11 电动 4班-201147134-张义帅

1、郑州科技学院数字电子技术课程设计题 目 四路抢答器 学生姓名 张义帅 专业班级 电气工程及其自动化四班 学 号 201147134 院 （系） 电气工程 指导教师 王继红 完成时间 2013年 12 月 20 日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求12.1 设计的任务12.2设计要求13 设计方案与论证23.1 设计方案23.2 方案论证34 设计原理及功能说明35 单元电路的设计（计算与说明）45.1抢答电路45.2 锁存器电路的设计56硬件的制作与调试96.1仿真调试与分析96.2 PCB板的制作与分析106.3 电子焊接107 总结12参考文献14附录1：总体电路原理图1

2、5附录2： 实物图16附录3：元器件清单17郑州科技学院数字电子技术课程设计任务书 专业 电动 班级 四班 学号 201147134 姓名 张义帅 一、设计题目 四路抢答器 二、设计任务与要求1.抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S0 S3表示。2.设置一个系统清除和抢答控制开关S5，该开关由主持人控制。 3.抢答器具有锁存与显示功能。三、参考文献1 江晓安，董秀峰. 数字电子技术. 西安：西安电子科技大学出版社，20082 王毓银. 脉冲与数字电路（第3版）. 北京：高等教育出版社，19993 谢自美. 电子线路设计、实验、测试，第二版. 武汉：华中科技大学出版社，2000

3、四、设计时间 2013 年 12 月 16日 至 2013 年 12 月 20日 指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日1 课程设计的目的 1. 设计一个四路抢答器；2、掌握对数字逻辑电路的设计与分析；3、掌握对学过的常见的数字芯片的应用；4、掌握集成电路的测试方法各种工作原理；5、掌握对数字电路中出现故障的分析方法；6、培养根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力.2 课程设计的任务与要求2.1 设计的任务 设计一台可供四名选手参加比赛的抢答器。选手抢答时，发光二极管显示的情况与相应的组号相同。另外，1、巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学

4、知识的能 力。 2、养成根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能 力。 3、通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件、电路组装、调 试和检测等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 4、学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高学生动手能力和进行数字电子电路实验的基本技能。2.2设计要求 基本要求： 1、独立完成自己的设计，原理性的可以参考一些课外资料。 2、力求做到电路应尽量简单可靠。 3、应尽量减少原器件的种类。 4、要尽量增加电路的功能。 5、通过对不同方案的比较，选择比较适合你的设计思路的方案。 6、要尽量用应所学过的知识进行设计和

5、分析。 7、对设计过程中所遇到的问题，包括判定元器件的好坏，要自己进行分析和解决，必要时再请教老师。 抢答器是一种具有优先输出的电子电路。它的基本功能是，在四组参赛的 情况下，首先抢答者发出抢答信号，此时其他参赛组的抢答电路即失去控制作 用。在优先抢答者解除抢答信号后，电路才自动恢复到各组又可均等抢答的状 态中。 （1）四名选手编号分别为：1，2，3，4。每人各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号分别一一对应，也分别为：1，2，3，4。 （2）设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制。 （3）抢答开始后，当某位参赛者按下抢答开关时，若有任何一位选手按动抢答按钮，则相对应的发光二极管

6、开始发亮。同时，抢答器不再接收其他输入信号。抢答选手的编号与其对应的发光二极管一直保持发亮至到主持人将系统清除零为止，该选手及其相对应的发光二极管熄灭。 （4）在复位状态下发光二极管不作任何显示（灭灯）。 利用本次设计出的电路制成的抢答器，既可以实现在4人或4个代表团对之间进行的抢答比赛中进行控制，也可以使得这一活动更加趣味，公平。3 设计方案与论证3.1 设计方案当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手相对应的发光二极管发亮。此后选手输入被锁住，如果主持人不按下复位键则发光二极管不作任何显示。其他选手就无法抢答，至此抢答成功。之后主持人按下开关，所有

7、的显示及工作状态回到初始状态 采用JK触发器74HC112，四输入与非门，五个开关，发光二极管及若干电阻。另加电源组成抢答器。当有人抢答时，及当有人按下抢答开关后，用低电平锁住JK触发器，当使用清零开关后才允许下次抢答。 方案一、对照下面原理框架图，各个主要的部分选用对应功能的芯片进行设计，如果在仿真时没能找到相应的芯片则用相近的。电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。 案二、对照框架图，选用各种逻辑站以及相关的逻辑函数进行设计，编号进直接把锁存器的输出转化8421BCD码，并通过逻辑函数表达式的方式输入到显示译码器中让其显示出来。电路稍显复杂，但功能较完善。通过比较可以得出方案一更可行，理

