課程設(shè)計任務(wù)書 題 目: 八路智力競賽搶答器設(shè)計 初始條件: - 教 材:《電子線路設(shè)計·實驗·測試》
- 元器件:74LS48三片,72LS192兩片,74LS279、74LS148、74LS00、74LS11、555各一片,數(shù)碼管三個,發(fā)光二極管一個,開關(guān)、電阻、電容若干,面包板,導(dǎo)線若干
- 仿 真:Proteus仿真軟件
要求完成的主要任務(wù): (包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求,以及說明書撰寫等具體要求) 基本功能: 1.設(shè)計一個智力競賽搶答器,可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽,他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7,各用一個搶答按鈕,按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng),分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 2.給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān),用來控制系統(tǒng)的清零(編號顯示數(shù)碼管滅燈)和搶答的開始。 3.搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動搶答按鈕,編號立即鎖存,并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號,同時揚聲器給出音響提示。此外,要封鎖輸入電路,禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。
擴(kuò)展功能: 1.搶答器具有定時搶答的功能,且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定。當(dāng)節(jié)目支持人按下“開始”按鈕后,要求定時器立即倒計時,并在顯示器上顯示,同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響,聲響持續(xù)時間0.5s左右。 2.參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答,搶答有效,定時器停止工作,顯示器上顯示選手的編號和搶答時刻的時間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 3.如果定時搶答的時間已到,卻沒有選手搶答,則本次搶答無效,系統(tǒng)短暫報警,并封鎖輸入電路,禁止選手超時后搶答,時間顯示器上顯示00.
課程設(shè)計的內(nèi)容要求用A4紙打印,且頁數(shù)不得少于20頁。 時間安排: 第20周理論設(shè)計、實驗室安裝調(diào)試 地點安排: 鑒主15樓通信實驗室一
指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日 系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日 摘要 在各種智力競賽場合,搶答器是必不可少的最公正的用具。 本次所設(shè)計的智力競賽搶答器可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽。電路由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成,分別由集成編碼器、計數(shù)器、鎖存器、定時器和必要的門電路等組成,其中主體電路的作用是完成主持人的控制系統(tǒng)清零與搶答開始功能以及完成參賽者的搶答并顯示其編號的功能,擴(kuò)展電路由控制電路,主要包括秒脈沖發(fā)生電路和定時電路,并且在設(shè)計中加入了報警電路,以提示選手和觀眾。 經(jīng)Proteus仿真軟件驗證搶答器原理圖無誤,可實現(xiàn)設(shè)計所要求功能。根據(jù)原理圖,在面包板上連接構(gòu)成實物。 目錄 八路智力競賽搶答器1 1 八路智力競賽搶答器的設(shè)計2 1.1 搶答器的功能要求 2 1.2 整體設(shè)計思路 2 1.3單元電路的設(shè)計 4 1.4 搶答器整體電路 14 2 電路仿真16 3 八路智力搶答器實物制作17 3.1 面包板的使用 17 3.2 電路板制作 19 4 元器件清單20 5 小結(jié)21 6 參考文獻(xiàn)22 附錄 八路智力競賽搶答器總圖1 本科生課程設(shè)計成績評定表1 指導(dǎo)教師簽字:1 年 月 日1 八路智力競賽搶答器 在各種智力競賽場合,搶答器是必不可少的最公正的用具。在我們各種競賽中我們也經(jīng)常能看到有搶答的環(huán)節(jié),某些舉辦方采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán),這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性,而搶答器的應(yīng)用就能避免這種弊端。隨著科技的飛速發(fā)展,能夠?qū)崿F(xiàn)搶答器功能的方式有多種,可以采用模擬電路、數(shù)字電路或模擬與數(shù)字電路相結(jié)合的方式以及利用微電腦芯片作為核心部件進(jìn)行邏輯控制及信號產(chǎn)生的單片機(jī)技術(shù)和C語言編程而設(shè)計的多路智力競賽搶答器。本設(shè)計將采用數(shù)字電路實現(xiàn)一八路智力競賽搶答器。
1 八路智力競賽搶答器的設(shè)計 1.1 搶答器的功能要求 基本功能:設(shè)計一個智力競賽搶答器,可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽,他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7,各用一個搶答按鈕,按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng),分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān),用來控制系統(tǒng)的清零(編號顯示數(shù)碼管滅燈)和搶答的開始。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動搶答按鈕,編號立即鎖存,并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號。此外,要封鎖輸入電路,禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 擴(kuò)展功能:搶答器具有定時搶答的功能,且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定。當(dāng)節(jié)目主持人按下“開始”按鈕后,要求定時器立即倒計時,并在顯示器上顯示,同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響,聲響持續(xù)時間0.5s左右。參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答,搶答有效,定時器停止工作,顯示器上顯示選手的編號和搶答時刻的時間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時搶答的時間已到,卻沒有選手搶答,則本次搶答無效,系統(tǒng)短暫報警,并封鎖輸入電路,禁止選手超時后搶答,時間顯示器上顯示00.
