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1、武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书1目录目录1 设计指标.12 设计方案及比较.22.1 模拟电路方案.22.1.1 方案一.22.1.2 方案二.32.1.3 方案比较.42.2 数字电路方案.42.2.1 方案一.52.2.2 方案二.72.2.3 方案比较.83 实现方案83.1 模拟电路方案.83.2 数字电路方案.94 调试过程及结论.105 心得体会.106 参考文献.11武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书2智力竞赛抢答器电路设计和模拟信号运智力竞赛抢答器电路设计和模拟信号运 算电路的设计算电路的设计1 设计指标设计指标设计一个四组抢答器，有人抢答时，蜂鸣器
2、发声，同时优先抢答者对应的指示灯亮，而后抢答者对应的指示灯不亮。主持人具有将抢答器复原的功能。设计一种模拟信号运算电路，具体包括加法运算电路和减法运算电路，要求能够实现两路可调模拟信号的加法运算和减法运算。2 设计方案及比较设计方案及比较2.1 模拟电路方案模拟电路方案2.1.1 方案一方案一图 1 为 LF353 芯片的引脚图。其中 VDD 为正向电源，VSS 为负向电源，NIA(neg),NIB(neg)为负向信号输入端，NIA(pos),NIB(pos)为正向信号输入端，OUTA,OUTB 均为信号输出端。整个芯片实现的功能是对于信号的放大。武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书
3、3图 1 LF353 引脚图模拟信号运算电路设计图使用 proteus 绘制，结果如图二所示图 2 模拟信号运算电路设计图方案一工作原理为：当开关闭合时，若输入信号 vi1，由虚短和虚断的知识可以知道，第一个集成运放及电阻，即电路的前半部分实现信号的放大和反相，输出信号与输入信号相反，即 vo1= -vi1，同样，由虚短和虚断的知识可知，当 R3=R5=R6 时，输出信号为两个输入信号之和，即实现加法运算，同前半个电路的反向相结合，可知，此时，电路实现输入信号的减法运算；当开关打开时，与虚短和虚断可知，前半电路实现同相运算，后半电路同样为加法运算，则整个电路实现加法运算。总结起来即为：当开关打
4、开时，电路实现加法运算，开关闭合时，实现减法运算。2.1.2 方案二方案二武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书4用一个加法电路和一个减法电路分别实现模拟信号的运算a 加法电路加法电路图 2 为反相加法电路的 proteus 绘制图 2 反相加法电路工作原理：根据虚短和虚断，当 R6=R3=R5 时，实现输入信号的反相加法运算，即 vo= -vs1-vs2b 减法电路减法电路图 3 为减法电路的 proteus 绘制图 3 减法运算工作原理：根据虚短和虚断，电路前半部分实现输入信号的反相，后武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书5半部分当 R6=R5=R2 时，实现加法运算，即
5、电路总体实现减法运算。2.1.3 方案比较方案比较比较方案一和方案二可知，方案一是在方案二上的灵活变动，相对于方案二来说更加简单明了，更有利于实际操作。2.2 数字电路方案数字电路方案2.2.1 方案一方案一具有外接脉冲源的以 CD4042BE 为锁存器的智力竞赛抢答器电路图 4 为 CD4042BE 的引脚图图 4 CD4042BE 引脚图它的工作原理是：CD4042BE 是 CMOS 四-D 锁存器，共 16 个引脚，其中 D0、D1、D2、D3 为数据输入端，Q0、Q1、Q2、Q3 为相应的数据输出端，CP 端为时钟脉冲，POL 端为时钟脉冲极性控制。其内部为四个主从结构的 D触发器。当
6、 POL=0 时，锁存器在 CP 的低电平期间开通，D0D3 的数据分别传武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书6送到 Q0Q3 端，当 CP 上升沿到来时数据被所存，所以这时锁存的是上升沿到来前瞬间的数据；反之，当 POL=1 时，锁存器在 CP 的高电平期间开通，当CP 下降沿到来时数据被所存，这时锁存的是 CP 下降沿到来前瞬间的数据。其逻辑功能如表 1 所示：表 1 CD4042BE 的逻辑功能表POLCPDiQi000000110锁存110011111锁存用 proteus 绘制的电路如下图所示：武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书7图 5 方案一智力竞赛抢答器电路
7、图其工作原理为：当 k0、k1、k2、k3 均闭合时，即全部接地时，没有输入信号，Q0 、Q1 、Q2 、Q3均为高电平，经过两个与非门后，将高电平传递给CLK，锁存器处于等待接收触发输入状态，当有一个开关打开时，输出有一个为低电平，经过两个与非门后，将低电平传递给 CLK，则 CLK 收到一个下降沿触发的脉冲信号，电路进入锁存状态，当 k4 闭合时，电路强制将高电平传递给CLK，电路解除锁存状态。2.2.2 方案二方案二武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书8用 proteus 绘制的电路如下图所示：图 6 方案二智力竞赛抢答器其工作原理为：当 k0、k1、k2、k3 均闭合时，即全
