電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2013－2014學(xué)年第一學(xué)期第19周－20周題目運(yùn)放電路制作搶答器內(nèi)容及要求1、具有搶答器等待顯示功能；2、具有搶答成功顯示功能，且不受外界干擾；3、具有復(fù)位功能。進(jìn)度安排1、方案論證2天2、分析、設(shè)計(jì)、3天3、焊接、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)3天4、檢查、整理、寫設(shè)計(jì)報(bào)告、小結(jié)2天學(xué)生姓名：楊接柯俊指導(dǎo)時(shí)間指導(dǎo)地點(diǎn):F樓409室任務(wù)下達(dá)2014年1月6日任務(wù)完成2014年1月17日考核方式1.評(píng)閱□2.答辯□3.實(shí)際操作□4.其它□指導(dǎo)教師系（部）主任目錄TOC\o"1-3"\h\u12704摘要 323416一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?426374二、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容 49613三、方案選擇及論證 543703.1總體方案設(shè)計(jì) 5146363.1.1設(shè)計(jì)思路 584613.2設(shè)計(jì)方案 5103113.2.1方案一 5306433.2.2方案二 7135863.2.3方案論證及選擇 7105583.2.4元件清單 831310四、設(shè)計(jì)步驟及方法 910007五、繪制電路圖、印刷板（PCB）圖及仿真 121729六、安裝調(diào)試 149186七、收獲和體會(huì) 173475八、參考文獻(xiàn) 18摘要搶答器作為一種工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種智力和知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)以運(yùn)放電路搶答器為基本概念，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù),采用LM324運(yùn)算放大器制成的搶答器具有線路簡(jiǎn)單、成本低廉、制作容易的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化；運(yùn)算放大電路；搶答器；仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^運(yùn)放搶答器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生回顧所學(xué)模擬電路電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握運(yùn)放電路和任意集成電路的綜合使用及設(shè)計(jì)方法，熟悉掌握LM324的應(yīng)用方法，達(dá)到電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。二、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容在許多比賽活動(dòng)中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設(shè)置一臺(tái)搶答器，通過燈光或音響等多種手段指示出第一搶答者。（1）設(shè)計(jì)制作一個(gè)可容納多組參賽的運(yùn)放搶答器，每組設(shè)置一個(gè)搶答按鈕供搶答者使用。（2）電路正常工作時(shí)有等待顯示（3）電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能。在主持人系統(tǒng)發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答開關(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(shí)指示燈(發(fā)光二極管)亮。此時(shí)，電路應(yīng)具備自鎖存功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。（4）主持人處有復(fù)位按鈕三、方案選擇及論證3.1總體方案設(shè)計(jì)3.1.1設(shè)計(jì)思路（1）本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可選擇使用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號(hào)之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號(hào)無效。同時(shí)還必須注意，第一搶答信號(hào)應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。