1.2 整體設(shè)計思路 根據(jù)對功能要求的簡要分析,將定時搶答器電路分為主題電路和擴(kuò)展電路兩部分。主體電路完成基本的搶答功能,即開始搶答后,當(dāng)選手按動搶答器按鈕時,能顯示選手的編號,同時能封鎖輸入電路,禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時搶答及報警功能。 比賽開始時,接通電源,節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清零”位置,搶答器處于禁止工作狀態(tài),編號顯示器滅燈,定時顯示器上顯示設(shè)定時間。當(dāng)節(jié)目主持人宣布“搶答開始”,同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置,搶答器處于工作狀態(tài),定時器開始倒計時。若定時時間到,卻沒有選手搶答時,系統(tǒng)報警,并封鎖輸入電路,禁止選手超時后搶答。若選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鈕時,搶答器要完成以下四項工作:1.優(yōu)先編碼器電路立即分辨出搶答者的編號,并由鎖存器進(jìn)行鎖存,然后由譯碼顯示電路顯示編號; 2.揚聲器發(fā)出短暫聲響,提醒節(jié)目主持人注意; 3.控制電路要對輸入編碼電路進(jìn)行封鎖,避免其他選手再次進(jìn)行搶答; 4.控制電路要使定時器停止工作,時間顯示器上顯示剩余的搶答時間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢時,主持人操作控制開關(guān),使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài),以便進(jìn)行下一輪搶答。 根據(jù)對功能要求的理解,設(shè)計了如下兩種方案。 
方案一系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 八路智力搶答器方案一設(shè)計框圖
方案一所示搶答器工作過程:該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連,將最先搶答的選手的編號鎖定,再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器,最后顯示的是搶答選手的編號,經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報警電路直接連接,所以顯示編號的同時可以發(fā)出報警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他部分電路通過門電路實現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報警部分電路的控制。

方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖2 八路智力搶答器方案二設(shè)計框圖 方案二所示搶答器的工作過程:主持人按動開始搶答的開關(guān)后,最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器,再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器,此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答,信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器,將最先搶答的該選手的編號顯示出來,并同時產(chǎn)生報警信號,到此完成的是搶答功能;如果沒有人搶答, 30秒減計數(shù)器減到00時也會發(fā)出報警信號,此是完成計時功能。 相比之下,第二種方案更好些。它的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面:這種方案原理比較簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成,不必用特別的芯片來組成控制電路;更容易實現(xiàn)報警提示功能,在有選手搶答后或者計時開始和結(jié)束時。既減少了布線使整個電路更直觀簡單,又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。
