数字抢答器的设计与制作.doc

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1、明达职业技术学院毕 业 论 文 （设 计）2007-2008学年度信 息 工 程 系 应 用 电 子 专业班级05 应 电 2 学号 课题名称数字抢答器的设计与制作学生姓名 高 端 明 指导老师 杨 伟 华 2008年1月15日目录摘要1关键字1前言2第一章 方案论证3第二章 电路原理分析4第三章 单元电路5第四章 主要元器件介绍9第五章 安装与调试13第六章 结论与心得14 致谢参考文献附 电路图16元器件清单17数字抢答器的设计与制作作者：高端明摘要知识竞赛是工厂、机关、学校等单位广泛开展的活动,抢答器是知识竞赛不可缺少的设备。此设计的电路正实现了这一功能，当主持人清零后，这时抢答无效只有

2、当主持人开关按下，处于抢答状态，这时当有一个选手抢答后，抢答信号通过反向器输送到74LS175上,再送到发光二级管上,这样对应的发光二级管就会发光这时锁存电路工作，以至于其它的选手再抢答时就无效了当主持人清零后,发光二级管处于不工作状态,发光二级管灯灭。 关键字 单相桥式整流 74LS175 发光二极管 前言电子技术是当代发展最为迅速，应用最为广泛的科学技术，电子技术水准已经成为现代化的标志。大力普及现代电子技术，在青少年中培养电子科技的后备人才是一项十分迫切的任务。广大电子爱好者大多是从业余制作起步的，通过自己动手制作一些简单实用的电子装置，积累了初步的实践经验，从中产生了日益浓厚的兴趣，由

3、此进一步去探索电子世界的奥秘。随着社会的进步，各类知识竞赛越来越多，抢答器用的范围越来越广了。抢答器通过互锁，只要第一个选手按下开关，其他选手就没有办法进行抢答。实现竞赛的公平公正。第一章 方案论证 方案1 图中F1为四D 触发器74LS175，它具有公共置0 端和公共CP 端；F2为双4 输入与非门74LS20；F3是由74LS00 组成的多谐振荡器；F4是由74LS74组成的四分频电路，F3、F4组成抢答电路中的CP 时钟脉冲源，抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S，74LS175的输出Q1Q4全为0，所有发光二极管LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后，首先作出判断的参赛者立即

4、按下，开关，对应的发光二极管点亮同时，通过与非门F2送出信号锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其它信号，直到主持人再次清除信号为止。方案2图由4D触发器74LS175，六个独立的反相器（6个非门）组成的74LS04和用的双4输入与非门集成电路组成的74LS20组成的电路。抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S5，74LS175的输出全为0，所有发光二极管LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后，首先作出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光二极管点亮，同时，通过与非门送出信号锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其它信号，直到主持人再次清除信号为止。我们遵循“电路最简单，调试最方便，元器件来源

5、有保障，安全可靠，成本最低”的原则，因器材室没有实验1的逻辑开关。故决定选用方案2。第二章 电路原理分析 接通电源后，220V交流电压经过变压器变压变成9V的交流电压。在经过桥式整流变成9V的直流电压。经过滤波电容去掉较大的交流的波，在经过稳压电路和三端稳压器（7805）出来稳定的5V的直流电压。接到5V的直流稳压电源后，将复位按纽S5按下，使电路清零复位。在未按动抢答按钮S1-S4时，输出端为低电平，发光二级管没有灯亮。当按动抢答开关S1-S4中某个开关时，与该开关相界接的隔离的反相器将导通，使VT导通，其阴级变为高电平，通过74LS175，使发光二极管发光。通过四与非门进行互锁，使在按其它

6、抢答开关，均无法使发光二极管发生变化，从而实现了优先抢答。只有在主持人按下复位按纽S5后，电路自动复位，发光二极管上灯熄灭，才能进行下一轮抢答。第三章 单元电路3.1 电源电路图 3.1.1桥式整流电路的工作原理相桥式整流电路如图（a）所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压 ，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 （a）在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向R

7、L，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图1（a）中实线箭头表示。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图（a）中虚线箭头所示。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通， (b)将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的

8、下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图（C）。由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的额定电流为2A，最大反向电压为25V1000V。故单相桥式整流电路常画成图（b）所示的简化形式。

9、 (C) 3.1.2电容滤波RL接入（且RLC较大）时 如下图所示。电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。3.1.3电路的特点(a) UL与RLC的 关系：RLC 愈大 C放电愈慢 UL(平均值)愈大一般取：RLC (3-5)T/2 (T:电源电压的周期)近似估算: UL=1.2U2(b) 流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大(c) 输出特性(外特性)输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变, Uo 和S 也随之改变。如: RL 愈小( IL 越大), Uo下降多, S 增大结论：电容滤波电路适用于输出电

10、压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。3.2控制电路按下复位开关S5，电路进行复位，清零。当选手按抢答开关S1-S4，经过控制电路的自锁和互锁功能，使只有最先按下抢答开关的选手对应灯才会亮。第四章 主要元器件介绍4.1 变压器的定义及其特性参数定义变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。电源变压器的特性参数（1）工作频率 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频

11、率称工作频率。（2）额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。（3）额定电压 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。（4）电压比 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。（5）空载电流 变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。（6）空载损耗 指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。（7）效