（2）當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)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)光二極管直接指示出組別。（3）電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能。在主持人系統(tǒng)發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答開關(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(shí)指示燈(發(fā)光二極管)亮。此時(shí)，電路應(yīng)具備自鎖存功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。（4）主持人處有復(fù)位按鈕3.2設(shè)計(jì)方案3.2.1方案一２２０Ｖ交流電經(jīng)變壓器降壓，Ｄ１～Ｄ４整流，Ｃ１濾波，得＋１２Ｖ直流電壓，當(dāng)按下ＳＷ時(shí)（同時(shí)調(diào)ＲＰ在＋５Ｖ左右），ＬＥＤ４燈亮，指示等待狀態(tài)，搶答開始后，假設(shè)Ｋ１鍵最先按下，直流繼電器Ｊ１動(dòng)作→Ｊ２、Ｊ３被封鎖（Ｊ１－２、Ｊ１－３由常閉變?yōu)槌ｉ_）、Ｊ１－４常開閉合自保，Ｊ１－１常開閉合ＬＭ３２４①腳高電平經(jīng)Ｊ１－１送ＳＣＲ１可控硅控制極觸發(fā)ＳＣＲ１導(dǎo)通，ＬＥＤ１燈亮，指示Ｋ１搶答成功（注：ＬＭ３２４①腳輸出低電平必須調(diào)到能維持ＳＣＲ１可控硅導(dǎo)通狀態(tài)），ＬＥＤ４燈熄滅。其余Ｋ２、Ｋ３任何鍵按下Ｊ２、Ｊ３均不動(dòng)作。同理，若Ｋ２鍵最先按下，只有Ｊ２動(dòng)作，Ｊ１、Ｊ２均不動(dòng)作。該電路在任何時(shí)候只有唯一性。原理圖如下：圖3-2-1方案一原理圖根據(jù)原文及電路圖可知，開關(guān)ＳＷ閉合，ＬＭ３２４②腳（虛地），低于③腳電位，ＬＭ３２４正向輸入，經(jīng)ＬＭ３２４比較器后，①腳輸出高電平。當(dāng)按下Ｋ１后，ＬＭ３２４的①腳高電平觸發(fā)ＳＣＲ１可控硅導(dǎo)通，＋１１Ｖ經(jīng)ＬＥＤ１（燈亮、降壓約２Ｖ）、ＬＭ３２４②腳電位由低變高（約８Ｖ），并高于ＬＭ３２４③腳電位，經(jīng)ＬＭ３２４比較后①腳輸出低電平（ＬＥＤ４熄滅）。此時(shí)有兩種可能：其一，若搶答人員按?。耍辈环?，ＬＭ３２４①腳的低電平仍使ＳＣＲ１可控硅導(dǎo)通；如果該電壓不能維持ＳＣＲ１導(dǎo)通狀態(tài)，將使ＳＣＲ１變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，ＬＥＤ１燈熄滅，ＬＭ３２４的②腳電位由高變低且低于ＬＭ３２４③腳，ＬＭ３２４①腳將輸出高電平，又觸發(fā)ＳＣＲ可控硅導(dǎo)通，ＬＥＤ１燈又亮，進(jìn)入循環(huán)閃亮，同時(shí)，若按下Ｋ２、Ｋ３，此時(shí)ＳＣＲ２、ＳＣＲ３將與ＳＣＲ１可控硅導(dǎo)通阻斷狀態(tài)相同；如果該電壓能維持ＳＣＲ１可控硅導(dǎo)通狀態(tài)，按下Ｋ２、Ｋ３也同樣能維持ＳＣＲ２、ＳＣＲ３可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié)果，ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ４閃亮。其二，若搶答人員按下Ｋ１就放開按鍵（Ｋ１被斷開），ＳＣＲ１可控硅控制極失去控制電壓，ＳＣＲ１將由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，這時(shí)先后按下Ｋ２、Ｋ３，其結(jié)果與Ｋ１狀態(tài)相同，即ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ４閃亮混亂。因此，原文及電路圖無法正常工作，需作一些改進(jìn)。改進(jìn)電路只需在電路上增加三只直流繼電器即可（Ｄ２－１２Ｖ）。3.2.2方案二該搶答器電路簡(jiǎn)潔，搶答判斷采用亮燈提示的方式。本電路采用了一塊LM324運(yùn)算放大器，由于只需一路運(yùn)放。。該搶答器電路若增加可控硅及對(duì)應(yīng)LED、按鈕開關(guān)，可無限級(jí)擴(kuò)充搶答路數(shù)，應(yīng)用起來比較的方便。電路中，用于搶答的按鈕開關(guān)為常開型，用于復(fù)位的按鈕開關(guān)SWR為常閉型。原理圖如下：圖3-2-1原理圖電路安裝好后，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻PR使LED4點(diǎn)亮，搶答電路便可正常工作。例如按下?lián)尨疰ISW1，運(yùn)放1腳的高電平驅(qū)動(dòng)可控硅導(dǎo)通，LED1點(diǎn)亮提示第一組搶答成功，。同時(shí)運(yùn)放2腳電平上升高于3腳，運(yùn)放1腳變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)按下其它任何搶答鍵均無效。