《数字电子技术》课程设计数显式多路抢答器的设计.docx
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《数字电子技术》课程设计数显式多路抢答器的设计
湖南xx院
数字电子技术
课程设计说明书
课题名称：
数显式多路抢答器的设计
专业名称：
电子信息工程技术
学生班级：
学生姓名：
学生学号：
指导老师：
摘要
为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好的培养21世纪的应用型电子技术人才，其学好模拟电子技术在实际应用中起到了举足轻重的作用。
随着社会不断发展，各种仪器设备的不断更新，数字电子技术应用领域也越来越广泛。
因此，我们必须学好数字电子技术这一门课程。
《数字电子技术》是一门发展迅速，实践性和应用性很强的技术基础课程。
而我们学好这一门课程，必须做到理论与实际相结合，在学好理论的基础上，要进行大量的实践，从实践中总结经验、教训。
为了培养运用基本知识并进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们现在首次进行模拟电子技术课程设计。
本课程设计的编写是以实验研究为主线，以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容，按照实验是什么，为什么，干什么，怎么干的逻辑思维体系和实验的构成要素（主体，手段，对象和目的）为教材内容展开通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。
本设计所涉及的知识：
方案论证，产品说明，原理说明，安装工艺，调试与测试，焊接技术，元件清单，操作说明。
为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的EWB，Protel99等技术的新手段，新工具。
本课题的设计达到的目的：
除了使没有真正进行过电子技术实验的学生，通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。
进而培养了我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分识。
析和综合实验结果，检查和排除故障的能力。
从而巩固了我的理论知识和解决实际问题的能力。
本书是由湖南工学院电气与信息工程系贾雅琼老师担任主审，他对全部书搞进行了认真的审阅，并提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢！
由于编者水平有限，书中存在错误和不足之处在所难免，恳请读者批评指正，以便不断提高。
关键词八路,抢答器,定时，计时
第1章设计内容……………………………………………………………3
1.1设计任务与要求………………………………………………….....3
1.2设计方案提示………………………………………………….........3
第2章抢答器的基本组成框价……………………………………………5
第3章单元电路的设计…………………………………………………....6
3.1抢答电路…………………………………………………………....6
3.2定时电路……………………………………………………………7
3.3控制电路……………………………………………………………9
第4章元器件选择………………………………………………………...10
4.174LS279RS锁存器……………………………………………....10
4.274LS1488线-3线优先编码器………………………………..10
4.3374LS48七段显示译码器………………………………………12
4.4单稳态触发器74LS12…………………………………………..13
4.5555定时器………………………………………………………..14
第5章PCB板是制作………………………………………………..…….15
5.1PCB生成流程图……………………………….............................15
5.2原理图的绘制…………………………………………………….15
5.3电路板图设计的基本原则要求………………………………….15
5.4印刷板图设计中应注意的几点………………………………….17
第6章调试与测试……………………………………………………….18
6.1调试准备—检查电路……………………………………………18
6.2通电观察…………………………………………………………18
6.3调试…………………………………………………………..….18
6.4正确使用测量仪器的接地端…………………………………….19
6.5正确选择测量点………………………………………………..…19
6.6测量方法要方便可行…………………………………………….19
第7章焊接技术…………………………………………………………..20
7.1焊接时所用的工具器材………………………………………….20
7.2常用的锡焊方法………………………………………………….20
7.3锡焊注意事项…………………………………………………….20
第8章元件清单…………………………………………………………..22
结束语……………………………………………………………………….24
参考文献…………………………………………………………………….25
附录一：
原理图……………………………………………………………26
附录二：
PCB图……………………………………………………………26
鸣谢………………………………………………………………………27
第1章设计内容
在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显等多种手段批示出第一抢答者。
1.1本题任务与要求如下：
（1）设计一个数显式多路抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号是0、1、2、3、4、5、6、7，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
、
、
、
、
、
、
、
。
（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
（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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。
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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。
（5）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。
（6）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，时间显示器上显示00。
（7）计算机输出设计说明书一份，A4方框图一张，电路原理图纸一张（或分图多张）。
（8）课程设计说明书每人一份，要求至少20页，单面打印，A4纸张。
（9）设计时间：
二周
1.2总体方案设计提示
（1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。
实现这一功能可用触发器或锁存器等。
在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，使其它的抢答信号无效。
同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。
（2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路者的组别，也可以用发光二极管直接批示出组别。
还可用鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频率交替变化的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出两态币音音响，表示该题抢答有效。
（3）节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
（4）由555定时器和三极管构成报警点路。
（5）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。
第2章抢答器的组成框图
定时抢答器的总体框图如图1所示。
他主要由主体电路和扩展电路两部分组成。
主体部分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。
扩展电路完成定时抢答的功能。
主体电路
扩展电路
图2-1定时抢答器的总体框图
图1所示定时抢器的工作过程是：
接通电源时，节目支持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定的时间，当主持持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，输入电路被封锁，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成下面几个工作：
1优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后有译码显示电路显示编号；
2.制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；
3控制电路要使定时器停止工作，时间器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
当选手将问题回答完毕后,主持人操作控制开关,使系统回复到禁止工作状态,以便进行下一轮抢答。
第3章单元电路的设计
3.1抢答电路的基本原理
抢答电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。
这里选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279完成上述功能，其电路图如图2所示。
图3-1抢答电路
其工作原理是：
当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的
端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。
于是74LS48的
=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端
=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待状态，等待输入端
~~
输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5）,74LS148的输出
=011，
=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=100，经74LS48译码后，显示器显示出“4”，此外，CTR=1，使74LS148的
