數(shù)字電路課程設(shè)計—投彈游戲機設(shè)計報告

1、<p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　課程設(shè)計名稱： 數(shù)字電路 </p><p>　　課程設(shè)計題目： 投彈游戲機 </p><p>　　學(xué) 院 名 稱：

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

3、;/p><p>　　數(shù)字電路 課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　20 －20 學(xué)年 第 學(xué)期　第 周－ 周 </p><p><b>　　摘 </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次數(shù)字

4、電路設(shè)計的課題是投彈游戲機。該游戲機的設(shè)計以由555電路構(gòu)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(xiàn)電路進行分步設(shè)計，將實現(xiàn)電路分成幾個功能模塊，再將模塊整合，以實現(xiàn)設(shè)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(shù)可調(diào)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(shè)計內(nèi)容及設(shè)計要求2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)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(diào)試及結(jié)果分析11</p><p>　　4.1 作品調(diào)試11</p><p>　　4.2 結(jié)果分析11</p><p>　　4.3 制作過程中的結(jié)果分析11</p><p>　　第五章 實驗結(jié)

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(shù)字電子技術(shù)是當前發(fā)展最快的學(xué)科之一，數(shù)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(yīng)地，數(shù)字邏輯電路的設(shè)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(shè)計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設(shè)計、軟件邏輯設(shè)計及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路設(shè)計。</p><p>　　本次課程設(shè)計內(nèi)容

10、是設(shè)計并制作一個投彈游戲機。游戲投彈機是一種新型數(shù)字游戲，該投彈機系統(tǒng)組成有：由555構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數(shù)器（CD4017），R-S觸發(fā)器電路（CD4001），音頻震蕩器（CD4001），喇叭驅(qū)動電路。投彈游戲機是采用模塊設(shè)計，分模塊安裝方法設(shè)計而成。利用NE555構(gòu)成矩形脈沖發(fā)生器（頻率和占空比可調(diào)）電路；CD4017（分頻器）對由NE555產(chǎn)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(chǎn)生的信號而產(chǎn)生延時，并驅(qū)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(diào)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(guān)閉合后可發(fā)現(xiàn)555產(chǎn)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(nèi)如果閉合相應(yīng)的開關(guān)，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(shè)計是成功的。</p><p>　　第一章 設(shè)計內(nèi)

12、容及設(shè)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(shù)器、RS觸發(fā)器、音頻振蕩器、喇叭驅(qū)動電路構(gòu)成；</p><p>

13、;　　主要參考器件：555、CD4017、CD4001。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)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(gòu)成占空比及頻率可調(diào)的脈沖發(fā)生電路（多諧振蕩電路）；</p><p>　　第二部分：由CD4017計數(shù)器對由NE55

14、5產(chǎn)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(chǎn)生的信號進行延時控制LED燈亮?xí)r長，并由CD4001中的或非門構(gòu)成的音頻振蕩器驅(qū)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(gòu)成占空比可調(diào)的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，產(chǎn)生時鐘脈沖；</p><p>　　2）十進制移位計數(shù)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(guān)模擬投擲小球，投中則產(chǎn)生一脈沖信號；</p><

16、p>　　5）延時電路：產(chǎn)生的脈沖信號，經(jīng)延時電路延時5秒左右，以驅(qū)動音頻振蕩器；</p><p>　　6）無穩(wěn)音頻振蕩器：振蕩產(chǎn)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(chǎn)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(gòu)成占空比及頻率可調(diào)的脈沖發(fā)生電路（多諧振蕩電路）；</p><p>　　第二部分：由CD4017計數(shù)器對由NE555產(chǎn)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(jīng)由或非門構(gòu)成的延時電路產(chǎn)生延時；</

18、p><p>　　第五部分：用555構(gòu)成的音頻振蕩受信號控制產(chǎn)生振蕩，以驅(qū)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(diào)的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，產(chǎn)生時鐘脈沖；</p><p>

19、　　2）十進制移位計數(shù)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(chǎn)生的脈沖信號，經(jīng)延時電路延時5秒左右，以驅(qū)動音頻振蕩器；</p><p>　　6）555音頻振蕩器：由5

