24秒倒计时设计报告

篮球比赛24秒倒计时论文
I
电子线路设计
报告
题 目: 篮球比赛24秒倒计时 院 （系）： 机械与电子工程学院 班 级： 09应用电子技术2班 学生姓名：杨海斌 何鹰飞 冯国洪 时 间： 2011-4-4
篮球比赛24秒倒计时论文
摘要
本电路主要有五个模块构成：秒脉冲发生器、计数器、译码器、显示电路、控制电路和报警电路，主要采用555 作为振荡电路, 由74LS192、74LS48、74LS90 和七段共阴LED 数码管构成计时电路, 具有计时器直控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。

当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时，报警电路发出光电报警与蜂鸣信号。

关键词：计数器；24秒倒计；译码显示电路；控制电路；光电报警电路
Abstract
The circuit has five main modules: pulse generator, counters, display decoder circuit, control circuit and alarm circuit is mainly used as an oscillator circuit 555 by the 74LS192, 74LS48，74LS90and a total of Seven-Segment LED digital tube Yam constitute a time circuit, Direct control circuit has a timer counter to start counting direct control, pause / row count, the display of display circuit decoding functions. When the control circuit to open the closure of the home several time, digital tube display in figure 24, every time 1 seconds pulse signal input to the counter, the digital tube will automatically reduce the number of 1, decreasing to zero when the timer and alarm circuit issued photoelectric alarm signal and the buzz.
Key words: counter; 24 seconds counter; decoding display circuit; control circuit; alarm circu
II
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目录
前言 (1)
1、总体设计要求、思路、基本原理和框图 (2)
1．1设计要求 (2)
1. 2设计思路 (2)
1. 3基本原理 (3)
1. 4总体设计框图 (3)
1.5设计方案 (4)
1.5.1方案的比较 (4)
2、单元电路设计与论证、理论分析与计算（各单元电路图） (5)
2 .1主要芯片的用法和功能 (5)
2.1.1 555定时器 (5)
2.1.2 芯片74LS192 (6)
2.1.3 芯片74LS90 (8)
2.1.4 芯片74LS48 (9)
2 .2单元模块 (11)
2 .2 .1 信号发生电路 (11)
2 .2 .2 倒计时电路 (11)
2 .2 .3停止控制电路 (13)
2 .2 .4 警报提示装置 (13)
3.总设计（总电路图） (14)
4、电路仿真、安装、及测试方法与仪器 (15)
4.1 电路仿真 (15)
4.2 电路安装 (16)
4.3 电路的测试方法 (16)
4.3.1数字电路逻辑电平的测量 (16)
4.3.2测量电路重要波形 (16)
4.3.3整机性能测试 (17)
5、电路改进 (17)
6、总结 (18)
8、元件清单 (18)
参考文献 (19)
I
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前言
电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。

在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。

在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。

本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。

一旦球员的持球时间超过了24秒，它自动的报警从而判定此球员的违例。

本设计主要能完成：显示24秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；计时器为24秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。

整个电路的设计借助于Multisim、Proteus 7 Professional仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在Multisim、Proteus 7 Professional下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

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1、总体设计要求、思路、基本原理和框图
1．1设计要求
1．24秒计时器具有显示24秒的计时功能。

2. 七段数码管显示时间
3．系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动、暂停/连续功能。

4．设计器为24秒递减时时,其计时间隔为1秒。

5．当计时器递减到零时，数码显示器不能灭灯，应发出光电报警信号。

1. 2设计思路
本设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。

此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。

此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。

本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的实用价值。

篮球竞赛记时系统的主要功能包括：进攻方24秒倒计时和计时结束警报提示。

攻方24秒倒计时，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从24逐秒倒数到00。

这一模块主要是利用双向计数器74LS192来实现；警报提示：当计数器计时到零时，给出提示音。

这部分电路主要通过移位寄存器和一些门电路来实现。

此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。

在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。

此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示、报警为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。

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1. 3基本原理
24秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。

它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）等五个模块组成。

其中计数器和控制电路是系统的主要模块。

计数器完成24秒计时功能，而控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。

秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。

译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成。

报警电路在实验中可用发光二极管和鸣蜂器代替。

主体电路： 24秒倒计时。

24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端无效，24秒的倒数计时器的倒数计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。

选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲在与门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。

1. 4总体设计框图
图1 倒计时设计总体框图
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总体设计说明：
倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。

