數字電路課程設計—投彈游戲機設計報告

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課程設計名稱： 數字電路 </p><p>　　課程設計題目： 投彈游戲機 </p><p>　　學 院 名 稱：

2、 </p><p>　　專業(yè)： 班級： </p><p>　　學號： 姓名： </p><p>　　評分： 教師： </p><p>　　20 年 月 日<

3、;/p><p>　　數字電路 課程設計任務書</p><p>　　20 －20 學年 第 學期　第 周－ 周 </p><p><b>　　摘 </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次數字

4、電路設計的課題是投彈游戲機。該游戲機的設計以由555電路構成的多諧振蕩電路、移位計時芯片和延時控制電路為主要研究對象，對實現電路進行分步設計，將實現電路分成幾個功能模塊，再將模塊整合，以實現設計所要求的功能，達成投彈延時蜂鳴的效果。除此之外還可借參數可調的優(yōu)勢，以達到自由控制閃燈頻率的特殊功能。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

5、;b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 設計內容及設計要求2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設計方案及選擇3</p><p>　　2.1 方案一3</p><p>　　2.2 方案二3</p><p>　　第三章 系統(tǒng)組成及工作原理5</p>

6、<p>　　3.1 脈沖發(fā)生器部分5</p><p>　　3.2 計時器及LED顯示部分6</p><p>　　3.3 電容延時部分7</p><p>　　3.4 音頻振蕩部分7</p><p>　　3.5 系統(tǒng)總圖及整體工作原理8</p><p>　　3.5.1 系統(tǒng)原理圖8<

7、;/p><p>　　3.5.2 系統(tǒng)工作過程及原理9</p><p>　　第四章 作品調試及結果分析11</p><p>　　4.1 作品調試11</p><p>　　4.2 結果分析11</p><p>　　4.3 制作過程中的結果分析11</p><p>　　第五章 實驗結

8、論12</p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p><b>　　附錄一14</b></p><p><b>　　附錄二15</b></p><p><b>　　附錄三16</b></p><p>&l

9、t;b>　　前 言</b></p><p>　　數字電子技術是當前發(fā)展最快的學科之一，數字邏輯器件已從60年代的小規(guī)模集成電路發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電。相應地，數字邏輯電路的設計方法在不斷地演變和發(fā)展，由原來的單一的硬件邏輯設計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設計、軟件邏輯設計及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路設計。</p><p>　　本次課程設計內容

10、是設計并制作一個投彈游戲機。游戲投彈機是一種新型數字游戲，該投彈機系統(tǒng)組成有：由555構成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數器（CD4017），R-S觸發(fā)器電路（CD4001），音頻震蕩器（CD4001），喇叭驅動電路。投彈游戲機是采用模塊設計，分模塊安裝方法設計而成。利用NE555構成矩形脈沖發(fā)生器（頻率和占空比可調）電路；CD4017（分頻器）對由NE555產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，使其輸出信號控制LED的順序輪流點亮；最后利

11、用CD4001因投彈產生的信號而產生延時，并驅動蜂鳴器，發(fā)出一定頻率的祝賀聲。</p><p>　　通過本次制作后的調試，得到了簡單的“老虎機”（即投彈游戲機）的工作原理，電源開關閉合后可發(fā)現555產生了占空比可變的脈沖，十個LED燈順序循環(huán)點亮，在某一個燈亮的時間內如果閉合相應的開關，則該燈會多亮若干秒，同時蜂鳴器發(fā)出聲音。這說明此次的設計是成功的。</p><p>　　第一章 設計內

12、容及設計要求</p><p><b>　　投彈游戲機</b></p><p>　　基本要求：10個LED燈順序點亮（移動速度可變），如果能夠在點亮的同時將小球投中目標，則發(fā)出1000HZ慶賀聲；</p><p>　　參考原理：系統(tǒng)由無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、十進制計數器、RS觸發(fā)器、音頻振蕩器、喇叭驅動電路構成；</p><p>

13、;　　主要參考器件：555、CD4017、CD4001。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設計方案及選擇</p><p><b>　　2.1 方案一</b></p><p>　　第一部分：利用NE555構成占空比及頻率可調的脈沖發(fā)生電路（多諧振蕩電路）；</p><p>　　第二部分：由CD4017計數器對由NE55

14、5產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，其輸出信號用于控制LED的點亮；</p><p>　　第三部分：利用CD4001因投彈產生的信號進行延時控制LED燈亮時長，并由CD4001中的或非門構成的音頻振蕩器驅動蜂鳴器，發(fā)出一定頻率的祝賀聲。</p><p>　　其工作的原理框圖如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 方案一原理框圖</p><