20、55芯片產(chǎn)生一1000Hz左右的音頻信號；</p><p>　　7）蜂鳴器：小球投中時產(chǎn)生“祝賀”的聲響。</p><p>　　方案一結(jié)構(gòu)簡單，易于實際制作及功能的實現(xiàn)，但精度低；</p><p>　　方案二電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，精度也高。</p><p>　　在滿足設(shè)計要求的前提條件下，應(yīng)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(shè)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(jīng)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(nèi)部斷開，電源又開始對電容充電。如此重復(fù)該充放電過程，從而產(chǎn)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(xiàn)占空比及周期的可調(diào)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(xiàn)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(shù)器CD4017，CD4017是由計數(shù)器和譯碼器兩部分電路組成。</p><p>　　CD4017有3個輸入端：復(fù)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(fù)位狀態(tài)時，只有Q0表現(xiàn)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(gòu)成多位計數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換到高電平，并能與時鐘允許端連接成n級，以構(gòu)成多位計數(shù)器，實現(xiàn)更廣的計數(shù)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(xiàn)順序脈沖產(chǎn)生功能，整個輸出時序是Q0～Q1～Q2…Q9…依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。這種計數(shù)器的兩個時鐘輸入端CP和。當端接低電平時，計數(shù)脈沖由另一輸入端CP輸入，在脈沖上升沿時觸發(fā)計數(shù)；當CP端接低電平時，計數(shù)脈沖由端輸入，在脈沖下降沿觸發(fā)計數(shù)。另外，該計數(shù)器有復(fù)位清零功能，CD4017的復(fù)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(shù)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(guān)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(gòu)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(zhuǎn)，OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖剑瓿裳訒r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(fù)充放電過程來

32、實現(xiàn)觸發(fā)器連續(xù)不斷地翻轉(zhuǎn)，從而使OUT（即圖中的U1C的輸出端）產(chǎn)生振蕩信號，進而驅(qū)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(guān)K1閉合后，NE555芯片開始工作，產(chǎn)生一定頻率及占空比的矩形波，其頻率由R1、RP1、RP2、C1，實現(xiàn)功能后可調(diào)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?xí)r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(fù)位清零端（15腳）在由C2和R4構(gòu)成的微分電路上電后立即變成低電平，不再工作于復(fù)位狀態(tài)，即計數(shù)器正常計數(shù)，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?qū)動發(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(yīng)的二極管熄滅，同時Q2變?yōu)楦唠娖剑琇ED3點亮……如此循環(huán)，實現(xiàn)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(yīng)的開關(guān)時，聯(lián)系CD4001的橋梁即連通了，使得由計數(shù)器對應(yīng)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(zhuǎn)和R6和C4充

36、放電，實現(xiàn)延時功能，從而使被投中的那個燈延長點亮?xí)r間；再由Y2輸出端觸發(fā)音頻振蕩電路工作，使之驅(qū)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(diào)試及結(jié)果分析</p><p><b>　　4.1 作品調(diào)試</b></p><p>　　調(diào)試過程中用到了直流電壓源

37、和數(shù)字示波器和調(diào)節(jié)電位器的起子。</p><p>　　通過對電路進行的模塊設(shè)計及調(diào)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(jié)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(guān)后可以發(fā)現(xiàn)555輸出部分的LED11和LED12循環(huán)點亮，而且，用起子調(diào)節(jié)電位器RP1和R

38、P2可以發(fā)現(xiàn)二燈的燈亮?xí)r長可以出現(xiàn)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(guān)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(yīng)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(jié)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(xiàn)輸出是尖脈沖，而LED11和LED12的顯示表明了產(chǎn)生的波形占空比可調(diào)，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(diào)試發(fā)現(xiàn)十個LED燈未實現(xiàn)循環(huán)順序點亮，經(jīng)多次檢查后發(fā)現(xiàn)按鍵開關(guān)不是對角接，從而出現(xiàn)部分LED燈相互短接的情況，經(jīng)修改

40、后可以正常點亮了，這其中還要注意Q0～Q9對應(yīng)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(diào)試中均有預(yù)期效果。</p><p><b>　　第五章 實驗結(jié)論</b></p><p>　　通過一周的設(shè)計及制作還有調(diào)試，可以得到關(guān)于設(shè)計制作投彈游戲機的一些結(jié)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(chǎn)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(qū)動計數(shù)器計數(shù)，此部分電路可由函數(shù)信號發(fā)生器代替工作；</p><p>　　3）計數(shù)器的選擇可以不是十進制的，只要可以驅(qū)動多個LED燈順序循環(huán)點亮即可；</p><p

42、>　　4）此設(shè)計中的CD4001是本設(shè)計的精華部分，可實現(xiàn)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(guān)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(xiàn)了其工作模塊及相應(yīng)的原理。</p><p><b>　

43、　參考文獻</b></p><p>　　【1】 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室.</p><p>　　【2】 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室</p><p>　　【3】 王琉銀主編. 數(shù)字電路邏輯設(shè)計. 高等教育出版社</p><p>　　【4】 畢滿清主編. 電子技術(shù)試驗與課程設(shè)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(xué)技術(shù)出版社</p><p>　　【6】 付子儀主編. 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書. 河南理工大學(xué)</p><p>　　【7】 王震江，張常年主編. 綜合電子設(shè)計與實踐.清華大學(xué)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(yīng)用. 機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　【10】閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).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(diào)試過程中所需的儀器設(shè)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>