8、由在于芯片组上集成的功能要强大些，且用的元器件的数目会相对少一些这样会更美观而且不容易出错。方案二电路比较完善，但成本较高，而本课题要求四路抢答，方案一电路简单成本低，性价比高，能够满足课题要求，故采用方案一设计。3.2 方案论证 抢答器的组成方框图为： 4 设计原理及功能说明 基本思路：要实现设计一个四路竞赛抢答器，当然要求有屏蔽功能，还要有各组独立的灯光显示， 控制触发：各组抢答的过程可以利用触发器，因为抢答是一个瞬态过程，可以用常开开关的瞬态过程来控制触发器的CP，也可以用常开开关控制输入端，再加上门电路的控制返回来控制实现屏蔽，使其他人抢答无效。 灯光显示：各组独立的灯光显示，当最先抢

9、答的一组触发触发器的输入端，通过适当的门电路使发光二极管发光。通过观看哪组发光二极管发亮，从而可判别最先抢答的组别，由于屏蔽作用使得其他组别抢答无效，因此其他组别的灯光也不能显示，基本要求满足。 设计原理：4个JK触发器组成的第一信号鉴别电路如图5-27所示，用以判别S2-S5送入的4个信号中，哪一个信号最先到达。其工作过程如下：开始工作前，先按复位开关S1,4个触发器都被置0，J=K=1，发光二极管不发光，4个触发器处于接受信号的状态，在S2-S5的4个开关中，如S2被按下，则触发器由U1A首先由0状态翻转到1状态，一方面是发光二极管LED1发光，同时使其余的3个触发器都执行保持功能，因此，

10、在S2被按下后其他3个开关S3-S5任何一个在按下时，触发器的状态不会改变，扔为0状态，发光二极管LED2-LED4不发光，所以根据二极管的发光可以判断是S2被按下。 原电路总图： 5 单元电路的设计（计算与说明）5.1抢答电路 该电路的根本任务是准确的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和锁存器等。在得到第一信号后应立即将电路的输入封存，即使其他组再次发入抢答信号也是无效。同时还应注意，第一抢答信号应在主持人清零之后才会有效。一是当电路形成第一抢答信号之后，则该组的发光二极管发亮，显示出该组，并锁存优先者信号。二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于清除端时，J

11、K触发器的 端均为，个触发器输出置，使74HC112的 ，使之处于工作状态。当开关S置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时，74HC112的输出 经JK锁存后，1Q=1, =1,74HC112处于工作状态，对应的发光二极管发亮。使74HC112 0，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。如有再次抢答需由主持人将开关重新置?清除然后再进行下一轮抢答。 抢答电路图 5.2 锁存器电路的设计 锁存器电路采用以74HC112为中心的锁存器系统，当四个抢答输入端中出现低电平输入信号时，锁存器立即锁存，禁止抢答。 5.21 74HC112的简述如下： 清除和预置端的高速带CMOS双JK负沿触发

12、器74HC112 外引线排列见图 JK触发器74HC112： （1）复位、置位功能将触发器芯片的一个J端，一个K端、RD和SD端各接到实验箱的一个“0”、“1”电平开关上(其余J，K端浮空)，CP接到实验箱的常1单次脉冲按钮开关上，Q和Q各接到一个电平指示灯上。接通芯片电源。操作电平开关，完成下表规定的实验内容。注意，在做表中第5行实验时，先将RD和SD接到同一个“0”、“1”电平开关上。操作完成后恢复原来的接线。记录时对第35行可作简要的文字说明。 RD SD J K CP Q Q 1 1 0 0 74HC112复位、置位功能 （2）逻辑特性接线同1。操作电平开关和单次脉冲按钮开关，完成下表

13、规定的实验内容，其中Qn状态通过操作RD和SD的电平开关实现。实验时注意这些开关的操作顺序，并观察Qn+1的出现对应CP脉冲的哪一个边沿(上升还是下降沿)，作好记录。 74HC112逻辑功能RDSDJKCPQnQ n+11100 0110 0 111 01011011 111001110111110 111115.22 74HC20简述如下： 简要说明 20为两组4输入端与非门（正逻辑），共有54/7420、54/74H20、54/74S20、54/74LS20四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下： 74ls20是常用的双4输入与非门集成电路，常用在各种数字电路和单片机系统中，它的cmo