由于该系统特殊的需要，到计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并发出蜂鸣警报。

1.5设计方案
1.5.1方案的比较
方案一：
用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波，再将该脉冲信号加到由74LS90经过十分频即构成周期为1秒的方波，接着将该信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS48把输入的8421BCD码经过内部整和电路“翻译”成七段数码管的（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接在十分频器的输出上，这样由74LS90后输出的脉冲频率为1Hz，驱动LED，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。

方案二：
用555构成的多谐振荡器直接产生频率为1Hz的脉冲，即直接输出周期为的1s方波信号，再将产生的秒脉冲输到计数器74LS192的CP减计数段上，在通过译码器74LS48把信号“翻译”成七段数码管（a，b，c，d，e，f，g）的输出，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。

两方案的比较：
由于两个方案的原理基本相同，且实现的功能也相同，但方案二由555直接产生的秒脉冲信号不稳定，且难以在实际的电路中准确的产生秒脉冲，虽然方案一比方案二的线路与元件复杂得多，但产生的方波信号比较稳定且易于控制与调式，所以经过比较、计算与讨论，我们小组选用方案一。

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2、单元电路设计与论证、理论分析与计算（各单元电路图）2 .1主要芯片的用法和功能
2.1.1 555定时器
集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。

它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。

其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。

几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。

555和7555是单定时器。

556和7556是双定时器。

双极型的电源电压VCC＝+5V～+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3～+18V。

555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1.R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1。

R2又开始充电；周而复始，形成振荡。

则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。

下图是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图。

图2.3 NE555内部功能图
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图2.4 NE555内部管脚图
:1tw ()V
V u CC
C 30=、()V u CC C =∞、()C t R R b a +=1
当1tw t =时， 把()3
12V u CC
C tw =代入三要素方程。

于是可解出:
()R R b a tw +=7.01
:2tw ()V
V u CC C 302
=、 ()V u C 0=∞ 、RBC t =1
当2tw t =时，()3
2V u CC
C tw =代入公式,于是可解出：
C tw R b 7.02=
振荡周期 ()()s C tw tw T R R b a 1.027.021=+=+=T 根据方案一为了产生周期为0.1秒的脉冲，可以使
Ω=k Ra 51、Ω=k Rb 47、F C μ0.11=、nF C 102=
之后经过74LS90用异步清零法十分频，使得74LS90输出的脉冲周期为1s.
2.1.2 芯片74LS192
74LS192是一块同步8421BCD 码加/减计数器，具有直接清零、置数、加锁计数功能。

计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计比较简便。

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，CP U 为加计数时钟输入端，CP D 为减计数时钟输入端，LD 为预置输入控制端，异步预置，CR 为复位输入端，高电平有效，异步清除，CO 为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO 为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

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如图为74LS192的引脚图：
74LS192功能表：
当清除端CR为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其它功能。

当CR为低电平，置数端LD也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3 置入计数器。

当CR为低电平，LD为高电平时，执行计数功能。

执行加计数时，减计数端CPD 接高电平，计数脉冲由CPU 输入；在计数脉冲上升沿进行 8421 码十进制加法计数。

执行减计数时，加计数端CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD 输入. 此实验我们用到计数器由两片74LS192 同步十进制可逆计数器构成。

利用减计数RD= 0, LD= 0, CPD=1, 实现计数器按8421 码递减进行减计数。

利用借位输出端BO 与下一级的CPD 连接, 实现计数器之间的级联。

利用预置数LD 端实现异步置数。

当RD= 0, 且LD= 0 时, 不管CPU 和CPD 时钟输入端的状态如何, 将使计数器的输出等于并行输入数据, 即Q3Q2Q1Q0= D3D2D1D0。

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2.1.3 芯片74LS90
74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚引线如图如图所示，功能表如表所示。

7490功能表：
A．将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器；
B．将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器；
C．表中H为高电平、L为低电平、×为不定状态。

74LS90逻辑电路图如图3.6-1所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，其中FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB构成异步五进制计数器，在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R 1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。

74LS90具有如下的五种基本工作方式：
（1）五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。

（2）十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。

（3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB 端接R1，QC 端接R 2。

其计数顺序为000～101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。

（4） 九分频：QA→R1、QD→R2，构成原理同六分频。

（5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD 接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。

此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。

2.1.4 芯片74LS48
74LS48输入信号为BCD 码，输出端为a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 共7线，另有3条控制线。

LT 端为测试端。

在端接高电平的条件下，当0=LT 时，无论输入端A 、B 、C 、D 为何值，a ～g 输出全为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。

