四人抢答器

成绩

课程设计说明书

题 目： 四人抢答器 课程名称： 数字电子技术 学 院： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 李立

2013年06月07日

课 程 设 计 任 务 书

设计题目 学生姓名 设计要求： 1、设计制作一个可容纳四个组参赛的抢答器，每组一个抢答开关。 2、设置一个抢答开始按键，同时设置抢答定时电路，且计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废。 3、系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号，即其他任何一组的抢答信号都不会使电路响应。 4、系统采用声光指示第一抢答者：用蜂鸣器提示第一抢答者产生；用发光二级管指示第一抢答者。 学生应完成的任务： 设计一个四人抢答器的控制电路，并利Multisim软件进行电路仿真。利用Altium Designer09软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。 参考文献： [1] 秦长海,张天鹏,翟亚芳. 数字电子技术基础[M].北京大学出版社,2012. [2] 邱关源,罗先觉. 电路（第五版）[M].北京高等教育出版社,2006. [3] 谷树忠,刘文洲,姜航. Altium Designer教程[M].北京电子工业出版社,2010. 工作计划： 5月27号—29号完成原理图的设计；5月30号—31号用Altium Designer09设计PCB；6月 3 号—4号制作PCB板；6月 5 号—7号电路板安装与调试，提交课程设计报告。 任务下达日期： 2013 年 5 月 27 日 任务下达日期： 2013 年 6 月 07 日 指导教师（签名）： 学生（签名）： 四人抢答器 所在学院 电子信息与电气工程学院 专业、年级、班

四人抢答器

摘 要：设计制作了一个四人抢答器控制电路，该电路具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。该电路的设计可以把整个系统分为抢答主控电路、倒计时电路、译码显示电路和抢答指示电路，其中倒计时电路可以有计数器（555定时器）实现，译码显示电路可由现实译码器构成组合逻辑电路实现，抢答指示电路可以由发光二极管和蜂鸣器构成，这三部分都是各逻辑功能部件，设计并不困难。因此，四人抢答器设计的主要问题是设计控制电路，而这是一个规模不大的时序电路。利用Multisim 10对设计的电路进行仿真，可以得到，当闭合主持人控制的开关后，第一个抢答者按下抢答键，与第一抢答者相对应的LED灯会亮，倒计时电路停止倒计时并伴随有报警声，并封锁其他各组抢答信号，使电路不会再响应。在无人抢答时，倒计时电路完成9到0的倒计时后，会有报警声提示。

关键词：四人抢答器；抢答信号；声光报警；时钟电路

目录

1.设计背景 ……………………………………………………………..1 1.1模拟、数字电路的定义及应用…………………………………...1 1.2时钟电路的定义及应用…………………………………………1 1.3掌握Multisim软件和Altium Designer软件………….2 2.设计方案………………………………………………………………2 2.1任务分析……………………………………………………………2 2.2方案论证……………………………………………………………2 3.方案实施 ……………………………………………………………3 3.1部分元器件介绍……………………………………………………..3 3.2原理图设计…………………………………………………………5 3.3电路仿真……………………………………………………………7 3.4 PCB制作 …………………………………………………………8 3.5安装与调试…………………………………………………………9 4.结果与结论…………………………………………………………9 5.收获与致谢…………………………………………………………10 6.参考文献……………………………………………………………10 7.附件 …………………………………………………………………11 7.1电路原理图…………………………………………………………11 7.2 PCB布线图 ………………………………………………………12 7.3元器件清单…………………………………………………………13

1. 设计背景

1.1数字电路的定义及应用

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路的发展经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。现代电子产品已经发展到数字处理为主的电路控制方式了，但数字信号提供的只是一些参数值，具体的实现还需要模拟电路来实现。

1.2时钟电路的定义及应用

时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路主要由555定时器、电阻、电容组成。555定时器成本非常低，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器在四人抢答器中构成多谐振荡器，起到了计时的重要作用。555集成电路应用十分广泛，如家电定时电路、声光控开关、报警发音电路、数控机床电机驱动等都有它的存在。在应用当中主要有以下三种工作方式： 1．单稳类电路

作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。 2．双稳类电路

作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。 3．无稳类电路

作用：方波输出 ，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。

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1.3掌握Multisim软件和Altium Designer软件

Multisim是在EWB的基础上发展而来的，是一款专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。它是一个完整的集成化设计环境，将计算机仿真和虚拟仪器技术完美地结合在一起，为电子线路的仿真和设计提供了良好的环境。

Altium Designer 是一种电子设计自动化设计软件，从功能上由以下5部分组成，分别为：电路原理图（SCH）设计、印刷电路板（PCB）设计、电路的仿真、可编程逻辑电路设计和信号完整性分析。

