【正文】 1．定時積分 在確定的時間內(nèi)對取樣電壓進行積分即 是定時積分。 啟動信號 S 輸入負窄脈沖（ S=0），使計數(shù)器、 JK 觸發(fā)器 QS清零，開關(guān) S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時開關(guān) S2 閉合，使積分電容放電， Ov =0。負脈沖消失后（ S=1），開關(guān) S2 斷開，積分器對取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降， 0?Ov ，比較器輸出邏輯 1。允許 n 位二進制計數(shù)器對周期脈沖 CP 計數(shù)。當(dāng)進位 C=1 時，下一個 CP 脈沖使計數(shù)器復(fù)零、 JK 觸發(fā)器 QS=1，定時積分結(jié)束，定壓積分開始。 取啟動信號 S的負脈沖剛消失的時 刻為時間零點，并設(shè)時鐘脈沖 CP 的周期為 TCP。則對取樣電壓的積分時間 T1為 T1=2nTCP 是確定不變的。積分器輸出電壓為 ? ????? t SIOSIO tRCnTvvdnTvRCtv 0 )()0()(1)( ? 積分器輸出電壓與時間成線性關(guān)系，其斜率是負的，與取樣電壓 )( SI nTv 和積分器的時間常數(shù) RC有關(guān)。 )( SI nTv 越大，負斜率也越大。 定時積分的工作波形如圖 3所示，圖中繪出了 2個取樣電壓的情況。 定時積分結(jié)束時的積分器輸出電壓為 )(2)()(11 SICPnSIO nTvRCTTRCnTvTv ???? 與取樣電壓成正比。 2．定壓積分 在定時積分期間， 當(dāng)計數(shù)器的進位 C=1時，下一個 CP脈沖使計數(shù)器復(fù)零和 JK觸發(fā)器QS=1， 開關(guān) S1 選擇 基準電壓 VREF，積分器開始對基準電壓 VREF 做定壓積分。由于比較器輸圖 2 雙積分 ADC 電路原理圖 J Q C1 K R Q0 Q1 ? Qn1 C CP n 位二進制 R 計數(shù)器 + + A C amp。 CP S VREF )( SI nTv LSB MSB D0 D1 Dn10 R C S1 S2 O t Ov Cv QS O t S O t QS T1 T2 O t S1選 Iv S1選 VREF Ov Cv 計數(shù) 進位回 0 時刻 圖 3 雙積分 ADC 工作波形 9 出邏輯 1，計數(shù)器從 0繼續(xù)計數(shù)。與此同時，積分器輸出電壓上升 )(2)()()(1)(111 SICPntTR E FOR E FO nTvRCTTtRCVTvdVRCtv ??????? ? ? 積分器輸出電壓同樣與時間成線性關(guān)系，其斜率是正常數(shù)，與基準電壓 VREF 和積分器的時間常數(shù) RC有關(guān)。定壓積分的工作波形如圖 。當(dāng) 0)( ?tvO 時，比較器輸出邏輯0，計數(shù)器停止計數(shù)，并保持計數(shù)結(jié)果 B Z（通常為自然二進制數(shù)）。從定壓積分開始到計數(shù)器剛停止計數(shù)（ 0)( ?tvO ）的時間 T2為 CPZTBT ?2 并且，在計數(shù)器停止計數(shù)時刻，積分器輸出電壓為 0，即 0)(2)( 221 ???? SICPnR E FO nTvRCTTRCVTTv 所以 )(22 SIREFCPn nTvV TT ? 定壓積分時間 T2與取樣電壓成正比。在此期間，計數(shù)器從 0 開始對周期脈沖 CP 計數(shù)，直到停止并保持計數(shù)值 BZ。所以 )(22 SIR E FnCPZ nTvVTTB ?? 計數(shù)器的二進制數(shù)與取樣電壓成正比，是取樣電壓對應(yīng)的數(shù)字量。實際上 CP脈沖可能與比較器的邊沿不同步，導(dǎo)致計數(shù)器可能漏計或多計一個脈沖。故上式應(yīng)修正為 )(21 SIREFnZ nTvVB ?? 雙積分 ADC的單位模擬電壓 LSB為nREFVLSB 2? 四、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器件 集成雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MC14433原理電路和引腳圖如圖 4所示。 器件的輸入電壓范圍是 0V~Vref， Vref是基準電壓。輸出數(shù)字量是 4為 8421BCD碼，經(jīng)多路復(fù)用器從 Q3Q2Q1Q0輸出，位數(shù)指示信號是 DS1（千位）、 DS2（百位）、 DS3（十位）、DS4（個位）。 MC14433自帶時鐘、極性檢測和邏輯控制電路等，實現(xiàn)雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 10 圖 4 五、 MC14433 直流電壓表 電路如圖 5 所示。 MC1403 提供穩(wěn)定精確的 2V 基準電壓。 MC14543 是顯示譯碼驅(qū)動電路。其余器件請查集成電路手冊。 直流輸入電壓范圍是 0V~2V。增加測量電路和量程轉(zhuǎn)換電路即可實現(xiàn)本課題要求。 六、 參考文獻 1) 《中國集成電路大全》編寫委員會編，中國集成電路 大全 TTL 集成電路。北京： 11 國防工業(yè)出版社， 1985。 2) 【美】 編著，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，南京：江蘇科學(xué)出版社， 1982. 