12、率 指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。（8）绝缘电阻 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。4.2 74LS1754.2.1 74LS175的内部结构图4.2.2 74LS175管脚功能.4.2.3 74LS175的真值表 输入 输出SdRdCPDQn+1Qn+10110100100111101100111QnQn4.3 发光二极管4.3.1 LED发光原理 发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN

13、结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结

14、面数m以内产生。4.3.2 LED极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。4.3.3发光二极管的检测用万用表检测。利用具有10k挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200k,反向电阻的值

15、为。如果正向电阻值为0或为，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为10k挡不能向LED提供较大正向电流。 如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。两块万用表均置10挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至1若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于1，以免电流过大，损坏发光二

16、极管。第五章 安装与调试电路接好后，不要急着马上去接电源，先要检查一下。检查内容如下：连线是否正确。先认真检查电路连线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。多线一般是接线时看错引脚，或者改接线时忘记去掉原来的旧线造成的。这种情况在调试中经常发生，而查线时有不易发现，调试时往往会给人造成错觉，以为问题是由元器件造成的。为了避免做出错误判断，通常采用两种查线方法。按照电路图检查安装的线路。根据电路图连线，按一定顺序逐一对应检查安装好的线路。这种方法可以比较容易查出错线和少线。按照实际线路来对照电路原理进行查线。这是一种以元

17、件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个引脚的去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查处多线。不过最好用指针式万用表“R1”档，或数字式万用表“”的蜂鸣器来测量，而且直接测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。元器件安装情况。 检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良。电源与信号源连线是否正确。检查直流电源级性是否正确，信号线是否连接正确。检查电源线和变压器相接脚有没用工业胶布粘好。若电路经过上述检查无误后，就可转入调试。插上插座，先万用表测电源电路部分出来的电源是直流的5V电压。在电源接到控制电路上进行调试。第六章 结论与心得 本次

18、课程设计是数字抢答器的设计于制作，运用的是学过的数字电路和模拟电路的知识。在电路方面，我对74LS175、74LS00和74LS20集成芯片的内部结构不太清楚，在网上查了很都资料才对其有一定的了解。在对电源焊接中，焊接时老感到电路板对锡丝的吸附力太差，因此出现了焊焦的情况，当然也存在我自己的焊接技术问题，但通过这次的自己焊接进一步巩固了自己在焊接方面的能力。焊接完了才松了口气，虽然看起来不是很好看，但毕竟是自己的第一个作品。我想下次一定要做一个更完美的。 在接控制电路时发现电路图很简单,但接起来就很困难,导线在3个集成芯片的各个引脚上来回穿插,面包版上密密麻麻的都是导线，看的头都晕了。好不容易

19、把电路接好了，接好电源却发现只有控制开关有用，其它四个开关没有用。在把电路反复检查了几遍，我发现电路没有接错。于是请老师过来检查，杨老师说我们的74LS04和74LS20的正负级没有接。于是找来这两个集成芯片的电路图，查这两个芯片的正负级是哪几脚。重新插好电路后，接上电源，我发现发光二极管有一个灯经常不用开关就自己亮起来。于是我仔细检查开关那，发现开关那的导线接的不规范，两个导线动下就会相碰，于是有把开关那的导线重接。经过几次的修改，电路终于出现象了。 通过本次抢答器的设计，真正体验到了一个设计从前期的找资料到后来的制板，自己焊接，自己调试这样一个一个完整的设计过程。在这个过程里将以前所学的知

20、识进行了综合的运用，发现了自己很多不足的地方，理论知识与实际应用之间的距离也充分的体现了出来。当然，更多的是学到了很多的东西，为以后的设计打好基础。 致谢本课题是在杨伟华老师精心指导和大力支持下完成的。杨老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于电子电路方面的知识，实验技能有了很大的提高。 另外，我还要感谢盛伟同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。同时实验室的张海燕老师积极为我们提供元器件,还有杨毅德教授对我们设计成品的指导

21、，在此我也衷心的感谢他们。最后，再次对关心、帮助我的同学和老师表示衷心的感谢 参考文献1.康华光 电子技术基础（模拟部分） 第四版 高等教育出版社 2.陈小虎 电子设计技术 高等教育出版社.19943.艾永乐 电子技术课程设计指导书 付子仪编 河南理工大学4.张志悦. 数字电路设计与实用电路.广州:华南理工大出版社.19915.薛学明. 稳压电源及其电路实例.北京:中国铁道出版社.19906.顾宝良. 模拟集成电路原理与实用电路.人民邮电出版社.19897.胡家忠. 实用电子电路手册.湖北科技出版社.19878.周良权 数字电子技术基础高等教育出版社 1994附：电路图元器件清单序号名称规格型号位号数量1电阻器10KR1、R2、R3、R44个2电源变压器输入220V输出9V1个3桥式整流电源IN 40071个4电解电容1000uFC81个5电解电容0.33uFC91个6电解电容0.1uFC101个7三断稳压器W78051个8发光二极管红LED4个9六倒相器74LS041个104输入双与非门74LS201个114D触发器74LS1751个12开关5个仪器设备：万用表 示波器 剪刀、电烙铁、烙铁架、焊锡丝、面包板、导线若干等