8、部接地时，没有输入信号，Q0 、Q1 、Q2 、Q3均为高电平，经过两个与非门后，将高电平传递给CLK，锁存器处于等待接收触发输入状态，当有一个开关打开时，输出有一个为低电平，经过一个与非门后，其变为高电平，脉冲 CP 可以正常通过与非门作用于 CLK，即 CLK 收到一个下降沿触发的脉冲信号，电路进入锁存状态，当k4 闭合时，脉冲 CP 被禁止，即没有脉冲信号作用于 CLK,电路解除锁存状态。2.2.3 方案比较方案比较方案一和方案二的最大区别在于方案一没有外接脉冲信号，而方案二有外接脉冲信号，因此，从实验的间接性和实际操作性来说。方案二更好一些。3 实现方案实现方案3.1 模拟电路方案模拟
9、电路方案采用方案二进行电路实现，其电路设计图为：图 7 反相加法电路工作原理为：根据虚短和虚断，当 R6=R3=R5 时，实现输入信号的反相加法运算，即 vo= -vs1-vs2武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书9图 8 减法运算工作原理：根据虚短和虚断，电路前半部分实现输入信号的反相，后半部分当 R6=R5=R2 时，实现加法运算，即电路总体实现减法运算。通过加法和减法运算即可实现模拟信号的运算，符合试验设计要求。各元器件功能：集成运算放大电器 LF353：对信号进行放大电阻：保护电路面包板，导线：连接电路可调直流稳压电源：提供输入信号3.2 数字电路方案数字电路方案采用方案一，
10、利用自我产生的脉冲实现信号的锁存, 实现的电路图为：武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书10图 9 智力竞赛抢答器工作原理：当 k0、k1、k2、k3 均闭合时，即全部接地时（参赛选手未进行抢答时） ，没有输入信号，Q0 、Q1 、Q2 、Q3均为高电平，所有的 LED 全部熄灭，经过一个与非门后，输出低电平，蜂鸣器不响，再经过一个与非门后，将高电平传递给 CLK，锁存器处于等待接收触发输入状态，当有一个开关打开时（有一个选手按下了抢答键） ，输出有一个为低电平，所对应的 LED 灯亮，经过一个与非门后，蜂鸣器开始响，再经过一个与非门后，将低电平传递给CLK，则 CLK 收到一个下降
11、沿触发的脉冲信号，电路进入锁存状态，其他选手按键后对电路将不会产生影响，即保持原状态，当 k4 闭合时，电路强制将高电平传递给 CLK，电路解除锁存状态（裁判进行强制清零） 。由此可以判断，电路符合设计要求。各元器件功能：CD4042BE：进行信号的锁存，实现抢答功能与非门，与门：对电路进行控制，实现抢答功能，电源：提供输入信号开关：控制信号的输入及清零功能的实现蜂鸣器，LED：提示有人抢答武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书11电阻：保护电路导线：连接电路4 调试过程及结论调试过程及结论第一步：检查电路连线，粗查是否有没接或接的很松的线，将其调整好；第二步：用万用表检查各线路是否正
12、常工作，经检验模拟电路正常，数字电路和与非门相接的电路不符合构想要求；第三步：加信号进行调试：经调试，模拟电路正常工作，数字电路打开两个开关时有两个灯同时亮，同时，蜂鸣器不响，拆线后进行判断，知道是与非门没有工作，推测可能是其引脚图判断错误，重新查阅连接后，仍然错误，推测是原理图出现错误但经过认真研究改进，仍然错误，最后再一次偶然的发现中才明白是电压不足。结论：设计构思正确，可以实现抢答的功能5 心得体会心得体会自踏入大学以来，这是我进行的第一次课程设计，经历后发现，课程设计和平时的实验很像，但却增加了很多的元素，难度也相较单纯的实验有很大的提高。首先，相对于实验增加的第一个元素是预答辩，记得
13、刚接到通知时，完全不明白答辩是个什么情况，更不知道应该准备什么，于是本着全面备战的心态，我花费了大量的时间和精力去探究实验的原理，实验器件的功能，以及如何将实验的思路流畅的表达出来。到答辩之时，非常紧张，总感觉自己对于实验知识的掌握还是太过欠缺，战战兢兢之中，开始了答辩，没想到却是出奇的顺利，发现老师问到的几个问题都在自己的掌握范围之中，一时间欣喜若狂。在接下来就是线路连接和调试了，这一关，我碰到了很大的难题，我们这一组进行的是智力竞赛抢答器的设计，调试之时，所有小组竟然都犯了同一个错误，大家的线路根本不能进行正常的抢答，将过分析讨论，得出线路中的与非门竟然完全没有起到应有的作用，致使实验完全
14、失败，刚开始，大家觉得是引脚图的问题，为此，我们再次搜了一次，得到另一个版本的引脚图，但是连武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书12接后，仍然是错误的，到此，大家都陷入了困境，开始按照自己的理解调试电路，时间匆匆流逝，时间到了，但是，竟然仍没有人调试成功拿着线路，我回到了寝室，继续钻研，猛然发现，原来是分压导致电路电压不足，与非门功能不能正常实现，至此，才恍然大悟。虽然这次课程设计，我经历了颇多失败，但是却收获了很多，更明白了，遇到问题后，不应逃避，而应去想办法解决，真正做到迎难而上，接受每一个挑战！6 参考文献参考文献【1】吴友宇主编.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社【2】伍时和主编.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社【3】何书森主编.实用数字电路原理与设计速成.福建：科学技术出版社