1.3單元電路的設(shè)計 1.3.1搶答電路設(shè)計 
搶答電路的功能有兩個:一是能分辨出選手按按鈕的先后,并鎖存優(yōu)先搶答者的編號,供譯碼顯示電路用;二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此,選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及譯碼顯示電路完成上述功能,其引腳圖及真值表如下圖所示。 圖3 74LS148引腳圖

表1 74LS148真值表
74LS148是一八線-三線優(yōu)先編碼器,該編碼器由8個信號輸入端,3個二進(jìn)制輸出端,輸入輸出均為低電平有效。EI為輸入使能端,低電平有效,當(dāng)EI為低電平時,編碼器處于工作狀態(tài);EO為輸出使能端,只有在EI=0,且所有輸入都為1時,輸出為0;GS表征編碼器的工作狀態(tài),當(dāng)且僅當(dāng)EI為低電平,且輸入至少有一各為有效電平時,GS才有效。 
因此,可根據(jù)EI、EO、GS功能擴(kuò)展端的特點,對電路進(jìn)行相應(yīng)控制。編碼器在搶答電路中功能是判斷搶答者的編號。 圖4 74LS279引腳圖 
74LS279是由4個RS鎖存器組成,且均為與非門構(gòu)成的RS鎖存器。其中,1S和3S有兩個輸入端,S1和S2均為相與的關(guān)系。本設(shè)計中,將S2均接高電平,僅利用S1控制輸出。其引腳圖如圖四所示,下表為SR鎖存器的功能真值表,值得注意的是S和R不能同時為高電平,否則輸出不確定。 表2 74LS279真值表 74LS48為七段顯示譯碼器。該集成譯碼器設(shè)有多個輔助控制端,以增強(qiáng)器件的功能。BI/RBO為滅燈輸入,當(dāng)BI=0時,所有字形熄滅。LT為試燈輸入,當(dāng)LT=0且RBO=1時,顯示字形為8,常用于檢測自身的好壞。RBI為動態(tài)滅燈輸入,當(dāng)LT=1,RBI=0且輸入均為0時,輸出均為低電平,數(shù)碼管“滅零”。其引腳圖和邏輯圖分別如圖5圖6所示,真值表如表3所示。

圖5 74LS48的引腳圖 圖6 74LS48的邏輯圖

表3 74LS48真值表
由真值表可以看出譯碼器74LS48輸出高電平有效,用以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連,共同構(gòu)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路,如圖7所示。共陰極數(shù)碼顯示器的功能表如表4所示。 
圖7 7448組成的四個輸入端的數(shù)碼顯示組合電路
圖8 7448產(chǎn)生的顯示數(shù)字
表4 共陰極數(shù)碼顯示器的功能表
根據(jù)各芯片功能及搶答器的功能要求,搶答器電路如下所示 
圖9 搶答器電路 工作原理:SW1-8為八位選手的搶答開關(guān),SW9單刀雙擲開關(guān)設(shè)為主持人控制開關(guān)。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于清零狀態(tài)時,RS觸發(fā)器的R端為低電平,輸出端全部為低電平。于是74LS48的BI為高,顯示器滅燈;74LS148的選通輸入端ST為高電平,74LS148處于工作狀態(tài),此時鎖存電路不工作。當(dāng)SW9置于開始狀態(tài),優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)。74LS279的1R、1S均為高電平,由真值表可知,輸出1Q為低電平,從而使74LS148輸入使能端為低電平有效,即搶答器處于等待工作狀態(tài)。若有選手(假設(shè)為3號選手)按動搶答開關(guān)(即閉合SW4),此時優(yōu)先編碼器74LS148輸入端I3接低電平有效,則輸出A2A1A0為100,A2A1A0分別接至4S、3S、2S,根據(jù)RS鎖存器真值表,2Q3Q4Q輸出分別為110,從而74LS48的輸入端DCBA為0011,經(jīng)74LS48譯碼,顯示器上顯示“3”。與此同時,當(dāng)74LS148輸入端有一個為低電平時,GS為低電平有效,即標(biāo)志譯碼器處于工作狀態(tài),從而使1S為0,此時1Q輸出為高電平,致使EI為高電平,74LS148處于禁止工作狀態(tài),其他選手搶答按鈕的輸入信號不會被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。搶答結(jié)束后,主持人開關(guān)置于清零狀態(tài),數(shù)碼管變灰,一切恢復(fù)初始狀態(tài),以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。
