数电综合性实验指导书(数字电路)

实验名称：开放性综合实验

所涉及课程：数字电路

计划学时：9

一、实验目的

1、综合应用所学的数字电路知识，学会查找相关资料，针对设计提出的任务要求和使用条件，设计制作合理、可靠、经济、可行的电子产品。

2、培养学生的分析课题任务、解决问题的能力。

3、培养严谨的科学态度和认真的工作作风。

4、完成电路连接和调试方法。

二、实验内容（见附件并任选一个，也可以自拟题目）

1、多路信号显示转换器

2、光电计数器

3、汽车尾灯控制电路

4、可预置的定时显示报警器

5、六人智力抢答器

6、拔河游戏模拟机

三、实验（设计）仪器设备及材料清单

1、数字电路实验箱     2、双踪示波器    3、万用表、 4、实验材料清单（根据设计内容确定）

四、实验要求

1、设计制作一套实现某一功能的电子产品。

2、撰写调试测试方法和设计报告。

五、实验步骤及结果测试

1、明确设计任务要求：充分了解设计任务的具体要求，如性能指标、内容及要求，明确设计任务。 

2、方案选择：根据掌握的知识和资料，针对设计提出的任务、要求和条件，设计合理、可靠、经济、可行的设计框架，对其优缺点进行分析，做到心中有数。 

3、根据设计框架进行电路单元设计、参数计算和器件选择： 

具体设计时可以模仿成熟的电路进行改进和创新；根据电路工作原理和分析方法，进行参数的估算与计算；器件选择时，元器件的工作电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求，元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般应大于额定值的1.5倍，电阻和电容的参数应选择计算值附近的标称值。 

4、电路原理图的绘制：

电路原理图是组装、焊接、调试和检修的依据，绘制电路图时布局必须合理、排列均匀、清晰、便于看图；信号的流向一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，反馈通路的信号流向则与此相反；图形符号要标准，并加适当的标注；连线应为直线，并且交叉和折弯应最少，互相连通的交叉处用圆点表示，地线用接地符号表示。 

5、调试测试方法和设计报告撰写

六、考核形式

1、制作考核：设计电路原理和功能的完成情况，板的制作工艺和组装工艺等（10分）

2、书面考核：设计报告的完成质量、撰写水平等（20分）

七、实验报告要求

1、课题名称

2、内容摘要

3、设计内容及要求

4、比较和选择的设计方案

5、单元电路设计、参数计算和器件选择

6、画出完整的电路图。并说明电路的工作原理

7、组装调试的内容，如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法

8、总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望

9、列出元器件清单

10、列出参考文献

11、收获、体会

附：数字电路综合性设计参考课题

一、 多路信号显示转换器

在数字电路测试中，为了分析系统的逻辑关系，往往需要同时显示几个被测点的电压波形，以便于观察和比较。为使单踪示波器能同时显示多路被测信号波形，可在单踪示波器的输入端接入一个多路转换电路，实现对多路信号的同时观察。

要求设计一个多路信号转换器，与单踪示波器配合使用，同时显示多路被测信号。其技术指示如下： 

（1）同时显示八路输入信号波形且清晰稳定；

（2）被测信号上限频率不小于2KHz。

二、 光电计数器  

工厂生产线或某些设备上（如复印机），常装有自动计数器，以便计算产量或为生产过程自动化和计算机管理系统提供数据，计数器的种类很多，光电计数器是常见的一种。

设计并制作一个光电计数器，要求如下：

（1）光源采用聚焦白炽灯，电压为6.3V ，自行选择光敏器件。当有光照到光敏器件上时，计数器不计数，当光照由亮突变到暗的一瞬间，产生一个脉冲沿，对这个脉冲沿进行计数，光照由暗突变到亮不计数。

（2）计数范围：00～99。用两只LED数码管作显示组件，可显示00~99。

（3）定数控制功能：当需要定数时，事先预置一个定数值，显示器同时显示这个定数值。每光照一次，计数器减“1”，当定数值减至“00”时，发出声、光报警。

（4）当计数器作“累加”功能时，需先清零，计数器从“00”累加到“99”。当光照次数大于99次时，发出声、光报警。 

三、 汽车尾灯控制电路

汽车尾灯安装在汽车尾部左、右两侧，一般各为三盏，用来警示后面的汽车，告诉本车左、右转弯、停车、刹车等状况的。

要求设计一个汽车尾灯控制电路，用6只发光二极管模拟6只汽车尾灯，左、右各三只，用四个开关分别模拟刹车信号K、停车信号K、左转弯信号K和右转弯信号K。

1．正常情况下，汽车左（或右）转弯时，该侧的三只尾灯按图所示的周期亮、暗，状态转换时间为1秒，直至断开该转向开关。

2．无制动时（无刹车，K=“0”），如司机不慎将两个转向开关接通，则两侧尾灯都作同样的周期变化，示意图同上图。

3．在刹车制动时（K＝“1”），所有6只尾灯同时亮。

4．停车时（K=“1”），6只尾灯均按1Hz频率闪亮直到K＝“0”为止。

四、 可预置的定时显示报警器

可预置的定时显示报警系统可用于任意定时系统，如篮球比赛规则中，队员持球时不能超过24秒，则可预置24秒，该方队员在24秒内未出手投篮，则报警，给运动员和裁判以准确信号。如果在24秒内任一时刻出手投篮，则定时显示重新置24秒。该设计要求如下：

