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1、数字电子技术课程设计数字投弹机专业：电气工程及其自动化 班级：04-2 姓名： 指导老师：目 录一、 目录.1二、 设计内容及要求.2三、 方案比较论证与选择.3四、 设计原理及参考电路.4五、 器件的选择及其原理分析.5六、 电路性能特点.9七、 设备及元件清单.9八、 设计总结及心得会.10九、 参考文献.11数字投弹机设计数字电子技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设
2、计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。 投弹游戏机是采用中、小规模集成器件 IC555,CD4017及CD4001等元器件设计而成.投弹游戏机是由555芯片组成无稳多谐振荡器产生时钟脉冲,经CD4017十进制计数器,使10个LED顺次点亮,在LED点亮的同时如果小球投中移动的目标,就会产生一驱动信号,触发R-S触发器和延时电路,延时约5秒,再经音频振荡器,产生1000Hz左右的音频信号.游戏者可以手持小球站在投弹游戏机前面,如果小球投中移动的目标,就会自动发出祝贺音响,极富情趣.一、设计容及要求设计
3、题目：数字投弹游戏机设计任务：(1) 、复习数字系统设计基础。 (2) 、分析无稳态多谐振荡器、十进制计数器、R-S触发器、音频震荡器、喇叭驱动电路的工作原理。（3）、根据下面所选择的方案，由数字投弹机的系统杠图，画出完整的电路图。基本要求：10个LED顺序点亮，如果能在点亮的同时将小球投中，则发出1000Hz的庆贺声。系统由无稳态多谐振荡器，十进制计数器，R-S触发器电路,音频震荡器，喇叭驱动电路组成。参考元器件：555、CD4017、CD4001二、 方案的比较论证与选择满足上述设计要功能可以实施的方案很多,现提出下面两种方案.方案 如图-1所示,图中各部分的作用如下:555脉冲形成电路十
4、进制移位计数器LED显示 按钮 延时电路 无稳音频振荡器扬声器 图-11) 555脉冲形成电路 由555芯片、电阻和电容组成占空比可调的无稳态多谐振荡器,产生时钟脉冲.2) 十进制移位计数器 使10个LED顺次点亮.3) LED显示 4) 按钮 在小球投中时,产生一脉冲信号.5) 延时电路 产生的脉冲信号,经延时电路延时5秒左右,以驱动音频振荡器.6) 无稳音频振荡器 振荡产生1000Hz左右的音频信号.7) 扬声器 发出小球投中的“祝贺”音响.方案如图-2所示,该方案除传感器和555音频振荡器外,其他部分,均与方案相同.555脉冲形成电路十进制移位计数器LED显示 传感器延时电路555 音频
5、振荡器扬声器 图-2 1) 传感器: 接收小球投中的信号,并传给下一级电路.2) 555音频振荡器: 由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号. 方案结构简单,易于实现,但精度底;方案电路结构复杂,成本高,精度也高.根据设计要求,在满足设计要求的前提条件下,应尽量简化电路,降低成本,故选择方案.三、 设计原理及参考电路电路原理：IC1（555）和R1、RP1、RP2、C1等组成无稳态多谐振荡器（原理图见附图）。在电源电压下，产生一矩形脉冲，频率 f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1占空比 q=tw1/T=(R1+RP2)/(R1+RP1+RP2)其频率和占空比可通过调节RP1、RP2
6、来改变。IC2采用十进制计数器/脉冲分配器，在IC1输出的脉冲方波作用下，IC2的Q0输出端依次出现宽度为T=1/f的高频脉冲，与此相应的LED1LEB10依次发光。IC3为四2输入端或非门，IC3-1、IC3-2组成RS触发器，与R7、R8、C5组成延时电路，当小球投中与二极管（LED1LED10中某个）对应的开关（K2K11中的某个）闭合IC3-2的输入端6脚呈高电平，使RS触发器翻转并产生约5秒钟左右的延时，IC3-2的4脚呈低电平，使由IC3-3、IC3-4、R11、C6组成的音频振荡器起振，发出约1000HZ的振荡信号，经VT推动扬声器发出“祝贺”音响，表明击中的指示灯亮了，调节RP
7、1、RP2可改变所亮指示灯的移动速度。四、 器件的选择及其原理分析a、555器件的选择：555芯片是一种模拟-数字混合电路芯片，555定时器如图所示：它是由与非门和两个电压比较器及其他元件组成集成块经常用来构成定时电路或矩形波、方波产生电路，本设计使用它构成无稳态多谐振荡器，如图-3所示：当直流电源接通后，电源通过R1.R2对电容C1充电。当电容C1充电到电源电压的2/3 VCC时，电容开始经R2、管脚7对地放电。当电容C1放电到电源电压的 图-31/3 VCC时，7脚内部断开，电源又开始对电容充电。如此重复上述过程，在3脚可输出矩形波。此多谐振荡器输出矩形波形脉冲频率可由充电时间常数和放电时