1.3.2 定時電路設(shè)計 設(shè)計要求搶答器具有定時功能,且節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度,可設(shè)定一次搶答的時間(設(shè)為30s)。設(shè)計中選用十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計,74LS192是具有置數(shù)和清零功能,其引腳圖和邏輯圖如圖10所示,真值表如表5所示。

圖10 74LS192引腳圖和邏輯圖 P0、P1、P2、P3——置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入; Q0、Q1、Q2、Q3——計數(shù)數(shù)據(jù)輸出; CR————————清零端; LD————————置數(shù)端; CPu ———————加法計數(shù)CP輸入; CPd ———————減法計數(shù)CP輸入; CO————————進(jìn)位輸出端; BO————————借位輸出端。 
表5 74LS192真值表 根據(jù)設(shè)計要求,需要兩片74LS192構(gòu)成100進(jìn)制減計數(shù)器。由功能真值表可知,只需將個位74LS192的借位輸出端BO與十位74LS192的CPd即可實現(xiàn)100進(jìn)制減計數(shù)。值得注意的是,要使其實現(xiàn)減計數(shù),CPu端口必須接高電平。 
計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成,如圖11所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。 圖11 多諧振蕩器 因為周期為一秒,所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是: t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C 所以555的3端輸出的頻率為: f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C] 我們采用的電阻和電容值分別是:RA=15KΩ,R2=68KΩ,C1=10uf,滿足上式,即得到的是秒脈沖。 
由以上集成芯片設(shè)計的定時電路如圖12所示。 圖12 定時電路 工作原理:首先主持人根據(jù)題的難易程度改變74LS192的輸入端D3D2D1D0的電平來確定搶答時間(假定為30秒),555構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路為計時電路提供脈沖。搶答開始前主持人閉合開關(guān),74LS192的置數(shù)端PL為低電平有效,處于置數(shù)狀態(tài),數(shù)碼管顯示定時時間。搶答開始,主持人打開開關(guān),計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài),555產(chǎn)生的秒脈沖與十位74LS192借位輸出端(其初始狀態(tài)為高電平)相與。計數(shù)器遞減計數(shù)至00,十位74LS192借位輸出端為低電平,計數(shù)器停止工作,產(chǎn)生報警。計時期間有人搶答,減計數(shù)器停止計時,顯示器上顯示此刻時間。
1.3.3報警電路設(shè)計 
由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖13所示。圖中555定時器用來構(gòu)成多諧振蕩器,其震蕩頻率和秒脈沖產(chǎn)生電路中頻率的計算方法相同。3端的輸出信號經(jīng)過三級管驅(qū)動揚聲器,發(fā)出報警信號。當(dāng)4端的輸入信號是高電平時,振蕩器工作,有報警信號,4端輸入低電平時,振蕩器不工作,沒有報警信號。也就是說需要報警時只需控制輸入端即可。 圖13報警電路