15、;p>　　1）555脈沖形成電路：由555芯片、電阻和電位器構成占空比可調的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，產生時鐘脈沖；</p><p>　　2）十進制移位計數器：使10個LED順次循環(huán)點亮；</p><p><b>　　3）LED顯示；</b></p><p>　　4）按鈕：其開關模擬投擲小球，投中則產生一脈沖信號；</p><

16、p>　　5）延時電路：產生的脈沖信號，經延時電路延時5秒左右，以驅動音頻振蕩器；</p><p>　　6）無穩(wěn)音頻振蕩器：振蕩產生1000Hz左右的音頻信號，傳輸至蜂鳴器；</p><p>　　7）蜂鳴器：小球投中時產生“祝賀”的聲響。</p><p><b>　　2.2 方案二</b></p><p>　　第一

17、部分：利用NE555構成占空比及頻率可調的脈沖發(fā)生電路（多諧振蕩電路）；</p><p>　　第二部分：由CD4017計數器對由NE555產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，其輸出信號用于控制LED的點亮；</p><p>　　第三部分：傳感器接收小球投中的信號，并將該信號傳輸給下一級；</p><p>　　第四部分：信號經由或非門構成的延時電路產生延時；</

18、p><p>　　第五部分：用555構成的音頻振蕩受信號控制產生振蕩，以驅動蜂鳴器工作。</p><p>　　其工作的原理框圖如圖2.2所示</p><p>　　圖2.2 方案二原理框圖</p><p>　　1）555脈沖形成電路：由555芯片、電阻和電位器夠成占空比可調的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，產生時鐘脈沖；</p><p>

19、　　2）十進制移位計數器：使10個LED順次循環(huán)點亮；</p><p><b>　　3）LED顯示；</b></p><p>　　4）傳感器：接收小球投中的信號，并傳給下一級電路；</p><p>　　5）延時電路：產生的脈沖信號，經延時電路延時5秒左右，以驅動音頻振蕩器；</p><p>　　6）555音頻振蕩器：由5

20、55芯片產生一1000Hz左右的音頻信號；</p><p>　　7）蜂鳴器：小球投中時產生“祝賀”的聲響。</p><p>　　方案一結構簡單，易于實際制作及功能的實現，但精度低；</p><p>　　方案二電路結構復雜，成本高，精度也高。</p><p>　　在滿足設計要求的前提條件下，應盡量簡化電路，降低成本，并綜合考慮實際制作方面的因素

21、，在此選擇方案一。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　3.1 脈沖發(fā)生器部分</p><p>　　矩形脈沖發(fā)生器的設計電路如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 多諧振蕩脈沖發(fā)生器</p><p>　　當直流電源接通后，電源通過R3、R2和D1對電容C2進行單向充電，當電容

22、C1充電到電源電壓的2/3 VCC時，電容C2開始經D2、R1對管腳7進行對地放電。當電容C2放電到電源電壓的1/3 VCC時，7腳內部斷開，電源又開始對電容充電。如此重復該充放電過程，從而產生脈沖并從3腳輸出。</p><p>　　該電路的充放電時間及輸出脈沖的占空比和周期如下：</p><p>　　充電時間：T1=R11*C2*ln2

23、 式（3.1-1）</p><p>　　其中R11為圖3.1-1中的R3及R2的上半部分；</p><p>　　放電時間：T2=R22*C2*ln2 式（3.1-2）</p><p>　　其中R22為圖3.1-1中的R1的下半部分；</p>

24、;<p>　　占空比：q=R11/(R11+R22) 式（3.1-3）</p><p>　　當R11=R22時，q=50%，即輸出方波；</p><p>　　周期：T=T1+T2=(R11+R22)*C2*ln2 式（3.

25、1-4）</p><p>　　使用電位器是實現占空比及周期的可調功能，從而控制LED燈的時長及循環(huán)的速度；</p><p>　　使用兩個二極管的目的是使充放電這兩個過程獨立，實現了對占空比及周期的單獨控</p><p><b>　　制；</b></p><p>　　瓷片電容C1的功能是濾波去雜。</p>&

26、lt;p>　　3.2 計時器及LED顯示部分</p><p>　　由于要使LED依次移動，故選擇十進制計數器CD4017，CD4017是由計數器和譯碼器兩部分電路組成。</p><p>　　CD4017有3個輸入端：復位端R，時鐘端CP（上升沿輸入端）和時鐘端CPE（也叫，下降沿輸入端）；有十個譯碼輸出端：Q0～Q9。在復位狀態(tài)時，只有Q0表現為高電平“1”狀態(tài)，其它端均為低電平“