14、s版本是 74hc20 74LS20功能表 这个74ls20芯片的功能很简单，就是内含两组4输入与非门 第一组：1,2,4,5输入6输出 第2组：9,10,12,13输入8输出TTL系列74LS20引脚图 74LS20真值表 A B C D Y 1 1 1 1 0 0 X X X 1 X 0 X X 1 X X 0 X 1 X X X 0 1 74HC20,74ls20测试:只要通过对输入1111,0111,1011,1101,1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常。6硬件的制作与调试 6.1仿真调试与分析本次设计的仿真我采用了MATLAB仿真软件做的，我试过其他的软件但是这个软件能比

15、较直观地看出来每一个输出输入量是高电平还是低电平，而且连起线来也相对比较简单，最好一点是两个端口之间不一定要用线连而使用相同的网络标号（即相同的名字）就相当于把线连了起来。调试过程中出现了没办法锁住选手输入而且有时候输出信号不稳定，还有计时不停等一系列问题，通过不断地观察每一个的输入输出还有查每个芯片的针脚来一次次地改进，比如加一个什么门，加一个开关等，都有可能解决比较难搞的问题。 仿真电路图 6.2 PCB板的制作与分析当作品完成后，我们首先进行各种各样的检测。实践证明一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，在测试的过程中也难以达到预期的效果。根据此完成的电路图，印刷出电路板，进行电路

16、板的腐蚀，打孔，上元器件等一系列的工作，后得到了计的电路板。在PCB板的制作中要注意许多细节问题，例如元器件的摆放，及线路布置，腐蚀的时间控制，焊接时不能熔断电路板的线路等等。若有细小的不注意，就会使得印刷出的电路板出现问题，所以在此过程中我们特别细心。一旦出现问题就会使得打出的空的大小与元器件的大小不相符合，在电路板上修改会造成许多不必要的麻烦，最后会因为不清楚元器件的焊接点，使得整个电路报废。其它方面的问题，自己在制作过程中也得注意，这样才能让电路更加完善，减小错误出现的概率。经过认真处理后，得到实物图。 根据原理，发现问题，找到解决问题的方法，发现元器件的选择规格不够精确。过反复调试后，

17、采取有效的措施加以改进使装置达到预定的技术指标。经调试试验后，发现该作品基本能达到预期效果。 PCB板图6.3 电子焊接 在电子制作中，元器件的连接处需要焊接。焊接的质量对制作的质量影响极大。所以，学习电于制作技术，必须掌握焊接技术，练好焊接基本功。 焊接工具：电烙铁。电烙铁是最常用的焊接工具。我们使用20W内热式电烙铁。新烙铁使用前，通电烧热，蘸上松香后用烙铁头刃面接触焊锡丝，使烙铁头上均匀地镀上一层锡。这样做，可以便于焊接和防止烙铁头表面氧化。旧的烙铁头如严重氧化而发黑，可用钢挫挫去表层氧化物，使其露出金属光泽后，重新镀锡，才能使用。电烙铁要用220V交流电源，使用时要特别注意安全。应认真

18、做到以下几点：1电烙铁插头最好使用三极插头。要使外壳妥善接地。2使用前，应认真检查电源插头、电源线有无损坏。并检查烙铁头是否松动。3电烙铁使用中，不能用力敲击。要防止跌落。烙铁头上焊锡过多时，可用布擦掉。不可乱甩，以防烫伤他人。4焊接过程中，烙铁不能到处乱放。不焊时，应放在烙铁架上。注意电源线不可搭在烙铁头上，以防烫坏绝缘层而发生事故。5.使用结束后，应及时切断电源，拔下电源插头。冷却后，再将电烙铁收回工具箱。 焊接操作步骤: （1）從烙鐵架上拿出電烙鐵，以45度靠緊焊接面進行預熱； （1）从烙铁架上拿出电烙铁，以45度靠紧焊接面进行预热； （2） 然後將焊錫絲同時伸向被焊的元件腳及焊盤，一起

19、接觸被焊處； （2）然后将焊锡丝同时伸向被焊的元件脚及焊盘，一起接触被焊处； （3） 焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與元件腳，當焊點上的焊錫成圓錐形時即抽離焊錫絲（應控制焊錫絲的熔化量不能過多，以免造成浪費； （3）焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与元件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝（应控制焊锡丝的熔化量不能过多，以免造成浪费； （4） 在焊錫完全熔化後，移去烙鐵頭。 （4）在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。 如焊錫過多，可把烙鐵頭上的焊錫甩乾淨，然後不用焊錫絲或極少量的焊錫絲重焊一遍，移去時正好吸去多餘的焊錫；如焊锡过多，可把烙铁头上的焊锡甩干净，然后不用