1.3.4 時序控制電路 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵,需要完成以下三項功能: a.主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時,揚聲器發(fā)聲,搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 b.當(dāng)競賽選手按動搶答鍵時,揚聲器發(fā)聲,同時搶答電路和定時電路停止工作。 c.當(dāng)設(shè)定的搶答時間到,無人搶答時揚聲器發(fā)聲,同時搶答電路和定時電路停止工作。 
本設(shè)計中采用門電路對控制開關(guān)、搶答電路、定時電路、報警電路進(jìn)行連接,以實現(xiàn)上述三項功能要求(如圖14所示)。 圖14 時序控制電路 
其中,兩輸入與非門采用74LS00,引腳圖如圖15所示。三輸入與門采用74LS11,引腳圖如圖16所示。電路中利用與非門兩輸入端相連實現(xiàn)非門的邏輯功能。

圖15 74LS00引腳圖 
圖16 74LS11引腳圖 工作原理:門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止,門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端。主持人控制開關(guān)從“清零”位置撥到“開始”位置時,74LS279的輸出1Q=0,經(jīng)G3反相,A=1,則從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPd始終輸入端,定時電路進(jìn)行遞減計時。同時,在定時時間未到時,74LS192的借位輸出端BO2為低電平,門G2的輸出ST為高電平,使74LS148處于正常工作狀態(tài),從而實現(xiàn)功能a的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鈕時,1Q=1,經(jīng)G3反相,A=0,封鎖CP信號,定時器處于保持工作狀態(tài);同時,門G2的輸出ST為低74LS148處于禁止工作狀態(tài),從而實現(xiàn)功能b的要求。當(dāng)定時時間到時,來自74LS192的BO2為高,ST為高,74LS148處于禁止工作狀態(tài),禁止選手進(jìn)行搶答。同時,門G1處于關(guān)門狀態(tài),封鎖CP信號,使定時電路保持00狀態(tài)不變,從而實現(xiàn)功能c的要求。
1.4 搶答器整體電路 通過控制電路將搶答、定時電路進(jìn)行連接后,構(gòu)成了搶答器電路的整體設(shè)計,總電路圖如圖17所示: 圖17 總電路圖 下面介紹八路智力競賽搶答器的使用原理。 首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7,搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零,將開關(guān)置于“清零”的位置,輸出低電平,分為兩路:一路與鎖存器的1R2R3R4R端相連,使輸出端1Q2Q3Q4Q為低電平,1Q所輸出的低電平經(jīng)與門反饋給74LS148的EI端子,編碼器不工作,因此搶答部分顯示器滅燈無顯示,實現(xiàn)了清零;另一路低電平輸出到計數(shù)器74LS192的LD端,而CR端也是低電平,所以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)。 接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間,此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74LS192的四個輸入端D、C、B、A的高低電平來進(jìn)行(例如要設(shè)定時間為30秒,就將十位的74192的D、C、B、A分別置位為0、0、1、1,而將各位的74LS192的D、C、B、A都置于0)。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后,輸出為高電平,此高電平有兩路方向:一路輸出到74LS192的LD端,使其處于高電平而開始減計數(shù);還有一路輸出到鎖存器的R端。 當(dāng)任意一個選手搶答時,例如3號搶答時,74LS148三號端子輸入低電平有效,此時GS為低電平有效,表征編碼器在正常工作。編碼輸出A2A1A0為100,與其對應(yīng)的4S3S2S為100,經(jīng)74LS279鎖存,4Q3Q2Q輸出為011,經(jīng)譯碼顯示編號為3。