四人抢答器课程设计说明书安阳工学院

1. 设计背景

1.1了解数字系统的定义及组成

在数字电路中电路系统一般包含有输入电路、控制电路、时钟电路还有电

源……在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设

计合适的输入接口电路。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其

形式包括各种输入接口电路。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进

行过滤、放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通

过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。

1.2掌握Multisim 软件和DXP 软件

Multisim 软件是由加拿大IIT 公司推出的大型设计工具软件。它不仅提

供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功

能，同时还提供了一个庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪器表，可以满足

对一般的数字逻辑电路、模拟电路、模拟电路以及数字-模拟混合电路进行分析

和设计的需要。DXP 软件是一个高效的PCB 制版软件，能够掌握Multisim 软件

3.4 安装与调试

2. 设计方案

2.11任务分析

1. 本次科程设计要求为四人抢答器，且具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，

因此要选用四D 触发器74LS175。抢答电路的设计还要求为10秒，因此选用计

数器74LS192、多谐振荡器、双D 正边沿触发器74LS74组合来实现。

2. 抢答过程中还需要计时显示电路用来提醒抢答者剩余抢答时间，此时显

示电路由BCD-7译码器/驱动器、共阳极数码管共同完成。当有抢答信号发出，

第一抢答者产生，系统用扬声器提示第一抢答者出现，并用发光二极管指示。

2.2方案论证

（1）555定时器的连接

555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，如下图所示，有二

个比较器A1和A2，有一个RS 触发器，R 和S 高电平有效。三极管VT1对清零

起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电

通路。比较器的输入端有一个由三个5kW 电阻组成的分压器，由此可以获得 和

两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND ，2脚是低触发端

TL ，3脚是输出端OUT ，4脚是清除端Rd ，5脚是电压控制端CV ，6脚是高触发

端TH ，7脚是放电端DIS ，8脚是电源端VCC 。555定时器的输出端电流可以达

到200mA ，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如扬声器、发光二极管等。

555定时器图

将四个开关信号分别接至四D 触发器四个D 输入端，将由555定时器组成

的多谐振荡器发出的高频脉冲接至四D 触发器脉冲端口。当系统抢答信号发出，

第一者抢答者信号生成，四D 触发器所对应的Q 端口输出高电平，此时指示发

光二极管Led 闪亮。同时将～Q 端口和高脉冲相与接至四D 触发器脉冲端口，

由于～Q 端口发出低电平信号，从而封锁了抢答电路。在此同时，四D 触发器～

Q 端口的低电平信号也接至声光指示模块上，和10秒倒计时模块中555定时

组成的多谐振荡器的1Hz 时钟相与后，从而封锁倒计时模块。

（2）74LS192

74LS192这个计数器是十进制的，在设计时电路比较简单，我们在学习进制

设计时已经使用过，基本了解它的各项功能。对于六进制的设计不是很大的问

题，同时由于RST 清零，L`D`的保持功能可以很方便的实现清零开始, 暂停继续

这两个功能。因此选用这种方案。

74LS47是一种BCD 码输入的四线-七段译码器。

3. 方案实施

3.1原理图设计

1. 显示电路设计 显示电路的设计目的是为了提醒抢答者剩余抢答时间的

多少便于抢答。因此需要将倒计时模块产生的信号接至显示电路中。其中显示

电路的完成需要BCD-7段译码器/驱动器和数码管。由于此次设计提供的器件为

阳极数码管，因此需要将CA 端口接至高电平。具体电路图如下图所示。

U6

5V

2. 报警器的设计 具体电路如下图

当有人抢答的时候触发开关或着超时的时候，就会有电信号进入这个报警器的

电路，LED 就会变亮，同时蜂鸣器也受到高电平的激发，进而发出声响。

3. 时钟电路设计

根据课程实验的要求，设计中系统要求倒计时为10秒。以设计电路中集成

电路数目最少，种类最少，互相间连线最少为最简标准，设计为由555定时器

组成的多谐振荡器发出的1Hz 时钟脉冲接至预置数为9的计数器74LS192，当

74LS192倒计时为0时借位信号发出，将借位信号接至D 输入端口始终接高电

平的双D 正边沿触发器74LS74的脉冲输入端口，从74LS74的～Q 的端口输出

低电平。将此低电平信号与1Hz 时钟脉冲相与，从而封锁了倒计时模块。整个

过程由预置数为9的计数器74LS192到双D 正边沿D 触发器74LS74的～Q 的端

口输出低电平信号产生，恰好为10秒，实现了时钟电路设计。具体电路如下图

所示

图中关于由555定时器组成的多谐振荡器的原理为把555定时器的THR 端

口和TRI 端口连在一起构成施密特触发器，然后将V0经RC 积分回路接回输入

端。由于C 的容量较大不宜直接由555定时器的G4提供电容充放电流，为此将

