学院,海南三亚572022)
摘要:
本文介绍的这款制作电路是学习数字电路基础知识的理想器材,具有制作简单,成功率高,趣味性强等特点,通过对本电路的设计和安装调试提高了我们对数字电路理论的理解,特别是提升了我们实践动手能力。
实验电路包括了脉冲电路和数字逻辑电路,并要求我们安装和焊接元器件,完成电路调试。
通过对实验电路的搭接与实验结果的分析,强化了我们对数字电路应用的理解和动手能力的培养。
关键词:
脉冲电路;数字逻辑电路;反应速度
1、设计任务
闭合电源开关,电源指示灯VD10点亮,一个减法计数器电路在时钟的作用下控制由VD2~VD9组成的测试信号灯依次点亮。
再延迟几秒后,测试信号灯VD1点亮,表示测试开始,减法计数器电路在时钟脉冲的作用下依次递减,由控制VD2~VD9组成的测试信号灯依次熄灭,在此过程中,当被测试人按下停止按钮时,一个双稳态电路被触发,它控制时钟电路停振,减法计数器处于保持状态。
VD2~VD9的熄灭个数将记录为被测试者的反应速度。
2、电路设计
(1)电路方框图如图1
图1
(2)开机延时电路原理
如图2所示,按下开启按钮K1,电源接通,指示灯LED10被点亮,显示电路接通。
由于电容两端电压不能突变,所以C1上电压仍为0,或非门IC1B输出1,指示灯LED1不亮。
但VCC会通过R1对C1充电,使得C1上电压升高,当C1上电压升到大于CMOS门的阈值电压时,或非门IC1B输出发生翻转,由高变低,经两级反相门时间延迟后,使发光二极管LED1点亮,表示测试开始。
图2
(3)减法电路原理
CD4015为一个4位串入并出的移位寄存器,为实现8位数串入并出,可将两片CD4015级联,即第1片的第4位输出接第2片的串行输入。
电源接通时,或非门IC1B输出1,该高电平信号从IC2B的D端串行输入,在时钟作用下,使IC2B输出Q0Q1Q2Q3依次变为“1”,Q3接IC2A的D端,所以IC2A的输出Q0Q1Q2Q3依次变为“1”。
当测试开始,或非门CD4001(IC1B)输出“0”,该低电平又从移位寄存器串行输入端输入,使移位寄存器输出依次变成“0”。
(4)驱动显示电路原理
移位寄存器的8位输出分别经8个CD4069构成的反相器驱动LE2~LED9共8只发光二极管发光。
电源接通时,移位寄存器输出1,反相后为0,对应二极管导通,LED2~LED9被依次点亮。
当测试开始,移位寄存器输出变为0,反相后为1,控制对应发光二极管截止,LED2~LED9依次熄灭。
(5)停止控制电路原理
该部分电路最主要的是由2个或非门IC1C和IC1D构成的RS触发器,输入为高电平有效。
当R=“1”,S=“0”时,触发器置0。
当R=“0”,S=“1”时,触发器置1当R=“1”,S=“1”时,触发器状态保持不变。
当R=“0”,S=“0”时,触发器状态不定,应避免这种输入出现。
在本电路中,按下停止按钮K2前,电源VCC通过R12对C2充电,使C2上电压为高电平。
该高电平使IC1A(或非门)输出“0”。
同理IC1C输入为“1”,反相后输出为“0”,IC1D的两个输入均为“0”,控制由IC1D和IC1C构成的RS触发器输出“1”,与之相连的二极管IN4148截止。
多谐振荡器正常工作,为移位寄存器提供时钟脉冲。
电路工作过程中,即使IC1C的输入变为“0”,但双稳态电路IC1D输出端仍能保证输出“1”。
按下K2后,电容C2放电,使IC1A(或非门)一输入端信号为“0”(另一输入接IC1B输出端,也为“0”),则IC1A输出“1”,控制RS触发器IC1D输出“0”。
该低电平使二极管IN4148导通,多谐振荡器因接低而导致停振。
移位寄存器没有时钟信号触发,状态保持不变。
LED2~LED9停止熄灭,保留当时的状态。
(6)多谐振荡器原理
该电路中时钟脉冲由施密特反相器构成的多谐振荡器产生,如图3所示。
图3
将施密特的反相输出端经RC积分电路接回输入端,即可构成多谐振荡器,如图3所示。
当接通电源以后,因为CD40106输入引脚上接的电容的初始电压为零,所以CD40106的输出为高电平,并且开始通过电阻R向电容C充电。
当充到输入电压为V1=VT+时,CD40106的输出跳变为低电平,电容C又经过电阻R开始放电。
当放电至Vi=VT-时,输出电位又跳变成高电平,电容C重新开始充电。