3) 彭介華 編著， 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo) ， 北京 :高 等教育出版社 ， 1996 年 。 4) 高吉祥主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計，北京：電子工業(yè)出版社， 2020年。 12 數(shù)字電子鐘 一 、目的 （ 1） 掌握數(shù)字電子鐘的設(shè)計方法； （ 2） 掌握常用數(shù)字集成電路的功能和使用。 二、數(shù)字鐘的功能及要求 （ 1）功能 設(shè)計一個具有計時、顯示“時、分、秒”和校時功能的數(shù)字電子鐘。 ① 顯示時、分、秒； ② 具有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間； ③ 計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前 10 秒進行蜂鳴報時； ④ 為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由晶體振蕩 器提供表針時間基準信號。 （ 2）設(shè)計要求 ① 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）； ② 元器件及參數(shù)選擇； ③ 電路仿真與調(diào)試； （ 3）編寫設(shè)計報告 寫出設(shè)計與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。 三、設(shè)計原理及框圖 數(shù)字電子鐘原理如圖 1 所示。石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生穩(wěn)定的校時信號（ 2Hz）和“秒”計時信號 (1Hz)。對“秒”計時信號進行 60 進制計數(shù)，形成“分”計時信號和秒計數(shù)值；再對“分”計時信號進行 60進制計數(shù)，形成“時”計時信號和分計數(shù)值；進一 步圖 1 數(shù)字電子鐘原理框圖 “分”計時信號 “時”計時信號 “秒”計時信號 校時信號 13 對“時”計時信號進行 24進制計數(shù)得到時計數(shù)值。秒計數(shù)值、分計數(shù)值和時計數(shù)值譯碼顯示時間。 四、典型的單元電路 （ 1） 石英晶體振蕩器 用 CMOS 反相器和石英晶體振蕩器產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定準確的 32768Ｈ z 的方波信號，保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。 （ 2） 分頻器 一個 14 位 2 進制計數(shù)器和 1 個 1 位 2 進制計數(shù)器； （ 3） 60 進制計數(shù)器和 24 進制計數(shù)器 用 2 個 10 進制計數(shù)器形成 100 進制計數(shù)器，再做適當(dāng)?shù)姆答伩蓸?gòu)成 60進制或 24 進制計數(shù)器。 （ 4） 校時電路 校時電路如圖 3 所示，用基本 RS觸發(fā)器消除機械開關(guān)的抖動，使校時電路穩(wěn)定可靠。當(dāng)開關(guān)撥到計時側(cè)時，校時電路輸出計時信號；當(dāng)開關(guān)撥到計時側(cè)時，校時電路輸出校時信號。對“分”校時電路，計時信號為“分”計時信號，輸出則為“分”計數(shù)器的計數(shù)信號；對“時”校時電路，計時信號為“時”計時信號，輸出則為“時”計數(shù)器的計數(shù)信號。 圖 3 校時電路 計時信號 校時信號（ 2Hz） 校時 計時 計時信號 或 校時信號 圖 2 石英晶體振蕩器 14 （ 5） 顯示器 用 7 段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器顯示時間?？刹捎蔑@示譯碼器 74LS48 驅(qū)動共陰極數(shù)碼管實現(xiàn)計時顯示。 五、參考元件 （ 1）共陰極 LED 數(shù)碼管 （ 2）顯示譯 碼器 74LS48 （ 3） 4MHz 石英晶體振蕩器 (4) 計數(shù)器 74LS90 (5) 門電路 74LS04,74LS10,74LS00 (6 ) D 觸發(fā)器 74LS74 六、參考文獻 1) 《中國集成電路大全》編寫委員會編，中國集成電路大全 TTL 集成電路。北京：國防工業(yè)出版社， 1985。 2) 楊兆選 ， 丁潤濤 編， 555 定時器原理及實用電路集錦 ，天津： 天津大學(xué)出版社 ，1990。 3) 彭介華 編著， 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo) ， 北京 :高等教育出版社 ， 1996 年 15 數(shù)字式競賽搶答器 一、設(shè)計目的 掌握數(shù)字式競賽搶答器的 電路的組成、工作原理和設(shè)計方法。 熟悉常用數(shù)字邏輯電路的工作原理及使用方法。 二、設(shè)計內(nèi)容及要求 在許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答 者，通常設(shè)置一臺搶答器，通過數(shù)顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時還可以設(shè)置記分、犯規(guī)及獎勵記錄等多種功能。該設(shè)計就是針對上述各種要求設(shè)計出的供 6名選手參賽使用的數(shù)字式競賽搶答器。 本題要求是： 1．