端为灭零输入端。

在1=RBI ，条件下，当输入A 、B 、C 、D=0000时，输出a ～g 全为低电平，可使共阴LED 显示器熄灭。

但当输入A 、B 、C 、D 不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。

RBO 端为消隐输入端。

该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端a ～g 均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。

另外，该端还有第二功能——灭零信号输出端。

当该位输入的A 、B 、C 、D=0000时，此时输出低电平；若该位输入的A 、B 、C 、D 不等于零，则输出高电平。

若将与配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。

74ls48功能表如下：
2 .2单元模块 2 .2 .1 信号发生电路
秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路完成。

由前面计算可得
Ω=k Ra 51、Ω=k Rb 47、F C μ0.11=、nF C 102=
电路图如下图所示。

当开关断开时，555定时器产生周期为0.1s 的脉冲，经过74LS90十分频后，变为周期为1s 的脉冲；当开关闭合时，电路不能输出信号，于是没有脉冲输入74LS90中，故74LS90在保持状态，即实现暂停功能。

信号发生电路
2 .2 .2 倒计时电路
24秒倒计时电路。

这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，
下面进行具体分析。

计数器的倒计时功能。

用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。

因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。

时钟脉冲分别通过两个与门才再输进个位（低位）的down端，当停止控制电路送来停止信号时，截断时钟脉冲，从而实现电路的停止功能。

低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。

两片计数器具体接法。

Vcc、UP接+5V电源，GND接地；时钟脉冲从与门输出后接到低位的down，然后从低位BO’接到高位的down；输入端低位C、高位B接电源，其他引脚和CLR都接地。

LOAD接到开关C的活动端，C 的另外两引脚分别接G的活动端和地。

而G的另外两个引脚分别接到电源和地。

如图所示：
2 .2 .3停止控制电路
倒数计数器到零时，需要将电路转换到“00”并且停住。

现在选取计数器到零的状态24秒计到“00”，从各引脚引出线接到二脚与非门，当计数器从“00”状态转换到“00”时，用与非门把该状态转换成低电平（其余时间为高电平）控制LD。

使电路转换到“00”。

由于数字24是在很短的时间才能看到，用肉眼是看不到的，于是能实现“00”的转换。

再通过与非门所组成的触发器的输出端输出低电平，使74LS192处于保持状态。

这样就实现了转换并停止的电路。

2 .2 .4 警报提示装置
警报提示就是完成任一计时器计时结束时，系统给出连续的提示音。

当电路由“24” 到“00”时，下面一个与非门输出低电平，而鸣蜂器的和LED1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以鸣蜂器(用二极管代替)和LED1均能正常工作。

从而发出报警信号，电路如下：
3.总设计（总电路图）
电路总原理图
由555定时器输出0.1秒脉冲经过74LS90进行十分频输入到计数器L4的CD端，作为减计数脉冲。

当计数器计数计到0时，L的(13)脚输出借位脉冲使十位计数器L开始计数。

当计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“24”。

本电路利用从“00”到“24”时，通过与非门与4或门反馈到74LS90的异步清零端，使电路置数到“00”并且保持该状态。

由于“24”是一个过渡时期，不会显示出来，所以本电路采用“24”作为计数器复位脉冲。

当计数器由“00”跳变到“24”时，利用个位和十位的“00”通过与非门去触发Rs触发器使电路翻转，从而输出低电平使计数器置数，并保持为“00”，同时LED发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。

按下J1时，Rs触发器翻转11脚输出高电平，计数器开始计数。

若需要暂停时，按下J4，振荡器停止振荡，使计数器保持不变，按下J2后，计数器复位。

(1)J2：手动复位按钮。

当按下J1时，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”。

当松开K2时，计数器从24开始计数。

(2)J4：暂停按钮。

当“暂停/连续”开关处于“暂停”时，计数器暂停计数，显示器保持不变，当此开关处于“连续”开关，计数器继续累计计数。

(3)J1：启动按钮。

J1处于断开位置时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持"24"状态不变，处于等待状态。

当J3闭合时，计数器开始计数。

4、电路仿真、安装、及测试方法与仪器
4.1 电路仿真
电路采用Multisim10及Proteus 7 Professional软件进行仿真，仿真前须明白：在仿真软件上能仿真出结果的设计电路并不代表在实际电路中能得到同样的结果；仿真不出结果的电路也并不代表在实际电路中得不出结果。