2. 设计方案

2.1任务分析

四人抢答器主要包括抢答电路，报警电路，显示电路，时钟电路。实现抢答电路需要用到触发器、定时器；实现报警电路需要用到蜂鸣器；实现显示电路需要用到计数器、显示译码器和数码管；实现时钟电路需要用到定时器、触发器。

在主持人发布抢答命令后，第一个抢答者发出抢答信号，此时抢答电路截止，其它抢答者无法抢答。当第一抢答者抢答成功时，会有其对应的发光二极管点亮来指示，同时报警器会发出警报。在抢答过程中显示电路用来提示抢答者的抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声；10秒内无人抢答时，会有发光二极管点亮提示，同时有警报声。

2.2方案论证

将四个开关分别接至74LS175触发器的四个输入端，555定时器组成的多谐振荡器的OUT端接至触发器的CLK端。当发出抢答信号后，触发器对应的Q端输出高电平，此时二极管点亮。通过74lLS00的一个与非门后接至声光指示模块，此时在规定时间内若有人抢答二极管会发光同时蜂鸣器会报警。当无人抢答时，555定时器组成的多谐振荡器的频率为1Hz时，输出的信号与经过两次与非Q端输出的信号再次与非之后，再次经过74LS192计数器、74LS47触发器后便在显示数码管上显示倒计时的时间。

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3. 方案实施

3.1部分元器件介绍

1、74LS175触发器的逻辑图如图1所示。

74LS175为4 D触发器。1脚为0时，所有Q输出为0，Q非输出为1；9脚位时钟输入端，9脚上升沿将相应的触发器D的电平，锁存入D触发器。

4512131981D2D3D4D~CLRCLKGNDVCC1Q~1Q2Q~2Q3Q~3Q4Q~4Q16237610111514

图1 74LS175逻辑图

电路所用的74LS175触发器的真值表如表1所示。

表1 74LS175 真值表 输入

输出

D

L H

Q

L H

Q

H L

2、74LS74触发器的逻辑图如图2所示。

74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入、置位输入、复位输入、时钟输入和数据输出的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。

1234567~1CLRVCC141D~2CLR131CLK2D12~1PR2CLK111Q~2PR10~1Q2Q9GND~2Q8

图2 74LS74逻辑图

电路所用的74LS74触发器的真值表如表2所示。

3

表2 74LS74真值表 输入

输出

PR

0 1 0 1 1 1

CLR

1 0 0 1 1 1

CLK

× × × ↑ ↑ ↓

D

× × × 1 0 ×

Q

1 0 1 1 0

Q

0 1 1 0 1

QD

QD

3、74LS192触发器的逻辑图如图3所示。

74LS192是双时钟同步十进制加/减计数器，也可称为可逆计数器，它具有异步置数和异步清零功能。

1511091114548ABCD~LOADCLRUPDOWNGNDVCCQAQBQCQD~BO~CO1632671312

图3 74LS192逻辑图

电路所用的74LS192触发器的真值表如表3所示。

表3 74LS192真值表

输入

CLR H L L L

LOAD

输出

D × d × ×

C × c × ×

B × b × ×

A × a × ×

QD 0 d

QC 0 c

QB 0 b

QA 0 A

UP × × × H

DOWN × × H ×

× L H H

加计数 减计数

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3.2原理图设计

1、报警电路

图4所示电路图中接底的端口，接触发器的四个Q端进行与非运算后的端口后，进行与非后输出低电平。当抢答者按下抢答器抢答成功之后，报警器开始发出警报同时与之并联的二极管会点亮。

图4 报警电路原理图

2、显示电路

显示电路是为了提醒抢答者抢答的剩余时间。若是显示电路能够正常工作，需要驱动器、数码管和可逆十进制计数器的共同工作。因为显示器为共阳极的，所以需要CA端接至高电平,这样才能正常工作。具体电路图如图5所示。

VCC5VVCCCAU11ABCDEFGVCC5VGNDU3VCC151109111454ABCD~LOADCLRUPDOWNQAQBQCQD~BO~CO32671312U48910117126ABCDOAOBOCODOEOFOG131211109151412131415161718VCC5VGNDVCC3~LT5~RBIVCC4~BI/RBO74LS192N5VVCC74LS47N

图5 显示电路原理图

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3、时钟电路

据题目设计要求倒计时时间为10秒，电路设计为由555定时器组成的多谐振荡器发出的1Hz的时钟脉冲信号接至预置数9的计数器74LS192，当74LS192倒计时为0时借位信号发出，将借位信号接至D输入端口始终接高电平的双正边边沿触发器74LS74的脉冲输入端，从74LS74的Q端口输出低电平。将此低电平信号与1Hz时钟脉冲相与非后，封锁倒计时模块。整个过程由预置数为9的计数器到双D正边沿触发器的Q端口输出低电平信号的产生，恰好为10秒，实现了时钟电路设计。具体电路图如图6所示。

