数电课程设计-四路抢答器..

数字电子技术基础课程设计

二、设计任务与要求

1、设计任务

设计一个由四人参加的智力竞赛抢答电路，当主持人宣布“开始”，显示出首先作出判断的参加竞赛者。功能：

（1）清零功能：可用触发器的异步复位端实现，由主持人控制。

（2）抢答键控功能：可用触发器和门电路实现。

（3）显示功能：可用发光二极管显示，用蜂呜器发声。

2、设计要求

（1）选择适当的元器件，设计该电路。以实现上述功能。（2）利用Protel99绘制其电路原理图。

（3）对每个元器件选择合适的封装，形成网络表文件。（4）选择正确的布线规则，形成该电路的PCB板图。

三、总体方案设计

1、抢答器结构框图

抢答器的结构框图如下图所示，主要由开关按钮、触发锁存电路、脉冲信号发生器、LED显示电路和蜂鸣器报警电路组成。

2、总体方案设计

采用74LS175为主芯片的设计方案

抢答器的电路设计图使用Protel绘制，结果如图2所示。

图2 抢答器电路设计方案

该电路由四D触发器、与非门及脉冲触发电路等组成。74LS175为四D触发器，其内部具有四个独立的D 触发器。74LS20为四输入端的与非门，一块芯片中有两个独立的与非门。74LS00为二输入端的与非门，在一块芯片中有4个独立的与非门。优先判决电路用来判断哪一个预定状态优先发生的电路，如判断知识竞赛中谁先抢答。当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码对应的LED灯变亮同时蜂鸣器产生音响。主持人按钮实现复位，开始下一题抢答。

3、电路工作原理

电路上电后，按下复位按键S5实现清零功能，/Q1～/Q4 输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄

灭。同时以Q1～Q4作为输入的或非门输出为高电平，经非门输出低电平，蜂鸣器不响；经与门使脉冲正常输入。松开复位键，电路进入准备状态。假设有按键S3 (3号选手)被按下，Q3输出变为高电平，/Q3变为低电平。从而导致对应得LED被点亮，或非门的输出将由高变成低电平，经非门变为高电平使蜂鸣器鸣叫。同时或非门的低输出经过与门使得脉冲信号无法进入CLK端，即芯片的CLK保持低电平，此时芯片处于数据保持状态，按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定，达到阻止其他选手抢答的目标。而后，主持人按下复位，准备进入下一轮抢答。

四、单元电路设计

1、按钮电路

下图为四路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。当任一开关按下时，相应的输出为低平，否则为高电平。

2、触发锁存电路

下图3所示为74LSl75外引线排列图和逻辑电路图。其中，D R 是异步清零控制端。D 0～D 3是并行数据输入端，CP 为时钟脉冲端，Q 0~Q 3是并行数据输出端，0Q ~3Q 是Q 0～Q 3的反码数据输出端。

图 4所示电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端D 0～D 3，在CP 端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器Q 端。

1 1

0 1

Q Q 0

图 3

Q Q Q Q 0

D 1

3

图 4

图5示是4位集成寄存器74LSl75

图5

下表1所示是D触发器功能表：

表1 74LS175的功能表

清零时钟输入输出

工作模式CR CP 1D 2D 3D 4D 1Q 2Q 3Q 4Q

0 ×××××0 0 0 0 异步清零

1 ↑1D 2D 3D 4D 1D 2D 3D 4D 数码寄存1 1 ××××保持数据保持1 0 ××××保持数据保持

特性方程：当D=0时Q n+1=0，当D=1时Q n+1=1，由此得D

触发器特性方程为Q n+1=D.

图6所示即为4路触发锁存电路。图中74LS175为4D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输

出全为高电平，经4输入与非门和非门后的反馈信号仍

为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存

器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输

出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，

锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。

说明：CLK代表时钟脉冲输入端CP POL代表功能输入端M。

图6

3、LED显示电路

图7即为LED显示电路，由LED发光二极管和限流电阻组成，当锁存器输出高电平时LED亮。

图7

4、报警电路

图8为蜂鸣器报警电路，当74LS20输出高电平时报

警。

图8

5、脉冲信号发生器

图9为555定时器构成的脉冲信号发生器电路。

图9

五、用Protel 99se设计印制电路

下面是印制板图过程

(1)启动印刷电路板设计服务器

执行菜单File/New命令，从框中选择PCB设计服务器（PCB Document）图标，双击该图标，建立PCB设计文档。双击文档图标，进入PCB设计服务器界面。(2)规划电路板

根据要设计的电路确定电路板的尺寸。选取Keep

Out Layer复选框，执行菜单命令Place/Keepout/Track，绘制电路板的边框。执行菜单Design/Options，在“Signal Lager”中选择Bottom Lager，把电路板定义为单面板。

(3)设置参数

参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令Design/Rules，左键单击Routing按钮，根据设计要求，在规则类（Rules Classes）中设置参数。

选择Routing Layer，对布线工作层进行设置：左键单击Properties，在“布线工作层面设置”对话框的“Pule Attributes”选项中设置Tod Layer为“Not Used”、设置 Bottom Layer为“Any”。

选择Width Constraint，对地线线宽、电源线宽进行设置。

(4)装入元件封装库

执行菜单命令Design/Add/Remove Library，在“添加/删除元件库”对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，例如：PCB Footprint，Transistor，General IC，International Rectifiers等。

(5)装入网络表

执行菜单Design/Load Nets命令，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件（扩展名为Net），如果没有错误，单击Execute。若出现错误提示，必须更改错误。