20、焊锡丝或极少量的焊锡丝重焊一遍，移去时正好吸去多余的焊锡； （5） 如果焊點有連焊，也應將焊錫線（其中有助焊劑）與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化後，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側放著向下移走，吸去多餘的焊錫； （5）如果焊点有连焊，也应将焊锡线（其中有助焊剂）与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡； （6） 如果要用電烙鐵去除焊盤孔中的錫（ 即挑孔），應該將印製板拿高，把烙鐵頭置於比印製板低的位置，將烙鐵頭在焊盤孔上擦幾下，可以將焊盤孔中的焊錫吸流到烙鐵頭上去。 （6）如果要用电烙铁去除焊盘孔中的锡

21、（即挑孔），应该将印制板拿高，把烙铁头置于比印制板低的位置，将烙铁头在焊盘孔上擦几下，可以将焊盘孔中的焊锡吸流到烙铁头上去。 如果印製板較小，可以用烙鐵將焊盤上的錫熔化， 然後迅速開烙鐵，將印製板在工作台上輕敲一下，使焊盤上的熔錫振落；如果印制板较小，可以用烙铁将焊盘上的锡熔化，然后迅速开烙铁，将印制板在工作台上轻敲一下，使焊盘上的熔锡振落； （7） 將烙鐵頭上的多餘焊錫甩在廢錫盒中，再將電烙鐵插入烙鐵筒中。 （7）将烙铁头上的多余焊锡甩在废锡盒中，再将电烙铁插入烙铁筒中。 （8） 正常焊接時，電烙鐵與平面應保持角度是45度。 （8）正常焊接时，电烙铁与平面应保持角度是45度。 （9） 手拿錫

22、線時，錫線頭長度應留出3- 5CM。 （9）手拿锡线时，锡线头长度应留出3- 5CM。 （10）焊點的標準是：焊點呈錐形，焊錫要適量，表面有光澤，光滑，清潔等。 （10）焊点的标准是：焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。 （11）常見的不良焊點有：虛焊，假焊，漏焊，錫球，錫尖等。 （11）常见的不良焊点有：虚焊，假焊，漏焊，锡球，锡尖等。 （12） 烙鐵尖上有錫渣時在焊錫棉上擦掉，焊錫棉要清洗乾淨，使用時要保持濕潤。 （12）烙铁尖上有锡渣时在焊锡棉上擦掉，焊锡棉要清洗干净，使用时要保持湿润。 （13） 烙鐵使用後必須放在烙鐵架上，不充許傳遞，防止意外燙傷。 （13）烙铁使用后必

23、须放在烙铁架上，不充许传递，防止意外烫伤。 （14） 元件腳突出線路板太短會導致錫球或焊。 （14）元件脚突出线路板太短会导致锡球或焊。 （15） 排焊時，要把握用錫量，速度要快，拖到最後點應還有助焊劑。 （15）排焊时，要把握用锡量，速度要快，拖到最后点应还有助焊剂。 （16） 防止不良焊點的發生除要正確有焊接技術外，還應注意待焊接面必須是清潔的，如發現待焊接面不潔淨，必須先處理光亮後，方可重焊。 （16）防止不良焊点的发生除要正确有焊接技术外，还应注意待焊接面必须是清洁的，如发现待焊接面不洁净，必须先处理光亮后，方可重焊。7 总结 时光匆匆而过，一周转眼即逝。在过去的这两周时间里，原本以为

24、会比较轻松的设计任务却让我觉得有点措手不及。虽然困难重重，但是在遇到的各种问题中，我学会的耐心，也学会了坚持，也学会了以前掌握不太牢固的数电和模电知识收获颇丰。 在这次电子创新设计中，我们小组的题目是电子幸运轮盘。设计的时候并不顺利，芯片的选择和电路的接法对于我 这种从来没有实际操作过的学生还是有一定难度的。经过我们大家的集体 讨论后，我们还是把最终的电路图设计了出来。这让我充分体会到了团队了力量，团结才能让大 家把事情干好。一个人的力量始终太渺小，集思广益才能让我们进步得更快，让我们学习到更多知识。最让我头疼的是在 实际操作过程中，我们经常会因一个小失误，比如线接错了，有的线没有接上等等问题让实验板的灯无法亮起来。这些都是让我始料未及的。由于不细心的地方太多，老