电子电路设计制作实习报告

成绩 徐州工程学院电子电路设计制作报告 设 计 名 称 八路数码显示抢答器的设计 学 院 信电工程学院 专 业 计算机科学与技术（网络工程）班 级 学 生 姓 名 学 号 1.设计内容与要求1.1 设计要求1.1.1 设计目的 （1）熟悉常用电子元器件及材料的类型、型号、规格和符号，熟悉各电子器件的主要性能、使用知识和检测方法。（2）了解电子元件焊接的基本知识与要求，能够进行简单的手工焊接。（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单电路的调试方法。1.1.2 设计要求（1）熟悉八路数码显示抢答器的基本工作原理。（2）掌握常用元器件分类命名型号规格参数表达方法、常用元器件识别及测量方法、元器件安装使用方法以及元器件检测与筛选方法。（3）掌握实现抢答、编码、优先、数显、复位及讯响电路的基本原理与方法。（4）掌握555定时及数码管的原理及应用方法。1.2设计内容1.2.1 步骤 （1）设计一个能正常工作的八路数码显示抢答器，其功能要求如下： a.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1 S8表示抢答键。 b.设置一个系统复位按钮S9，该开关由主持人控制。 c.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，优先锁存相应的编号，并在数码管上显示，同时扬声器发出声响提示。优先抢答选手的编号可由主持人手动清除。（2）完成产品的安装与调试（3）完成设计报告1.2.2 电路所需器件介绍 （1）使用CD4511 它是常用的七段显示译码驱动器，内部除了七段译码电路外，还具有锁存电路和输出驱动器部分，输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED 数码管。CD4511 由4 个输入端A/B/C/D 和7 个输出端ag，它还具有输入BCD 码锁存、灯测试和熄灭控制功能。CD4511引脚图如图1-1所示 图1-1 CD4511引脚图 （2）使用NE555设计多谐振荡器，控制蜂鸣器发出声讯提示 （3）数码显示器 数码管通常有发光二极管LED数码管和液晶LCD数码管。本设计提供的为 LED 数码管，如图1-2所示。它显示最先抢答者的相应的代号，方便主持人宣布最先抢答者。 图1-2 LED数码管2. 设计原理与电路图2.1 总体设计 整个系统的工作原理流程图如图2-1所示 图2-1 工作原理流程图 电路包括主体电路和扩展电路两部分。主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。 电路要完成以下功能 （1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号。 （2）扬声器发出短暂声响。 （3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答。 （4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。2.2 模块设计根据设计要求，抢答器电路可分为四个模块：抢答锁存模块设计、译码显示模块设计、555定时模块设计和数码显示器模块设计。2.2.1 抢答锁存模块设计由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住。同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路可完成这一功能。当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”，则CD4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这 10个数字的分析如图2-2 锁存优先功能电路图可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平，而g为低度电平，这时Q1导通，D13、D14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚（即LE端）为低电平“0”，这种状态下，CD4511没有锁存而允许BCD码输入。在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当S1-S8任一键按下时，CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使CD4511的第5脚（即LE端）由0到1，反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g 七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码的显示状态。例如S1按下，数码管应显示1，此时仅e、f为高电平，而d为低电平，此时三极管Q1的基极亦为低电平，集电极为高电平，经D13加至CD4511第5脚（即LE端），即LE由0-1状态，则在LE为“0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据被判定优先而锁存，所以数码管显示对应S1送来的信号。 图2-2 锁存优先功能电路图 2.2.2 译码显示模块设计编码器实现了对开关信号的编码，并以BCD码的形式输出，为了将输出的BCD码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。2.2.3 555定时模块设计 抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器，555构成的多谐振荡器的工作原理如图2-3所示：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压uc由0按指数律上。当uc2/3 Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0，Q等于0，Q非等于1，输出uO跃到低电平UOL。于此同时。放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，uc随之下降。当uc下降到uc1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0，基本RS触发器被置为1，Q等于1，Q非等于0，输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。同时因Q非等于0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。电路又回到第一暂稳态。因此，电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。 图2-3 555定时器工作原理图 将NE555多谐振荡器与成音多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡，扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止振荡，此时扬声器无音频输出。2.2.4 数码显示器模块设计LED数码管是目前最常用的数字显示器，它分为共阴管和共阳管。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。2.3 设计原理图 该抢答器电路可同时进行八路优先抢答。按键按下后，蜂鸣器发声，同时数码管显示优先抢答者的号数，抢答成功后，再按按键，显示不会改变，除非按复位键。复位后，显示清零，可继续抢答如图2-3所示。 