1．设计一个可预置24秒的显示报警系统，要求每次预置时间为24秒，然后以秒为单位递减到0秒，报警并停止计数。

2．在24秒递减到0秒期间，任意时刻内均可由一个置“24”的按钮，人为地置入“24”，然后接着递减。

3．报警音响为1秒的“嘀”声。

五、  六人智力抢答器

1.技术要求

(1)当有某一参赛者最先按下抢答开关时，相应的显示灯亮并伴有音响提示。此时，抢答器不再接受其它的输入的抢答信号;

(2)电路具有回答问题的时间控制功能，要求回答问题的时间100秒（显示00－99）时间显示采用倒计时方式。当达到限定时间时（即显示器为00时）发出声响，以示警告；

(3)要求电路主要选用中规模TTL或CMOS集成电路；

(4)电源电压5～10V，由稳压电源提供，不另行设计。

2.综合实验内容

(1)  电路各部分的组成及工作原理；

(2)  元器件的选用，电路原理图和功能；

(3)  电路各部分的调试方法；

(4)  在整机电路设计、调试过程中，遇到什么问题，其原因及解决办法。

    3.  设计思路提示及参考方案。

根据设计要求，智力竞赛抢答器组成框图如下图所示，它主要由六部分组成。

(1)抢答控制器

智力竞赛抢答器的核心，当任意一位参赛者按下开关时，抢答控制器立刻接受该信号，并使相应的发光二极管点亮，共用的音响电路发出声音，与此同时，封锁住其它参赛者的输入信号，这就要求抢答器的分辩能力高，同时要求电路有6组输入和输出，电路可考虑用6个D触发器和6个与非门组成（供参考）。

(2)抢答控制输入电路，由6个开关组成，6人各控制一个，按下开关使相应控制端信号为高电平或低电平。

(3)清零装置，供每次比赛前主持人使用，它能保证每次抢答前使抢答器清零，避免电路的误动作和抢答过程中的不公平。采用由主持人控制开关，同时使每人的抢答电路同时清零的方式。

(4) 显示、声响电路

每个抢答器显示电路可由发光二极管显示，显示字型代表组号，也可为单一发光信号，如果是一个发光管，且功率不大，可直接由抢答器驱动；如果要醒目，加大功率或用多个大功率发光管，则要单独采用驱动电路，可用继电器或晶闸管来作驱动器件。

声响电路为6组共用，只要有抢答者出现都会发出音响，鸣响器件用扬声器，因此必须加一级三极管驱动电路，输入信号有音频信号、抢答信号和“时间到”信号。

    （5）计数、显示电路

该电路的作用是对抢答者回答问题时间进行控制，规定的时间小于或等 于100秒，所以显示装置应该是一个二位数字显示的计数系统。因为要求是倒记时，当主持 人给出“请回答”指令后，从“99”倒记时，当记到“00”时，要能够驱动声响电路发出警告声，由此可知，当主持人给出指令后，两位计数器同时计“9”（置9），CP信号为秒脉冲，进行减法计数，当两位数为“00”向高位借数时，送出音响控制信号，计数器同时不再计数。

（6）振荡电路。

由上面分析，需要振荡信号的电路有：

控制器信号：振荡信号频率越高，抢答控制器的分辩力越好，建议采用500kHz；

音频信号：使音响电路发出单一鸣响声，建议采用1kHz;

秒脉冲信号：为计数显示提供秒脉冲信号。

这几个不同频率的信号源可用一个振荡电路来完成，采用分频方式得到不同频率的信号。

六、拔河游戏模拟机

1、技术要求

(1).电路使用15个（或9个）发光二极管，开机后只有中间一个发亮，此亮点表示拔河的中心点；

(2).游戏的双方各持一个按钮，迅速地、不断地按动按钮，产生脉冲信号，谁按得快，亮点就向谁的方向移动，每按一次，亮点移动一次；

(3).亮点移到任一方终端发光二极管时，这一方获胜，此时，双方按钮不起作用，输出保持不变，只有复位后才使亮点重新回到中心；

(4).用数码管显示获胜方的盘数。

2、综合实验内容

(1).根据设计要求画出实验电路图；

(2).选用元器件及列出元器件清单；

(3).拟定出实验步骤；

(4).搭建实验电路及拟定电路的调试方法。

3、设计思路提示及参考方案

(1).按钮发出的脉冲信号有毛刺，所以必须将按钮信号经整形电路变成占空比很大的脉冲信号，使每按一下按钮仅能产生单次有效脉冲，利于计数。

(2).用可逆计数器的加、减计数输入端分别接受两路脉冲信号，可逆计数器原始输出状态为0000，经译码器输出，使中间一只发光二极管发亮。

(3).可逆计数器要有2个输入端，4个输出端，要能进行加/减计数。

(4).用一个4线―16线译码器，输出接15个（或9个）发光二极管。比赛开始，译码器输入为0000，解碼后中心处发光二极管点亮，当计数器进得加法计数时，亮点向右转；进行减法计数时，亮点向左转。

(5).由一个控制电路指示谁胜谁负，当亮点移到任一方终端时，由控制电路产生一个信号，使计数器停止计数。

(6).将双方终端发光二极管“点亮”信号分别接两个计数器的使能端，当一方获胜时，相应的计数器进行一次计数，这样得到双方取胜次数的显示。

(7).设置一个“复位”按钮，使亮点回到中心，取胜计数器也要设置一个“复位”按钮，使之能清零。

根据以上提示，可以画出拔河游戏模拟机的电路框图，如下图所示。

拔河游戏仿真机电路框图