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《數字邏輯電路》實訓報告 專 業： 自動化 學生姓名： 學 號： 指導教師： 多路智力競賽搶答器的設計與制作 1 整機設計 1.1 設計要求 設計一個8位智力競賽搶答器 1.1.1設計任務 設計一個多路智力競賽搶答器，可以同時供八位選手進行搶答使用，并且具有清零作用，主持人一鍵按下即開始工作。 1.1.2性能指標要求 （1）設計一智力搶答器，供八個選手參加比賽，編號為 1 到 8，按鍵分別為S1-S8。 （2）設置一個主持人開關，用來控制搶答開始和系統清零。 （3）搶答器具有數據鎖存與顯示功能。當搶答開始后，有選手按動按鈕時，鎖存相應的編號，并在數碼管顯示搶答選手的編號，蜂鳴器報警響起，此時，封存輸入電路，禁止其他選手進行搶答，維持到主持人按下控制開關將系統清除為止。即可進行下一輪搶答。 1.2 整機實現的基本原理及框圖 1.2.1基本原理 從通電接口接上電源后，當主持人把開關撥到清除狀態，EI=1，74LS148芯片不工作，CD4511的BI端為低電平，消隱功能有效，則使輸出端全為0，數碼管滅；當主持人把撥碼開關撥到另一邊時，搶答開始，優先編碼器工作，即74LS148芯片工作，8位選手可通過8個按鍵進行搶答，當最快的選手按下按鍵時，74LS148的GS端輸出為0，進入到74LS279的第四個RS觸發器時，輸出的4Q為1，即返回到74LS148的EI端也為1，此時74LS148進入鎖存狀態，74F86的2腳變成為1與1腳的1經過異或門輸出為0，進而PNP管導通，蜂鳴器響起，其他選手按下均無效；LED2燈亮起，74LS148輸出給74LS279的三個RS觸發器，進而輸出響應的電平，經過74LS27芯片或非門，進而輸出相應的電平值到CD4511芯片，CD4511芯片的BI端為高電平，此時LT端為高電平，LE端為低電平，4511譯碼器工作進而輸出編碼，使得數碼管顯示相應的選手號碼。以此類推，均可顯示1-8號選手。 1.2.2總體框圖 2 各功能電路實現原理及電路設計 2.1 電源電路電路 2.1.1電源電路設計 2.1.2電源電路實現原理 CON2接口為電源輸入端，用來接5V電壓輸入，接著接個LED燈和電阻進行串聯，LED燈亮指示是為了顯示電路是否在供電狀態，電阻起分流作用。 2.2 搶答信號輸入電路 2.2.1搶答信號輸入電路設計 2.2.2搶答信號輸入電路實現原理 搶答信號輸入由按鍵和電阻組成多路輸入的電路，初始狀態按鍵是沒按下的，即為高電平狀態，當按鍵按下時，輸入的信號為低電平。電阻起限流作用。 2.3 優先編碼器電路 2.3.1優先編碼器電路設計 2.3.2優先編碼器電路實現原理 優先編碼器使用74LS148芯片，由8個信號輸入端，3個信號輸出端，2個使能端，1個片優先編碼輸出端構成，EI為使能輸入端，當IE=0時，優先編碼器處于工作狀態；E0為使能輸出端，當且僅當EI=0時，且0-7輸入都為1，EO輸出為0；GS為片優先編碼器輸出端，它在允許編碼(IE=0)，且有編碼輸入信號時為0，在允許編碼而無編碼輸入信號時為1，在不允許編碼(IE=1)時，它也為1；0-7為輸入端，進行取反送到A2，A1，A0端，即圖上的C，B，A端。  74LS148的真值表如圖： 2.4數據鎖存電路  2.4.1數據鎖存電路設計 2.4.2數據鎖存電路實現原理 數據鎖存電路使用74LS279芯片，由四個RS觸發器構成，其中兩個RS觸發器有兩個S輸入端。假設選手1號搶答后，74LS148輸出的譯碼為000，送到芯片74LS279后，輸出1Q，2Q，3Q為111，進而通過74LS27的或非門傳送到CD4511芯片，4Q輸出的是1，返回到74LS148的EI端，此時74LS148芯片停止工作，進入鎖存狀態，其他選手按下無效。 74LS279芯片的真值表如圖： 2.5主持人控制電路  2.5.1主持人控制電路設計 2.5.2主持人控制電路實現原理 主持人控制電路由1個撥碼開關和電阻構成，當撥碼開關撥到“清零”端（接地）時，實現清零作用，當輸入低電平時，Q端輸出高電平；當輸入高電平是，Q端輸出保持原來狀態。控制異或門，使蜂鳴電路進行。 2.6蜂鳴報警電路  2.6.1蜂鳴報警電路設計 2.6.2蜂鳴報警電路實現原理 蜂鳴報警電路由74LS86芯片，電阻，S8550三極管和蜂鳴器構成，當74LS86的異或門電路，輸入相同的信號時，輸出為低電平，此時，三極管導通，蜂鳴器響起，輸入相異的信號時，輸出為高電平，此時，三極管不導通，蜂鳴器不響。  74LS86芯片內部構造和真值表如圖： 2.7譯碼器電路和數碼管顯示電路  2.7.1譯碼器電路設計 2.7.2譯碼器電路和數碼管顯示電路實現原理 譯碼器電路使用的是CD4511芯片，其起到的作用是鎖存，7段譯碼及驅動器，A，B，C,D為二進制碼輸入端，A為最低位；LT 為燈測試端，加低電平時，顯示器一直顯示數字“8”，數碼管每段都被點亮，目的是檢查顯示是否存在故障，當加高電平時，正常顯示數字；BI端為消隱端，當加高電平時，正常顯示，當加低電平時，進入消隱狀態。  