與此同時,1Q所輸出的高電平反饋回編碼器的是能輸入端,使其停止工作。此時,其他選手若再按動按鈕也無對應(yīng)輸出,這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。另一路,74LS148的GS端輸出電平由高變低,與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0,使得無脈沖抵達(dá)計數(shù)器74LS192的Down端。計數(shù)器停止工作,保持原來顯示不變,即實現(xiàn)了暫停減計數(shù)使其記錄搶答時間的功能。 若沒有選手按動按鈕,則74LS279輸出全為高電平,74LS148也輸出高電平,1Q端輸出低電平至74LS48的滅燈輸入RI/RBO端,使得信號經(jīng)74LS48到顯示器上時無顯示;若到定時部分計數(shù)器倒計時到00還無選手按動按鈕的話,十位74LS192的借位輸出端輸出高電平反饋回個位Down端,停止計數(shù)。 綜上所述,所設(shè)計的電路基本可以實現(xiàn)要求中的功能。
2 電路仿真 電路仿真采用Protues仿真軟件進(jìn)行的。Protues軟件可提供的仿真元器件資源:仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件;可提供的仿真儀表資源 :示波器、邏輯分析儀信號發(fā)生器、交直流電壓表電流表等。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機(jī)及外圍器件。因此,選用該軟件對搶答器各單元電路及整體電路進(jìn)行仿真。
圖18 搶答電路仿真 
計時電路仿真
圖19 計時電路仿真 
整體電路仿真
圖20 整體電路仿真
通過對各單元電路及總電路的仿真,驗證了設(shè)計電路的正確性。
3 八路智力搶答器實物制作 由于本設(shè)計使用芯片數(shù)量較多,管腳連線復(fù)雜,為避免在焊接過程中出現(xiàn)疏漏和錯誤,故在搶答器的制作時選擇用面包板完成。 3.1 面包板的使用 面包板是專為電子電路的無焊接實驗設(shè)計制造的。由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出,免去了焊接,節(jié)省了電路的組裝時間,而且元件可以重復(fù)使用,所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。 面包板圖21所示。插座板中央有一凹槽,凹槽兩邊各由65列小孔,每一列的五個小孔在電氣上相互連通。集成電路的引腳就分別插在凹槽兩邊的小孔上。插座上、下邊各一排(即X和Y排)在電氣上是分段相連的55個小孔,分別作為電源與地線插孔用。對于SYB-130插座板,X和Y排的1-15孔、16-35孔、36-50孔在電氣上是連通的。 
圖21 面包板結(jié)構(gòu)圖面包板插孔所在的行列分別以數(shù)碼和文字標(biāo)注,以便查對。 A.安裝分立元件時,應(yīng)便于看到其極性和標(biāo)志,將元件引腳理直后,在需要的地方折彎。為了防止裸露的引線短路,必須使用帶套管的導(dǎo)線,一般不剪斷元件引腳,以便于重復(fù)使用。一般不要插入引腳直徑〉0.8mm的元器件,以免破壞插座內(nèi)部接觸片的彈性。 B.對多次使用過的集成電路的引腳,必須修理整齊,引腳不能彎曲,所有的引腳應(yīng)稍向外偏,這樣能使引角與插孔可靠接觸。要根據(jù)電路圖確定元器件在面包板上的排列方式,目的是走線方便。為了能夠正確布線并便于查線,所有集成電路的插入方向要保持一致,不能為了臨時走線方便或縮短導(dǎo)線長度而把集成電路倒插。 C.根據(jù)信號流程的順序,采用邊安裝邊調(diào)試的方法。元器件安裝之后,先連接電源線和地線。為了查線方便,連線盡量采用不同顏色。例如:正電源一般采用紅色絕緣皮導(dǎo)線,負(fù)電源用藍(lán)色,地線用黑線,信號線用黃色,也可根據(jù)條件選用其它顏色。 D.面包板宜使用直徑為0.6mm左右的單股導(dǎo)線。根據(jù)導(dǎo)線的距離以及插孔的長度剪斷導(dǎo)線,要求線頭剪成45o斜口,線頭剝離長度約為6mm左右,要求全部插入底板以保證接觸良好。裸線不宜露在外面,防止與其它導(dǎo)線斷路。 E.連線要求緊貼在面包板上,以免碰撞彈出面包板,造成接觸不良。必須使連線在集成電路周圍通過,不允許跨接在集成電路上,也不得使導(dǎo)線互相重疊在一起,盡量做到橫平豎直,這樣有利于查線,更換元器件及連線。 F.最好在各電源的輸入端和地之間并聯(lián)一個容量為幾十微法的電容,這樣可以減少瞬變過程中電流的影響。為了更好地抑制電源中的高頻分量,應(yīng)該在該電容兩端再并聯(lián)一個高頻去耦電容,一般取0.01 ~ 0.047Uf的獨石電容。 G.在步線過程中,要求把各元器件在面包板上的相應(yīng)位置以及所用的引腳號標(biāo)在電路圖上,以保證調(diào)試和查找故障的順利進(jìn)行。 H.所有的地線必須連接在一起,形成一個公共參考點。