搶答結(jié)束，按一下復(fù)位按鈕SWR，電路重新上電回到初始狀態(tài)，可以開始新一輪的搶答3.2.3方案論證及選擇方案一中，除LM324作為主要器件之外，自鎖互鎖功能由繼電器實(shí)現(xiàn)。方案二中，除LM324作為主要器件之外，使用單項(xiàng)可控硅實(shí)現(xiàn)自鎖功能，使用元器件較少，同時(shí)方便操作與制作，所以確定方案二為使用方案。3.2.4元件清單3-2-4元件清單設(shè)計(jì)步驟及方法方案中需要使用LM234，以及單向可控硅。因此，我們需要對(duì)這兩個(gè)元件進(jìn)行基本的了解。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖4-1。參數(shù)描述：運(yùn)放類型:低功率放大器數(shù)目:4帶寬:1.2MHz針腳數(shù):14工作溫度范圍:0°Cto+70°C封裝類型:SOIC-3dB帶寬增益乘積:1.2MHz變化斜率:0.5V/μs器件標(biāo)號(hào):324器件標(biāo)記:LM324AD增益帶寬:1.2MHz工作溫度最低:0°C工作溫度最高:70°C放大器類型:低功耗溫度范圍:商用電源電壓最大:32V電源電壓最小:3V芯片標(biāo)號(hào):324表面安裝器件:表面安裝輸入偏移電壓最大:7mV運(yùn)放特點(diǎn):高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算邏輯功能號(hào):324額定電源電壓,+:15VLM324的特點(diǎn)：1.短路保護(hù)輸出2.真差動(dòng)輸入級(jí)3.可單電源工作：3V-32V4.低偏置電流：最大100nA5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列9.輸入端具有靜電保護(hù)功能管腳圖如下：圖4-1LM324管腳圖單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號(hào)作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，但一旦導(dǎo)通，外部信號(hào)就無法使其關(guān)斷，只能靠去除負(fù)載或降低其兩端電壓使其關(guān)斷。單向可控硅是由三個(gè)PN結(jié)PNPN組成的四層三端半導(dǎo)體器件與具有一個(gè)PN結(jié)的二極管相比，單向可控硅正向?qū)ㄊ芸刂茦O電流控制；與具有兩個(gè)PN結(jié)的三極管相比，差別在于可控硅對(duì)控制極電流沒有放大作用。單向可控硅的工作原理：可控硅導(dǎo)通條件：一是可控硅陽極與陰極間必須加正向電壓，二是控制極也要加正向電壓。以上兩個(gè)條件圖4-2單向可控硅的工作原理圖必須同時(shí)具備，可控硅才會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外，可控硅一旦導(dǎo)通后，即使降低控制極電壓或去掉控制極電壓，可控硅仍然導(dǎo)通?？煽毓桕P(guān)斷條件：降低或去掉加在可控硅陽極至陰極之間的正向電壓，使陽極電流小于最小維持電流以下?？煽毓鑵?shù)符號(hào)參數(shù)符號(hào)說明:IT(AV)--通態(tài)平均電流VRRM--反向重復(fù)峰值電壓IDRM--斷態(tài)重復(fù)峰值電流ITSM--通態(tài)一個(gè)周波不重復(fù)浪涌電流VTM--通態(tài)峰值電壓IGT--門極觸發(fā)電流VGT--門極觸發(fā)電壓IH--維持電流dv/dt--斷態(tài)電壓臨界上升率di/dt--通態(tài)電流臨界上升率Rthjc--結(jié)殼熱阻VISO--模塊絕緣電壓Tjm--額定結(jié)溫VDRM--通態(tài)重復(fù)峰值電壓IRRM--反向重復(fù)峰值電流IF(AV)--正向平均電流五、繪制電路圖、印刷板（PCB）圖及仿真確定方案后，使用protel99se制作電路圖并生成PCB板，進(jìn)而驗(yàn)證電路的可實(shí)施性。原理圖如下：圖5-1電路原理圖PCB板圖如下圖5-2PCB板圖運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真圖如下：圖5-3仿真圖通過仿真驗(yàn)證，無錯(cuò)誤，可以進(jìn)行實(shí)物安裝。安裝調(diào)試實(shí)物正面實(shí)物反面接通電源，常閉開關(guān)接通指示燈亮，顯示待命狀態(tài)。若有選手1號(hào)按下所在開關(guān)（搶答），。同時(shí)其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答無效。若有選手2號(hào)按下所在開關(guān)（搶答），。同時(shí)其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答無效。若有選手3號(hào)按下所在開關(guān)（搶答），。同時(shí)其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答無效。若需主持人重