8、间常数确定， f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1，占空比由充电电阻（R1+RP2）与放电电阻（R1+RP1+RP2）的比值确定，占空比为q=（R1+RP2）/（R1+RP1+RP2）b、CD4017十进制计数器/分配器的选择：由于要使LED依次移动，故选择十进制计数器CD4017，CD4017是由约翰的计数器和译码器两部分电路组成。它们有3个输入端：复位端R，时钟端CP和CPE（也叫EN）。有十个译码输出端：Q0Q9。在复位状态时，只有Q0表现为高电平“1”状态，其它端均为低电平“0”状态。另外还有进位输入端CO，可作为级联时使用。CD4017的管脚排列及真值表如图所示：CPCPER输
9、出QN0*0N*10N100N+1110N+11*0N*10N*1Q0该器件是具有10个译码输出的5段约翰逊记数器;每个译码输出通常处于底电平且在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平;每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期;输出10 进入低电平后,进位输出由低电平转换到高电平,并能与时钟允许端连接成n级时序脉冲分配器。它的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序冲产生功能，整个输出时序是Q0Q1Q2Q7依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。这也属于计数器。CD4017是十进制脉冲分配器，有Q0Q9十个输出端，它们的管脚排列见图4.6.5(a)所示。这种计数器有两个时钟输入端
10、CP和。当=0时，计数脉冲由CP端输入，在脉冲上跳沿时触发计数；当CP=0时，计数脉冲由端输入，在脉冲下跳沿触发计数。另外，该计数器均有清零功能，当清零端R=1时，输出端Q0输出高电平,Q1Q9输出低电平。CD4017计数器的时序波形图如下图所示： CD4017计数器的工作波形图c、CD4001或非门的选择：由于电路图中需要用到由或非门组成的R-S触发器及由或非门组的音频振荡器，故需用到或非门集成块CD4001，其真值表如下所示：输入端输出端I1I2O001010100110其表逻辑达式为: O=I1+I2由或非门组成的触发器及电阻、电容构成延时电路，如图所示：当输入端IN接收到一个脉冲信号时
11、,输出端OUT输出低电平,R-S触发器另一端3 由低电平变为高电平,并通过R7给C5充电,延时约秒，-触发器2端由低电平变为高电平,使R-S触发器翻转,OUT端由低电平变为高电平,完成延时过程.由或非门、电阻和电容构成音频振荡器,产生1000Hz的振荡信号,如图所示: 五、 电路性能特点：此电路中LED的移动速度主要由矩形脉冲控制，根据脉冲频率f=1.44/(R1+RP1+RP2)C1可以通过调节RP1、RP2来改变LED的移动速度，这样很方便且易调；当LED移动的速度非常快的时候，小球投中时不一定能够察觉到，而本电路中使用R-S触发器的翻转并产生5秒钟的延时，使LED13产生约5秒钟的延时，
12、这样就可以清楚地观察哪一个球击中了目标。六、设备及元件清单：a、元件：元件类别元件名称所需数量芯片555芯片1块CD40171块CD40011块电阻10K3个1K3个47K1个100K4个20K1个0.1K1个0.001K1个电容0.01u3个0.1u1个33u1个100u1个二极管发光二极管（LED）13个硅二极管IN40071个三极管90131个其他扬声器1个b、 计过程中所需的仪器设备：双踪示波器一台、万用表一块、稳压直流电源一台。七、实验总结及心得体会经过短暂而又漫长的构思、设计，我终于完成了数电课程设计数字投弹游戏机。设计的时间一晃而过，也可以说很漫长；构思、设计、查资料、上网搜索、
13、画图，实在是漫长。但是皇天不负有心人，一连几天的努力终于使我完成了这次课程设计任务，我现在心里有一股极其强烈的成就感！经过这段珍贵的时间的学习探索，我已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用。我深刻地体会到了一个数字系统庞大的知识体系并且使我深刻体会了从书本知识到实际应用的设计过程。 经过这次课程设计，我明白了许多事情，领悟到了很多道理。在科学技术叙述发展的今天，不仅世界是日新月异，而且电子产品也是不断更新。但是千变万变，万变不离其踪，只要我们有坚实的、牢固的知识作后盾，并且不断学习外界的各种先进的科学文化知识，就可以构筑自己知识的大厦，在自己今后的人生道路上迈出稳健的步伐。这次实践使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。 在这次课程设计中，我学会了Protel 06的使用和操作,学会了如何利用网络资源,学会了怎么看电路图,读电路图,这些都使我受益匪浅，并为我以后的学习和工作积累了丰富的经验。这次设计,将会使我大学生涯中一道亮丽的风景线,也将成为我人生道路上的一个闪光点!八、参考文献电子技术基础（数字部分）.康华光主编. 华中理工大学电子学教研室.电子技术基础（模拟