图2-3 数字抢答器电路原理图各个按键显示的工作原理如下：高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚（A位），7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0001”；高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚（B位），1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0010”；高电平通过编码二极管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7脚（B、A位），1、7脚为高电平，2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0011”；高电平通过编码二极管D5加到CD4511集成芯片的2脚（C位），2脚为高电平，1、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0100”；高电平通过编码二极管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7脚（C、A位），2、7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0101”；高电平通过编码二极管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2脚（B、C位），1、2脚为高电平，6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0110”； 高电平通过编码二极管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7脚（B、C、A位），1、2、7脚为高电平，6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0111”； 高电平加到CD4511集成芯片的6脚（D位），6脚为高电平，1、2、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“1000”。 输入的BCD码就是键的号码，并自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。3. 安装与调试3.1 安装准备根据上面设计的原理图把以下列出来的各个元件如表3-1所示安装到电路板上，然后焊接电路。 表3-1 元件清单 （1）电阻的识别 目前，电子产品广泛采用色环电阻，其优点是在装配、调试和修理过程中，不用拨动元件，即可在任意角度看清色环，读出阻值，使用方便。一个电阻色环由4部分组成（不包括精密电阻）四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。 （2）二极管的识别二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。 （3）电容的识别电容用于交流耦合、滤波、隔断直流、交流旁路和组成振荡电路等，电容的标注分为直接标注和色标法。通过学习，我明白了直接标注的电容是用数字直接表示电容量，不标单位。标注 14 位整数时，其单位是pF，标注为小数时，其单位是F。也有用三位数字表示容量大小，默认单位是pF，前两位是有效数字，第三位是有效倍率（10m），当第三位是9时，则对有效数字乘以 0.1。而色标法则同电阻器的标注。检测电容的方法是利用电容的充放电特性，一般用万用表电阻档测试电容的充放电现象，两只表笔触及被测电容的两条引线时，电容将被充电，表针偏转后返回，再将两表笔调换一次测量，表针将再次偏转并返回。用相同的量程测不同的电容器时，表针偏转幅度越大说明容量越大。测试过程中，万用表指针偏转表示充放电正常，指针能回到，说明电容没短路，可视为电容完好。 （4）三极管的识别 一般的三极管就是三个管脚，很容易识别，所以识别三极管重要的是识别三极管是NPN或PNP型，以及各管脚所代表的极性。而这些的判断都需要使用万用表。判断极性：对圆柱型三极管，若管脚处接头有突出物，则将管脚冲上，顺时针依次为 EBC 极若没有突出物，则管脚根处间隙较大的两跟管脚对向自己，顺时针依次为EBC极。对半圆型三极管，将管脚向上，半圆向自己，顺时针为EBC极。判断三极管的类型：在基于以上极性判断的前提下NPN 管，基极接黑表笔，测得电阻较小。PNP管正好相反。以上就是我对常用电子元件的识别和检测方法。3.2 焊接3.2.1 焊接准备 （1）焊接所需的工具和仪器焊接用的工具有电铬铁、焊锡和助焊剂、还有为了方便焊接操作常采用尖嘴钳、偏口钳、镊子和小刀等做为辅助工具。焊接前，应对元件引脚或电路板的焊接部位进行焊前处理。 （2）预热电烙铁3.2.2 焊接方法 （1）右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。 （2）将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在23秒钟。 （3）抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。 （4）用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。3.2.3 焊接 （1）焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。要保证焊接质量。好的焊点应是锡点光亮，圆滑而无毛刺，锡量适中。锡和被焊物融合牢固。不应有虚焊和假焊： a.虚焊是焊点处只有少量锡焊住，造成接触不良，时通时断。 b.假焊是指表面上好像焊住了，但实际上并没有焊上，有时用手一拔，引线就可以从焊点中拔出。这两种情况将给电子制作的调试和检修带来极大的困难。只有经过大量的、认真的焊接实践，才能避免这两种情况。 (2)焊接电路板时，一定要控制好时间太长，电路板将被烧焦，或造成铜箔脱落。从电路板上拆卸元件时，可将电烙铁头贴在焊点上，待焊点上的锡熔化后，将元件拔出。3.3 调试3.3.1 调试将两根导线所在的电路板上的正负端接到5V电池的正负极上，然后打开开关，听到有锋鸣声，就是有人抢答，然后看二极管上显示的数字，抢答之后显示的数字如下：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 数码管上显示的数字就是代表对应该数字的这个人抢到了抢答的机会。 3.3.2 调试中出现的问题及解决方法 (1）现实电路不稳定的问题 在完成电路的焊接进入调试阶段是发现抢答器数码管显示选手编号不稳定.主要表现在单选手按下抢答器后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进行检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。 (2）控制开关无法控制电路在调试时发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时队电路用万用表逐个检查，发现是开关处焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。4. 总结 这次做的八路数码显示抢答器的课程设计使我收益很大，它很大程度上培养了我们的动手能力特别是通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊工艺的重要性；各个芯片的引脚功能不能混淆，在焊的过程中千万不能把它们都焊到一起去，要不然会导致电路短路，从而调试不出数据出来。要了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，注意二极管的正负极不能接反。正确焊接各芯片各管脚连接必须严格按照电路板上指定的线路来接从而以确保在焊接过程和调试过程中芯片不能被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。 八路数码显示抢答器了解它的工作原理非常重要，如果当当只是一昩的操作而不知道它的内部结构是怎样的，电路是怎样工作的，也是无用的，这次的课程设计也使我懂得了做一样东西就要把它做好，从真正意义上把它搞懂，这样才能使自己真正受益。 总之，在这次课程设计过程中我学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在书本上，还在原地踏步，那是绝对不行的，我们应该多出去实践，自己多动手做些实验，不要光学理论知识，这次的实验总体上使我的动手能力有所提高，希望今后多参加一些课程的实践，全方面提升自己。5. 参考文献 1刘建清从零开始学数字电子技术国防工业出版社，2007 2杨刚，周群电子系统设计与实践电子工业出版社，2004 3唐程山电子技术基础 高等教育出版社, 2004 4 余孟尝数字电子技术基础（第三版）高等教育出版社，2005 5 王金矿、李心广、张晶等电路与电子技术基础机械工业出版社，2008 6康华光,邹寿彬电子技术基础模拟部分（第四版）高等教育出版社,2005 7谢自美 电子线路设计实验测试华中科技大学出版社, 2007