VCC5VVCCS16R11kΩVCCVCC5VU1451213191D2D3D4D~CLRCLK1Q~1Q2Q~2Q3Q~3Q4Q~4Q2376101115140172U2A1D4LED71Q5~1PR3110111631CLK~1Q6~1CLR32R11100Ω074LS175NU10AVCCVCC5VR847kΩ1213R947kΩRSTDISTHRTRIU17A1921VCC5VVCCU19A23U20A151109111474LS74N129VCCU18A22ABCDU3QAQBQCQD~BO~CO32671312A2OUT~LOADCLRUPDOWN27GNDGND5414CONGND74LS192N4926U8A4430U21AC310uF555_VIRTUALC410nF028U7AU9A20

图6 时钟电路原理图

4、555定时器

秒脉冲产生电路可以用多谐振荡器产生，多谐振荡器采用555定时器构成其电路，连接图如图7所示。555定时器的GND端接地，RST端和VCC端接电源，CON端通过10nF的电容接地，DIS端经过电阻R1接电源，TRI端与THR端接在一起，并通过电阻R2接DIS端、通过电容C接地，这样便构成了多谐振荡器。

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VCCVCC5VR847kΩ1213R947kΩRSTDISTHRTRIVCCA2OUT14CONGNDC310uF555_VIRTUALC410nF0 图7 555定时器构成的多谐振荡器原理图

3.3电路仿真

在Multisim里面进行电路仿真，首先要学会如何使用Multisim软件，并且懂得基本设置。在仿真过程中必须保证芯片输入端锁定一个具体的电平，或是高电平，或是低电平，而输出端没有这个限制。另外考虑传输函数对系统仿真的影响，传输函数过小，或者所涉及的电路频率过低，导致输出不明显。

在各单元电路设计的基础上，用Altium Designer软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图如下。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行了仿真，经过多次修改之后，仿真电路能够正常工作。仿真电路如图8(a)所示。

图8(b)中555定时器的THR端口和TRI端口连在一起构成施密特触发器。电源电压为5v，电容C上的电压Vc在VT+和VT-之间往复振动，电容C的充放电时间为T1和T2。

T1(R1R2)Cln2R2Cln2,T2R2Cln2

故电路振荡周

TT1T2(R12R2)Cln2

又因为输出脉冲的占空比为

qT1/T(R1R2)/(R12R2)， q2/3

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所以T=1s。既555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz。

对555定时器仿真如图8(b)所示。由仿真图可知仿真后所得振荡器的实际周期为1.004秒。最后计算所得误差为0.4%。

VCC5VVCCS1R11kΩ4J1J2J3J4VCC5VVCCR847kΩ1213R947kΩ14RSTDISTHRTRICONGNDVCCA2OUT0U14512131D2D3D4D~CLRCLK1Q~1Q2Q~2Q3Q~3Q4Q~4Q237610111514VCC5VVCC1177891611U17AVCC5VGNDGND22U20A4426U8A30U21AU7A74LS00D202823VCC5VVCC27151VCC109111454ABCD~LOADCLRUPDOWN6325R12100Ω1504~1PR21D1QU2A5LED73132R11100Ω0VCCVCC5VCA1910374LS175NU10A481kΩ0U18AVCCVCC49R10100Ω18LED3VCCU19A5VVCC19211CLK~1Q6~1CLR174LS74NU11ABCDEFG29U3QAQBQCQD~BO~CO32671312U4333435367126ABCD~LT~RBI~BI/RBOOAOBOCODOEOFOG131211109151437383940414243VCC35474LS192N5VVCC74LS47NC4C310nF555_VIRTUAL10uF0U9A74LS00D

图8（a） 仿真电路原理图

VCC5VVCCR847kΩ32R947kΩ1RSTDISTHRTRICONGNDVCCA2OUTA+_B_XSC1Ext Trig+_+04C4C310nF555_VIRTUAL10uF0

图8（b） 555定时器仿真电路原理图

3.4 PCB制作

首先打开Altium Designer09软件，在打开的主页上，设置所需PCB板的大小，以及下面的一些参数。

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1、单位采用公制单位mm。

2、电源线和地线要求采用0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.3mm。信号线采用0.5mm。如果从两个焊盘中间穿过时用0.3mm。

3、焊盘的内径用0.9mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向2.0 mm，Y方向1.6mm。