CD4511芯片的真值表： 顯示電路由數碼管和LED燈構成，當搶答成功時，數碼管顯示，LED燈點亮。 3 制作與調試過程 3.1 制作過程 （1）通過查找書的知識以及上網查詢各個芯片的資料，進而學習原理 （2）拿到器件時，測量器件的大小，從而修改封裝，進而畫原理圖及PCB圖 （3）轉印PCB到銅板上，必須確保全部線路均印在銅板上，如果線路的碳墨淺則用黑色的馬克筆描一遍；接著進行腐蝕，腐蝕不能太久，以免腐蝕性太強把線路給腐蝕了；打孔，用1.0打孔針進行打孔；打好孔后進行涂抹松香，避免銅板上的線路被氧化從而導致導電性不好等現象；等松香干后可進行焊接，焊接時應避免虛焊等現象。 3.1 調試過程 （1）接通電源，芯片的工作電壓在5V左右，應接通5V電源，觀察電源指示燈是否點亮。點亮說明供電正常。 （2）將按鍵逐個按下，是否顯示相應的數字，若顯示相應的數字，說明功能正常。 （3）檢查三極管是否焊接正確，這是報警電路的關鍵位置。 4 電路測試 將器件焊接在板子后，接通電源，電源指示燈亮起，按下按鍵時，只有另一個只是燈亮，蜂鳴器一直響，我看回我畫的原理圖，發現數碼管插反了，更正后，1-8的數字都出來了，但是蜂鳴器還是一直響的狀態，研究了一下電路，將原理圖的蜂鳴器電路的三極管的管腳顯示出來，對應著PCB的焊盤號進行插入，進行調試，功能正常。當按鍵按下時，數碼管顯示，燈亮起和蜂鳴器響起，主持人控制清零端實現。 4.1 測試儀器與設備 （1）5V直流電源 （2）數字萬用表一臺 4.2 功能測試 （1）接電后，電源指示燈亮起。 （2）測試8個選手，對應顯示的數字及蜂鳴器功能可以正常工作。 （3）清零時，數碼管不顯示，指示燈滅。 5 實訓結論 開題后，我認真聽了老師講的原理，回去后上網查詢各個芯片的電路作用，先將原理弄明白，然后進行繪制原理圖，在繪制原理圖的過程中，測量實物元器件進行修改封裝，完成后再進行畫原理圖，畫好后并核對幾遍，沒錯誤后，導入了PCB，進行畫質PCB連線。線路有點亂，如果采用自動布線，會把線布的很密，并不美觀，所以我采用手動布線，先粗糙的連線， 整體連完后，再進行修改線路的整潔，美觀等情況，盡量把跳線縮得最短，以免跳線過長影響電路； 畫好PCB后進行打印PCB，到板房的熱轉印機轉印到PCB上，先用砂紙磨光銅板，將表面的氧化銅抹掉，印上去的效果最佳，背面也得磨光亮，這樣在腐蝕的時候腐蝕干凈，轉印一遍后，先讓它冷卻一會，使轉印紙上的溶膠粘到銅板，繼續進行第二遍轉印，確保所有線路都轉印到銅板上，接著進行腐蝕，打孔，焊接等操作，因為之前經過一次模電實訓后，這些操作都已經熟悉了，做起來會比較快，第一次做的時候，比較慢，怕有個環節沒做好就得重做，我覺得畫PCB時，布局布線是做電路板實現功能的關鍵點，畫得好，功能一下子出來，若沒畫好，要調試好久才出來。 在調試的過程中，我發現了一個存在的潛在性問題，就是我的功能一開始是不能通正常進行的，仔細查看原理圖和與同學的交流，發現是需要一個瓷片電容103電容，講該電容的一個角鏈接到148芯片的14角然后另一端接地就能實現搶答功能。 進一步學習了芯片的功能作用及各個管腳的作用，我覺得最主要的是在做實訓的過程中找到問題的解決辦法，這才是我最終的目的，而不是單單只是做一塊板子，這樣往往讓自己的學習機會減少了，并且鍛煉了自己的自學能力，獨立思考能力，遇到很多問題，但從這些問題中找到解決辦法時，我頓時心情愉悅，這種感覺確實很好。 功能調試好后，等到驗收時間，去驗收，老師問問題，當時我心里有點小緊張，每次驗收時回答問題都會有點小緊張，畢竟，這是隨機應變能力的體現，每次驗收都是一種鍛煉應變能力的機會，問了兩個問題，第一個問題是：二極管的作用，這個還算簡單，我從容應對，第二個問題是：27芯片的作用是什么？我看著原理圖將輸出端的輸出推了出來；第三問題是：三極管的c端如何讓蜂鳴器響起，是通過輸入高電平還是低電平？我回答高，但是是錯的。但是老師告訴了我原因，并且掌握了這個知識點。當這一過程，再次鍛煉自己的應變能力。 每一個實訓，都能讓我學習很多知識和提高各種能力，提高了動手操作能力，學習了許多數字邏輯電路的相關知識，例如RS觸發器等，讓自己的思維能力得到了提升，想東西也會考慮得周全，每一步都得謹慎，不能出任何差錯，否則會引起很多不必要的麻煩。 參考文獻 [1] 江國強、易藝等編著.新編數字邏輯電路習題、實驗與實訓（第2版）[M].北京：北京郵電大學出版社,2013. [2] 江國強編著.新編數字邏輯電路（第2版）[M]. 北京：北京郵電大學出版社,2013. 附 錄
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