仿真只是给我们提供一个环境去验证一下自己的设计电路。

仿真的基本步骤：
1.用虚拟器件在工作区建立电路；
2.选定元件的模式、参数值及标号；
3.选择分析功能和参数；
4.激活电路进行仿真。

仿真前仔细检查电路是否连接好了，芯片的管脚是否接错。

确认后即可仿真。

4.2 电路安装
安装电路时需注意一下几点：
1）一般以电路板的左端为输入、右端为输出。

此时按照输入级、中间级、输出级的顺序进行电路布局及安装；
2）同一块同类元器件应采用同一安装方式，即距离实验板表面的高度应该大体一致。

如果采用立体安装方式，元器件型号或标应朝同一方向，而卧式安装的元器件型号或标称值应同朝上方，集成电路的定位标志方向应一致。

3）元器件的引线一般不宜剪的过短，以便重复利用。

实践证明，虽然元器件完好，但往往由于布线不好，造成电路工作失常。

这种故障不像脱焊、断线、接触不良、器件损坏那样明显，多以寄生干扰形式表现出来，很难排除。

4.3 电路的测试方法
4.3.1数字电路逻辑电平的测量
一般情况下，数字电路只有两种电平，经TTL与非电路为例，0。

8V下为低电平，1。

8以上为高电平。

电压在0.8—1.8V电路状态是不稳定的，所以该电压范围是不允许的。

不同数字电路高低电平界限都有所不同，但相关不远。

测试方法：
在测量数字电路的逻辑电平时，先在输入端加入高电平或仰电平，然后再测量各输出端的电压是高电平还是低电平，并做好记录。

测量完毕后分析其状态电平，判断是否符合该数字电路的逻辑关系。

若不符合，则要对电路引线作一次详细检查，或者更换该集成电路。

仪器：直流稳压电源，万能表。

4.3.2测量电路重要波形
无论是在测试还是在排除故障的过程中，波形的测试与调整都是一个相当重要的技术。

各种整机电路都可能有波形产生或波形处理变换的电路。

为了判断电
路各种过程是否正常，是否符合技术要求，常需要观测各被测电路的输入、输出波形，并加以分析。

对不符合技术要求的，则要通过调整电路元器件的参数，使之达到预定的技术要求。

在脉冲电路的波形变换中，这种测试更为重要。

测试方法：
在输入端接上信号源，提供信号的输入，接好电源与地，在输入端接上示波器，调节输入信号大少，观察输出波形的情况。

仪器：直流稳压电源，示波器，信号发生器。

4.3.3整机性能测试
整机高度是把所有经过静态调试的各个部件组装在一起进行的有关高度，它的主要目的是让电子产品达到原设计的技术指标和要求。

由于较多内容已在分块调试中完成了调试，整机高度只要检测整机技术指标是否达到原高计要求就可，若不能达到则不能达到则再作适当调整。

测试方法：
首先检查电源的连接和所有地的连接，用万用表测试，如是电路中出现有有短路或者不连接时再一步一步检查，直至所有的地都连在一起，当检查完了这一步以后，再加上电源，测试出电路中所有芯片的的电源是否通，我们测出74LS192和74LS48和NE555的电源是5V，然后用示波器测出每个芯片输出的波形和芯片资料所给的形相吻合，当不吻合时，仔细阅读芯片资料，再检查每个管脚内部的工作原理，直到完成这个过程。

仪器：直流稳压电源，示波器，信号发生器，万用表。

5、电路改进
本电路实现了24秒倒计时的功能，且当计数到“00”时，实现了光电报警功能，但在篮球场上进行这剧烈的篮球运动时，到了“00”才提醒选手实在是有点慢，所以我们将整体电路改进成当计数到偶数的时候，就实现一次光电报警，直到“00”时，光电报警就一直持续下去，这样能更好的提醒选手争取时间，避
免犯规的次数。

6、总结
在此次设计中，我们将课本理论知识与实际应用联系起来。

按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先和队友
一起分析研究此次电路设计任务和要求，然后按照分析的结果进行实际连接操作，检测和校正，再进一步完善电路。

在其中遇到一些不解和疑惑的地方，还有出现的一些未知问题，我们都认真分析讨论，然后对讨论出的结果进行实际检测校正，对一些疑难问题我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决。

通过此次电路设计，我们加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。

8、元件清单
参考文献
[1] 《数字电子技术》蒋卓勤西安电子科技大学出版社
[2] 《电子设计与制作100列》张金电子工业出版社
[3] 《电子技术基础课程设计》梁宗树华中理工大学出版社。