27、0”狀態(tài)。另外還有進位輸出端OC，用于級聯(lián)以構成多位計數器。</p><p>　　在選擇上升沿作用后，該器件的10個譯碼輸出通常處于低電平且在時鐘脈沖由低到高的轉換過程中依次進入高電平；每個輸出在高電平維持10個時鐘周期中的1個時鐘周期；第10個輸出進入低電平后，進位輸出端OC由低電平轉換到高電平，并能與時鐘允許端連接成n級，以構成多位計數器，實現更廣的計數功能。</p><p>　　CD

28、4017又稱時序脈沖分配器。它的功能是在時鐘脈沖的作用下，實現順序脈沖產生功能，整個輸出時序是Q0～Q1～Q2…Q9…依次出現與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。這種計數器的兩個時鐘輸入端CP和。當端接低電平時，計數脈沖由另一輸入端CP輸入，在脈沖上升沿時觸發(fā)計數；當CP端接低電平時，計數脈沖由端輸入，在脈沖下降沿觸發(fā)計數。另外，該計數器有復位清零功能，CD4017的復位端是高電平有效，當清零端R接高電平時，輸出端Q0輸出高電平，將輸

29、出初始化，而Q1～Q9輸出低電平。</p><p>　　CD4017計數器的時序波形圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖 3.2 時序波形圖</p><p>　　LED顯示部分由十個LED燈和十個按鍵開關組成，一個按鍵控制一個LED燈，以模擬投彈系統(tǒng)。</p><p>　　3.3 電容延時部分</p><p>

30、;　　電容延時電路由或非門CD4001構成。（其資料見附錄二）</p><p>　　電容延時電路如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3電容延時電路</p><p>　　輸入信號由上圖U1A的懸空端輸入，當該端接收到一個脈沖信號時，輸出端OUT（即U1A的輸出端）輸出低電平，R-S觸發(fā)器另一輸出端（U1B的輸出端）由低電平變?yōu)楦唠娖?，并通過R給C充電，延時約5

31、秒，R-S觸發(fā)器OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖?，使R-S觸發(fā)器翻轉，OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖?，完成延時過程。</p><p>　　3.4 音頻振蕩部分</p><p>　　音頻振蕩電路同樣由或非門CD4001組成，其電路如圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 音頻振蕩電路</p><p>　　該電路通過C和R的反饋和反復充放電過程來

32、實現觸發(fā)器連續(xù)不斷地翻轉，從而使OUT（即圖中的U1C的輸出端）產生振蕩信號，進而驅動下面的蜂鳴器部分電路。</p><p>　　3.5 系統(tǒng)總圖及整體工作原理</p><p>　　3.5.1 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　將3.1～3.4的各部分電路進行整合修改，就可以得到如下圖3.5所示的投彈游戲機的工作原理圖：</p><p>　　

33、圖3.5 投彈游戲機工作原理</p><p>　　3.5.2 系統(tǒng)工作過程及原理</p><p>　　如圖3.5所示，當開關K1閉合后，NE555芯片開始工作，產生一定頻率及占空比的矩形波，其頻率由R1、RP1、RP2、C1，實現功能后可調節(jié)電位器RP1和RP2來改變矩形波的頻率和占空比，其中LED11和LED12分別用來顯示輸出脈沖的高低電平，當輸出脈沖處于高電平時LED12點亮，處

34、于低電平時LED11點亮，因此，可以通過觀察這二盞燈是否循環(huán)點亮和它們兩個的點亮時長來判斷第一部分電路是否正常工作及輸出脈沖的占空比；</p><p>　　555輸出的矩形波由管腳3輸出到CD4017的CP輸入端（上升沿觸發(fā)），此時CD4017開始工作計時，該芯片的復位清零端（15腳）在由C2和R4構成的微分電路上電后立即變成低電平，不再工作于復位狀態(tài)，即計數器正常計數，當輸入端接收第一個脈沖上升沿時，Q0輸出端

35、立即跳變?yōu)榈碗娖?，與此同時，Q1輸出端跳變?yōu)楦唠娖揭则寗影l(fā)光二極管LED2，當輸入端再接收一個上升沿脈沖時，Q1則變成低電平，其對應的二極管熄滅，同時Q2變?yōu)楦唠娖?，LED3點亮……如此循環(huán)，實現了十個LED燈的順序循環(huán)點亮；</p><p>　　當在某個燈亮期間閉合與該燈對應的開關時，聯(lián)系CD4001的橋梁即連通了，使得由計數器對應的高電平使CD4001中的電容延時電路開始工作，不斷地進行電平翻轉和R6和C4充

36、放電，實現延時功能，從而使被投中的那個燈延長點亮時間；再由Y2輸出端觸發(fā)音頻振蕩電路工作，使之驅動蜂鳴器發(fā)出一定頻率的聲響，從而使電路的功能更加完善，其中LED13用來顯示延長時間及蜂鳴時長。</p><p>　　第四章 作品調試及結果分析</p><p><b>　　4.1 作品調試</b></p><p>　　調試過程中用到了直流電壓源