如此周而复始,电路便不停地振荡。
Vi和Vo的电压波形如图4所示。
图4
在以上设计的震荡电路中:
VDD=3V,R=1MΩ,VT+=2.16V,
VT-=0.84V,C=16nF,
T=
×0.33×
×ln(
×
)=0.031
所以本设计中振荡电路的周期应该是31ms。
(7)总体电路原理
在电路中,IC4(施密特反相器CD40106)、R15、C4等组成多谐振荡器,输出周期为62ms的时钟脉冲。
IC2(移位寄存器4015)组成8位右移寄存器,IC1(或非门CD4001)组成的开机延迟电路的输出信号作为其串行输入数据。
闭合电源开关K1,由于IC1B输出为“1”,在时钟脉冲作用下,IC4的8位寄存单元迅速全为“1”,控制LED2~LED9指示灯依次点亮;3~4s后,IC1B输出变为“0”,经过IC3(反相器4069)2级反相后,测试信号灯LED1点亮,表示测试开始。
IC2的8位寄存单元将在时钟脉冲作用下从左至右依次变为“0”,直至被测试者按下停止按钮K2,将IC1(或非门4001)组成的RS触发器置“0”,使多谐振荡器停振,IC2处于保持状态,其结果通过驱动电路IC3C~IC4D驱动发光二极LED2~LED9显示。
IC1A的作用是使停止按钮K2只有在测试信号灯LED1亮后(即开始测试)才起作用,提前按下无效。
3、电路仿真与分析
(1)采用EDA仿真软件Multisim10对反应速度测试器电路进行仿真分析、调试,从而实现电路的优化设计。
下图5为仿真软件Multisim10中多谐振荡器
图5
当输入如下图6的三角波时:
图6
对应的输出波形图如下图7:
图7
整体电路仿真电路如图8:
图8
4、电路安装与调试
(1)正确识别和安装所用元器件。
注意集成芯片的安装方向,色环电阻的阻值识别,发光二极管的正负极的判定,半导体二极管的正负极的判定,电解电容的正负极的辨别等。
(2)在做好的印制板上安装和焊接元器件,焊装注意如下事件:
一、焊接CMOS数字集成电路时要注意,电烙铁要可靠接地,或者拔下电源插头用余热焊接,防止感应静电击穿CMOS芯片。
二、印制板上共有6根跨接线,分别用J1一J6表示,可用剪下的多余元件引脚线来焊装。
三、发光二极管引脚较长的一极是正极,外圆带有一小段直线段的是负极,可按照印板上的字符标识安装。
四、IN4148二极管管身带有黑色环的一端是负极。
C1、C5是电解电容,引脚较短的一端是负极,外皮上一般也有“—”号标识。
五、电池盒的引线按照印板标识的“+”、“-”极性正确连接,切勿接反。
六、全部元件焊装完毕后,还耍仔细检查一下,元件是否都已正确安装,焊点是否牢固,焊盘、走线之间是否存在短路的地方,以确保装配无误。
(3)全面检查完毕后,通电测试,首先闭合电源开关K1,发光二极管LED10点亮,表明电源已接通,紧接着LED2~LED9被迅速点亮,延迟几秒后,LED1点亮,表示测试开始,LED2~LEE9迅速依次熄灭。
此时按下停止按钮K2,则LED2~LED9立即停止熄灭,保留状态。
如果电路工作不正常,再仔细检查装配是否都正确,按照工作过程,比照原理图,分级分段逐级检查故障点。
(4)下图9为焊接完成的实物图
图9
5、设计总结
通过完成该实验巩固了各个单元电路的知识,并且这对我来讲相当于进行一个完整的数字系统的综合训练。
这样通过自己识别元器件,亲手安装和焊接在电路板上,加强了对电路的感性认识,增强了实践经验。
本实验实现的成功率高,趣味性强,让我在该实验中体验电子制作的乐趣。
参考文献:
[1]阎石主编.数字电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2007,8
[2]徐丽燕,胡飞跃,张亚君主编基于移位寄存器的综合实验设计,2009,7
[3]王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京:
高等教育出版社,2007
《模拟电子技术》课程设计评分表
设计题目:
二阶低通滤波器的设计学生姓名:
程宇指导老师签名:
年月日
项目
主要内容
满分
得分
设计报告
设计报告规范、完整、无原理性错误
40
电路设计
电路设计与参数计算
20
电路测试
测试结果与分析
20
电路安装
实际电路安装与调试
20
总分
100