端为高电平，74LS148处于禁止工作的状态，封锁的其他按键的输入。
当按下的键松开后，74LS148的
为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被接受，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，有主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，进行下一轮的抢答
3.2定时电路的设计
图3-2定时电路
原理及设计：
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。
具体电路如图3所示。
两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。
74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，
输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。
下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。
结合图4，图中电容C的放电时间和充电时间分别为
，
于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为
，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得
，即秒脉冲。
表3-1555定时器功能表
ui1
ui2
uO
T的工作状态
0
1
1
1
1
×
×
0
1
1
0
0
导通
截止
截止
导通
导通
图3-3秒脉冲产生电路
3.3控制电路的设计
图3-4定时和抢答电路的时序控制电路
其工作原理是：
主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自抢答电路中RS锁存器的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能加到74HC390的CP0时钟输入端，定时电路进行加计时。
同时，在定时时间未到时，则W=1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。
当定时时间到时，则"定时到信号"为0，经图9锁存W=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持0状态不变，实现了功能③。
第4章元器件的选择
该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图和部分功能介绍：
4.174LS279RS锁存器
当R=1,S=0时，输出为0；当R=1,S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。
表4-174LS279锁存器功能表
输入
1
2
输出
Q
000
0X1
X01
110
111
1
1
1
0
没改变
图4-174LS279锁存器引脚图
4.274LS1488线-3线优先编码器
下图为74LS148的功能介绍，ST为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。
其功能真值表如下
图4-274LS148的引脚图（a）和管脚图（b）
图4-38线-3线优先编码器74LS148的逻辑图
表4-274LS148功能
输入
输出
0
1
2
3
4
5
6
7
2
1
0
1
XXXXXXXX
111
11
0
11111111
111
10
0
XXXXXXX0
000
01
0
XXXXXX01
001
01
0
XXXXX011
010
01
0
XXXX0111
011
01
0
XXX01111
100
01
0
XX011111
101
01
0
X0111111
110
01
0
01111111
111
01
4.374LS48七段显示译码器
这是十进制（BCD）显示译码器，其中A1-A3是8421码的输入端，YA-YG是输入端，为7段显示器件提供驱动信号，显示器件根据输入的数据，分别显示数字0-9。
其表如下图。
表4-374LS48功能表
十进制
或功能
BI/RBO
输出
LT
RBI
abcdefg
0
1
2
3
H
H
H
H
H
×
×
×
输入
H
H
H
H
HHHHHHL
LHHLLLL
HHLHHLH
HHHHLLH
4
5
6
7
H
H
H
H
×
×
×
×
DCBA
H
H
H
H
LHHLLHH
HLHHLHH
LLHHHHH
HHHLLLL
8
9
10
11
H
H
H
H
×
×
×
×
HLLL
HLLH
HLHL
HLHH
H
H
H
H
HHHHHHH
HHHLLHH
LLLHHLH
LLHHLLH
12
13
14
15
H
H
H
H
×
×
×
×
HHLL
HHLH
HHHL
HHHH
H
H
H
H
LHLLLHH
HLLHLHH
LLLHHHH
LLLLLLL
BI
RBI
LT
×
H
L
×
L
×
××××
LLLL
××××
L
L
H
LLLLLLL
LLLLLLL
HHHHHHH
图4-474LS48的引脚图（a）和管脚图（b）
4.4单稳态触发器74LS12
集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间,具体原理如下：
主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。
单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。
在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为
=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为
表4-474121功能表
输入
输出
状态编码
A1
A2
B
Q
L
d
H
L
H
d
L
H
L
H
d
d
L
L
H
H
H
d
L
H
H
↓
H
暂态高电平
暂态高低平
1
↓
H
H
暂态高电平
暂态高低平
2
↓
↓
H
暂态高电平
暂态高低平
L
d
↑
暂态高电平
暂态高低平
4.5555定时器
555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路。
图4-5555定时器引脚图
第5章PCB板的制作
5.1PCB生成流程图
图5-1PCB生成流程图
5.2原理图的绘制
据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。
对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。
（1）据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单击“createNetlist”即可；
（2）网络表有也是原理图与印制电路板的接口；
（3）规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；
（4）引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；
（5）引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；
（6）修改封装与布局，这是自动布线的前提；
（7）Protel99SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。
基于形状的对角线自动布线技术；
（8）自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；
（9）存盘并打印；
5.3电路板图设计的基本原则要求
（1）.印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。
印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。
但有时也设计成插座形式。
即：
在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。
对于安装在印刷电路板上的较大的元件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。
（2）.布线图设计的基本方法
首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。
各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。
最原始的是手工排列布图。
这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成，这在没有其它绘图设备时也可以，这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。
计算机辅助制图，现在有多种绘图软件，功能各异，但总的说来，绘制、修改比较方便，并且可以存盘贮存和打印。
接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理，印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下：
.印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。
.电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。
立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装，焊接，其优点是元件安装的机械强度较好。
这两种不同的安装元件，印刷电路板上的元件孔距是不一样的。
.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。
.总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。
特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
.强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。
5.4印刷板图设计中应注意的几点
（1）.布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
（2）.各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
（3）.电阻，二极管的放置方式：
分为平放与竖放两种：
.平放：
当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；
.竖放：
当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放；
（4）.进出接线端
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