37、和數字示波器和調節(jié)電位器的起子。</p><p>　　通過對電路進行的模塊設計及調試可以很清楚地知道出錯部分，從而對檢查錯誤提供了方便。</p><p><b>　　4.2 結果分析</b></p><p>　　當給整個電路加上5V的直流電壓時，閉合開關后可以發(fā)現555輸出部分的LED11和LED12循環(huán)點亮，而且，用起子調節(jié)電位器RP1和R

38、P2可以發(fā)現二燈的燈亮時長可以出現很明顯的改變，這說明了第一部分電路是成功的。</p><p>　　同時，第二部分的十個LED燈也可以循環(huán)順序點亮，說明第二部分電路工作正常。</p><p>　　閉合某個開關模擬小球投中后，可以觀察到LED13點亮的同時蜂鳴器發(fā)出聲音，同時被投中的那個燈延長了相應的時間，這說明第三部分電路工作正常。</p><p>　　4.3 制

39、作過程中的結果分析</p><p>　　此次制作分模塊進行，第一部分完成后接上示波器觀察555輸出，發(fā)現輸出是尖脈沖，而LED11和LED12的顯示表明了產生的波形占空比可調，撇開波形，只要得到上升沿和下降沿即可完成第二部分的工作。</p><p>　　第二部分在制作完成后調試發(fā)現十個LED燈未實現循環(huán)順序點亮，經多次檢查后發(fā)現按鍵開關不是對角接，從而出現部分LED燈相互短接的情況，經修改

40、后可以正常點亮了，這其中還要注意Q0～Q9對應的管腳，可控制燈亮的順序。</p><p>　　第三部分則是投彈部分，主要看LED13和蜂鳴器是否正常工作，調試中均有預期效果。</p><p><b>　　第五章 實驗結論</b></p><p>　　通過一周的設計及制作還有調試，可以得到關于設計制作投彈游戲機的一些結論：</p>

41、<p>　　1）投彈游戲機的基本組成部分由：脈沖發(fā)生、脈沖分配、脈沖顯示、信號延時、音頻振蕩；</p><p>　　2）脈沖發(fā)生部分是產生有高低電平（即有上升沿和下降沿）的波，這里是指矩形波，以驅動計數器計數，此部分電路可由函數信號發(fā)生器代替工作；</p><p>　　3）計數器的選擇可以不是十進制的，只要可以驅動多個LED燈順序循環(huán)點亮即可；</p><p

42、>　　4）此設計中的CD4001是本設計的精華部分，可實現多個特色功能，如延時等，這樣就可以清楚地觀察到被投中的燈是哪一盞；</p><p>　　5）投彈游戲機中有效利用LED燈顯示相關功能，以幫助制作者檢查錯誤；</p><p>　　6）投彈游戲機是一個簡易的“老虎機”的制作，該制作較清晰地呈現了其工作模塊及相應的原理。</p><p><b>　

43、　參考文獻</b></p><p>　　【1】 康華光主編. 電子技術基礎. 華中理工大學電子學教研室.</p><p>　　【2】 康華光主編. 電子技術基礎. 華中理工大學電子學教研室</p><p>　　【3】 王琉銀主編. 數字電路邏輯設計. 高等教育出版社</p><p>　　【4】 畢滿清主編. 電子技術試驗與課程設計

44、. 機械工業(yè)出版社</p><p>　　【5】 宋春榮主編. 通用集成電路速查手冊. 山東科學技術出版社</p><p>　　【6】 付子儀主編. 電子技術課程設計指導書. 河南理工大學</p><p>　　【7】 王震江，張常年主編. 綜合電子設計與實踐.清華大學出版社，2004</p><p>　　【8】 劉修文主編. 新編電子控制電路.

45、 機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　【9】 陳有卿主編. 時基集成電路原理與應用. 機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　【10】閻石主編.數字電子技術基礎.高等教育出版社</p><p><b>　　附錄一</b></p><p><b>　　A．元件清單</b></p&

46、gt;<p>　　B. 調試過程中所需的儀器設備：</p><p><b>　　附錄二</b></p><p>　　CD4017的管腳圖及真值表</p><p>　　附圖2.1 CD4017管腳圖 附表2.1 CD4017真值表</p><p>　　CD4001或非門管腳圖及真值表&l

47、t;/p><p>　　附圖2.2 CD4001管腳圖</p><p>　　附表2.2 CD4001真值表</p><p><b>　　附錄三</b></p><p>　　multisim仿真原理圖</p><p>　　附圖3.1 multisim仿真原理圖</p><p>