DIS 端口与R1接成了一个反向器，它们的输出VOD 与V0在高低电平状态上完

全相同，因此图中是将VOD 与R2和C 组成的积分电路接到施密特触发器输入端

构成多谐振荡器。由电容C 上的电压VC 在VT+和VT-之间往复振动，知电容C

的充放电时间T1和T2。T1=(R1+R2)*C*ln2,T2=R2*C*ln2,因此电路振荡周期为

T=T1+T2=（R1+2*R2）*C*ln2,振荡频率为f=1/T=1/（R1+2*R2）*C*ln2。输出

脉冲占空比为q=T1/T=(R1+R2)/ （R1+2*R2）。由于设计要求为f=1Hz,占空比为

2/3,因此R1=R2=48K。由于本次数电实习提供47K 的电阻，因此会产生一定的

误差。

3. 抢答电路设计 四个抢答开关信号分别接至四D 触发器的四个D 输入端，

由555定时器组成的多谐振荡器发出的高频脉冲信号接四D 触发器脉冲输入端。

具体电路图如图下所示。

3. 电路的设计中还应添加电源的位置

3.2电路仿真

用multism9软件根据原先绘制的电路图绘制各单元的相应逻辑电路图后，

进行仿真，期间可能会出现不能正常实现原先所设定的功能，但经过思考与修

改，以及在老师的帮助下发现自己的错误与不足，并接受老师给予的意见和建

议，设计出能正常实现所要求的功能的电路图，用multism9进行仿真，得出所

要的结果。。在各单元电路设计的基础上，用multism9软件把各单元电路连接

起来，绘制出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，

对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。整体的电路如附件

3.3 PCB制作

首先建立PCB 文件，对元件选择正确封装，利用网络表导入元件，然后进

行布线，先要进行一系列的参数设置，并要移动元件的位置尽量得到最佳布局，

我们采用的是手动布线的方法。

1、单位采用公制单位（mm ）。

2、电源线和地线要求采用0.8mm 或是0.6mm, 如果从两个焊盘中间穿过时

用0.4mm 或0.3mm 。

3、信号线采用0.5mm 。如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm 或0.3mm 。

4、焊盘的内径用0.9mm 或0.85mm 。外径根据需要进行修改，一般为X 方

向1.6 mm，Y 方向2.0mm ，或是X 方向2.0 mm，Y 方向1.6mm 。

最后进行PCB 打印，电路板焊接，焊接过程中注意是否为虚焊, 同时也要注意

锡不能过多造成电路短。

3.4 安装与调试

首先建立PCB 文件，对元件选择正确封装，利用网络表导入元件，然后进

行布线，先要进行一系列的参数设置，并要移动元件的位置尽量得到最佳布局，

我们采用的是手动布线的方法，这样可能使出现尽可能少的跳线。然后，在老

师的帮助下制出电路板，明白了电路板制作的过程，并没有想像中的困难。最

后进行焊接. 安装，电路的安装过程中注意元件特别是发光二极管是否接反，电

路焊制过程中，焊锡千万不能与铜融合以防止短路，另外本次试验中时钟脉冲

开关采用六脚封装，信号脉冲开关采用四脚封装，因此在安装过程中一定要与

PBC 板上的电路接法想吻合。电路完成安装后，进行第一次调试，发现并不能

正常的工作。仔细检查后发现是电路板的电路线有很小的断路的现象。焊好了

断处的电路，发现还是不能正常的工作。经过再一次的检查以后，发现一些地

方由于距离过近，在焊的过程时有锡造成了电路的短路，于是吸锡后重新焊接，

进行调试后发现问题得到解决在安装过程中也出现了一些易犯的错误，如芯片

装反，引脚没焊接好等错误，都是以后应该注意的。

4. 结果与结论

4.1结果

由于缺乏设计和布线的经验，结果并不是十分的理想。其元件布局也不是

十分的合理，导致外接导线多，功能基本也能够实现。由于在设计过程中，众

多因考虑的不够周全，使实验的误差很大，以致最后设计出的电路不能够实现

预期的功能，导致前功尽弃，以后要注意加强动手动脑的能力，避免犯想当然

的错误。

4.2结论

通过设计，我认识到了自己对数电这门课的理解程度以及熟练和掌握程度，

了解了自己的不足，和以前学习过程中的方法的选择的不适当，有助于我们更

好地学好数字电子技术基础，并为我们今后的学习打下了坚实的基础。在这次

课程设计中，我学到了许多书本上不可能学到的东西，同时对数电这门课有了

更深的了解，锻炼了我们的动手操作能力，以及把所学知识运用到实际的生活

当中去的能力。例如本次课程设计的计数报警器，只有通过组合书本上的零碎

知识，并运用才能很好的制作。通过此次课程设计，我学会了运用Multism9制

作仿真图，运用DXP 制图，布线，了解了制作电路板的全过程及原理，让我受

益匪浅，我也认识到我所学的知识并不是空的理论，而是能用到生活和工作每

一方面的。

同时课程设计也使我看到了自己身上的不少缺点和不足，例如对它不够重

视，缺乏耐心恒心和毅力，以前养成了眼高手低的坏毛病，在今后学习和工作

过程中，尽最大努力克服这些缺点和不足。一些实际问题，通过逻辑电路可以

实现。有一个良好的学习及钻研的习惯，认真踏实的态度，才能作好每一件事。

5. 致谢

感谢电子信息工程与电气工程学院给我这次学习的机会，特别感谢老：胡

万里侯军师的耐心辅导以及在设计中给我出的宝贵建议和意见，帮助解决了不

少的困难，使我少走了不少的弯路，在此，我表示深深的感谢！

6. 参考文献

（1）阎 石 数字电子技术（第五版）[M] 北京：高等教育出版社，2005

（2）童诗白 模拟电子技术基础 （第四版）[M]北京：高等教育出版社，2005

（3）谷树忠 刘文洲 姜航 Altium desinger 教程 [M]北京：电子工业出版社2010

7. 附件

7.1清单

7.2PCB

原理图

7.3 PCB 布线图