設(shè)計制作一個可容納六組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)計一個搶答按鈕供搶答者使用。 2．電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能。 給主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。 在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并發(fā)出搶答指令后，若參賽者按下?lián)尨痖_關(guān)，則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的 組別，同時揚聲器發(fā)出“嘀－嘟”的雙音音響持續(xù) 2～ 3秒。此時，電路應(yīng)具備自鎖功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。 搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 3．設(shè)置記分電路。每組在開始時預(yù)置成 100 分，搶答后由主持人記分，答對一次加10分，否則減 10分。 4．設(shè)置 30秒的搶答定時電路。 當(dāng)主持人按下開始按鈕后，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時時間。若 30 秒內(nèi) 無人搶答，倒計時結(jié)束時，揚聲器響，音響持續(xù) 2～ 3秒。若參賽選手在設(shè)定時間（ 30 秒）內(nèi)搶答有效，則搶答成功，揚聲器響，音響持續(xù) 2～ 3秒，同時定時器停止倒 計時，搶答顯示器上顯示選手的編號。搶答成功后立即啟動 2 分鐘的答題定時電路，定時顯示器上顯示剩余答題時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 5．設(shè)置犯規(guī)電路。對提前搶答和超時搶答（答題時間設(shè)定為 2分鐘）的組別鳴喇叭示警，并由組別顯示電路顯示出犯規(guī)組別。 6. 用石英晶體振蕩器或 555集成定時器產(chǎn)生頻率為 1Hz 的脈沖信號，作為定時計數(shù)器的 CP 信號。 三、設(shè)計思路 （ 1）本題的根本任務(wù)時準確的判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。在得到第一信號后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組再次發(fā) 出搶答信號也無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效，否則應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。 （ 2）當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二級管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號控制一個具有兩種工作頻率的交替變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚聲器發(fā)出兩個笛音音響，表示該題搶答有效。 （ 3）記分電路可采用 3位七段數(shù)碼管顯示，由于每次都是加或減 10分，故個位總保持為零，只要十位和百位做加 /減計數(shù)即可，可采用兩級十進制 加 /減計數(shù)器完成。 16 四 、參考方案 1．總體方案原理框圖： 其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到 清零 狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置撥至開始 狀態(tài)，宣布 開始 ，搶答器工作。搶答定時器 30秒倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示等功能。如果再次搶答必須由主持人再次操作 清除 和 開始 狀態(tài)開關(guān)。 2． 單元電路參考方案 (1)搶答開關(guān)電路參 考方案 1 利用 8線 /3線優(yōu)先編碼器 74148實現(xiàn)搶答功能的鑒別與鎖存，電路如圖２所示。 圖 2 搶答開關(guān)電路方案 1圖 該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同清零 命令 主持人 搶答開關(guān) 組別鎖定 第一信號鑒別 組別顯示 (數(shù)碼管 ) 組別顯 示 (LED) 窄脈沖形成 穩(wěn)壓電源 圖 1 數(shù)字式智力競賽搶答器原理框圖 定時器 犯規(guī)電路 音頻信號發(fā)生器 預(yù)置 記分電路 加分 (主持人 ) 減分 (主持人 ) 17 時譯碼顯示電路顯示該編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關(guān) S 置于 清零 端時， RS 觸發(fā)器的 R 端均為０，４個觸發(fā)器輸出置０，使 74LS148 的 ST ＝０ ，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān) S置于 開始 時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下 S5）， 74LS148 的輸出 ,010012