3.2 電路板制作 由于客觀條件限制,實物制作僅選擇了主體電路進(jìn)行制作調(diào)試,即搶答電路部分。 
首先,按照面包板的使用規(guī)則,將74LS148、74LS249及74LS48依次插在凹槽兩側(cè)。再將其余元器件(電阻、開關(guān)等)插入面包板。然后,按照搶答電路原理圖所示接線。接線過程中,應(yīng)注意面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu),有效使用其相通插孔,減少接線數(shù)量。制作過程中,由于主持人所用的控制開關(guān)插入面包板無法有效使用,因此,將其單獨焊接在電路板上。此外,制作時采用了USB供電的辦法以提供電路所需電源。實物如圖22所示。 圖22 搶答電路實物圖 4 元器件清單 下表為八路智力競賽搶答器整體圖所生成的元器件清單。各芯片的引腳圖、邏輯功能、真值表等均在前有相應(yīng)介紹。 表6 元器件清單 Resistors --------- 9 R1-R9 10k 1 R10 15k 1 R11 68k 1 R12 1k
Capacitors ---------- 1 C1 100n 1 C2 10u
Integrated Circuits ------------------- 3 U1-U3 74LS48 1 U4 74LS279 2 U5,U6 74LS192 1 U7 74LS148 1 U8 74LS00 1 U9 74LS11 1 U10 555
Diodes ------ 1 D1 LED
Miscellaneous ------------- 8 SW1-SW8 SW-SPST 1 SW9 SW-SPDT
5 小結(jié) 通過本次課程設(shè)計,不僅有效鞏固了本學(xué)期所學(xué)數(shù)電的相關(guān)知識,加強(qiáng)了對重要知識點的記憶和理解,還學(xué)會如何運用Protues仿真進(jìn)行仿真,以及如何使用面包板進(jìn)行實物制作,受益匪淺,現(xiàn)總結(jié)如下。 搶答器的設(shè)計在本學(xué)期數(shù)電實驗中操練過,因此對其并不陌生。但它的功能要求相對于數(shù)電實驗中的搶答器要更深一步,不僅添加了定時電路、報警電路,其時序控制電路也要比原先復(fù)雜。對于單元電路的設(shè)計,均較順利的完成。而本設(shè)計的難點在于時序控制電路的設(shè)計,如何在第一位搶答者搶答題目后讓編碼器停止工作;如何使計時電路在搶答后停止倒計時;如何讓定時電路和搶答電路同時清零。設(shè)計過程中,根據(jù)以往搶答器設(shè)計思路,及查閱相關(guān)資料,可運用74LS279的輸出1Q完成上述控制任務(wù)。從這一點,折射出自己在平時的學(xué)習(xí)中較死板,缺乏變通思考的能力。 在電路仿真的過程中,由于Protues操作相對較簡單,因此在仿真過程中較為順利。只有在總電路圖的仿真時,由于粗心大意,誤將兩個與非門連接成的非門輸入輸出接反,導(dǎo)致未出現(xiàn)相應(yīng)仿真結(jié)果,經(jīng)認(rèn)真排查電路,發(fā)現(xiàn)問題所在,更正,最終完成仿真任務(wù),從而驗證了電路圖的正確性。 在實物制作過程中,由于第一次接觸面包板,對面包板的結(jié)構(gòu)及相關(guān)注意事項不十分了解,經(jīng)查閱相關(guān)資料,對其有了一個大致的了解。但在整體布局及相通插孔的有效利用等方面,還需進(jìn)一步加強(qiáng)。由于芯片較多,接線較為復(fù)雜,因此,只完成了搶答電路的制作。在連線過程中,較為細(xì)心仔細(xì),無大的失誤,也使后續(xù)的錯誤排查提供了方便。對于電源,在制作中,運用了USB為電路提供電源。 通過本次實踐操作,也讓我深刻明白:只有將課本上的理論知識,結(jié)合實踐不斷練習(xí),不斷總結(jié)提煉,反復(fù)思考實踐中的經(jīng)驗教訓(xùn),才能夠真正消化為自己的知識。
附錄 八路智力競賽搶答器總圖 |