4、过孔的大小和焊盘的设置。数码管的封装采用上下的封装形式。

5、PCB板制作的大小应该紧凑、美观。 PCB大小应选用10×10、（单位CM）中的一种。

实际布线范围应比所选规格要小，此次做的是单层板布线比较困难，红线要用的最少，还要注意要找对所用器件的封装，否则板子做好后将无法焊接。

3.5安装与调试

在安装过程中，首先先插元器件，在板子上找对元件所对应的位置，对于电容和发光二极管有正负极之分，所以要注意不能把元器件插反。在焊接时应特别小心，最好要一次焊成功，因为如果多次重焊时，会把板子上覆的铜弄掉，以至于无法再焊接元器件。再者就是必须十分小心，避免不要把两个独立的焊点焊接在一起，否则电路无法正常工作。在电路安装完成后，发现电路不能够正常工作。经过检查发现有些原件的焊接有虚焊，当用万用表测量时发现虚焊处电路工作正常，修改后，电路的显示模块能够正常工作，四个抢答开关能够全部工作，但是蜂鸣器却始终不能报警，再次检查，没发现问题。经过探讨，猜测可能是布线时有错误，导致电路不能正常工作。

4. 结果与结论

在做四人抢答器时，首先要弄清楚课题的要求，根据提供的元器件。设计电路主要分为抢答电路、报警电路、显示电路、时钟电路四个模块。设计的最终预想结果是当主持人按下开关时，有四名抢答者可以在10秒的倒计时时间内进行抢答，当有人抢答成功时发光二极管点亮，并有报警声。此时抢答电路会封锁，其他人无法抢答。在规定时间内无人抢答时会有报警声，二极管会点亮。在原理弄清楚时就开始进行仿真，仿真时刚开始发现并达不到设想的结果，主要是时钟电路不能正常计时，经过不断的修改时钟电路的电容和电阻直到达到要求。当仿真无误时，就可以用Altium Designer09设计电路原理图，设计原理图时要找对封装，否则会影响后面

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的制板，原理图画好后就可以设计PCB板，设计时要保证所用红线尽量少。

电路板经过一系列工序制好后，开始安装，在安装过程中，焊接时最好一次焊成功，否则会使电路板上的铜线烧掉。完全焊好后，经过一系列调试之后，电路仍不能完全正常工作，主要是蜂鸣器始终不能正常工作，所以无法报警器。虽然最后的实习结果没有完全达到预想效果，但收获仍是很大的。

5. 收获与致谢

经过两个星期的电子技术课程设计，收获颇丰。

首先，我学会了同学间相互合作的重要性，一个人的力量是很小的，而正所谓众人拾柴火焰高，多个人在一起努力加快了设计的进程，也无形中促进了我们之间的友谊。

其次，通过实践加深了对数字电子技术理论知识的理解，能够初步掌握自动化专业常用软件，但由于对软件的应用不够熟练，导致再设计过程中花费了大量的时间。尽管如此我们还是在不懈的努力下，完成了设计任务。虽然不尽完美，但也还是符合要求的。

总体来说，这次实习使我受益匪浅。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增强了实际操作能力。这次设计过程中特别要感谢指导老师李老师。他总是耐心的给我们讲解各种各样的问题，并且在设计时给我们提出了宝贵的意见，通过本次课程设计使我对Altium Designer09和Multisim的使用掌握的更加熟练，本来Altium Designer09学习的是一塌糊涂，但是经过这次课程设计，我对这个软件更加熟悉了，能够熟练的应用该软件做一些仿真。

6. 参考文献

[1] 秦长海,张天鹏,翟亚芳. 数字电子技术基础[M].北京大学出版社,2012. [2] 邱关源,罗先觉. 电路（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006. [3] 谷树忠,刘文洲,姜航. Altium Designer教程[M].北京:电子工业出版社,2010.

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电路原理图如图9所示。

7.1 电路原理图

7. 附件

图9 四人抢答器电路原理图

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7.2 PCB布线图

PCB布线图如图10所示。

图10 PCB布线图

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7.3元器件清单

元器件清单如表4所示。

表4 元器件清单

名称 555定时器 74LS47 74LS175 74LS00 74LS74 报警器 发光二极管 74LS192 电阻 电源 共阳极数码管

电容 开关

功能 定时

译码/驱动器（共阳极）

四D触发器 2输入四与非门 正沿触发双D型触发器

报警 发光指示 可逆十进制计数器

47KΩ两个、1KΩ五个、 100Ω三个

+5V

七段数码管显示器 10nF一个、10uF一个 四脚的四个，六脚一个

个数 1 1 1 3 1 1 6 1 10 1 1 2 5

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指导教师评语： 课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40％ 课程设计其它环节成绩： 环节名称： 原理设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 环节名称： PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 环节名称： 安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 总 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 本次课程设计负责人意见： 负责人签字： 年 月 日

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