电子技术课程设计：电子骰子

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1、电子技术课程设计电子骰子姓 名: 学 号: 小组成员: 班 级: 指导老师:一、课程设计目的本次课程设计主要是配合模拟电子技术和数字电子技术理论课程而 设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力， 提高实验技术，启发创新思想的效果。二、电子骰子功能设计要求（1）用1 个数码管显示数字 16，表示骰子的点数。（2）有一个按键，按下之后数码管的数字以 0.5 秒的时间间隔变化，松开按键 5 秒后，数字停止变化。（3）要保证出现的数字序列是随机的。（4）不能使用可编程器件实现。三、设计方案比较设计方案 1（仿真软件 Multisim10）在发现用单稳态很难达到延迟和频率变

2、化的效果后，而且压控振荡电路的输 入不能直接用电压幅度（伏值）可变的交流电压源。于是我们换思路思考，决定 把5 5 5压控振荡器换成另一压控振荡电路，即电压一频率转换电路（参考模电 P466 电路）。该压控振荡器由一个积分电路和一个滯洄比较器组成。原理：利用积分运算电路输出电压的变化去控制压控振荡器输出频率的变化 （开关断开后脉冲波频率渐渐变小），数码显示计数频率渐渐变慢。当经过 5 到 10 秒的时间后，电压达到一定值时，也就是说超过压控振荡器可控电压范围后， 振荡器失效，计数停止。从而就实现了电子骰子的功能要求。但是在Multisim仿真过程中，遇到了问题。单独仿真积分电路时输入直流， 输

3、出也是直流，幅值没有变化，这与理论不符，说明在Multisim中仿真不出我 们想要的结果。在 Multisim 仿真中，电压频率转换（压控振荡器），可以仿真出来脉冲波， 问题是它的脉冲波略有失真，并没有比我们先前使用的 555压控振荡器的脉冲波 的波形好看，所以这个方案无法用 Multisim 仿真软件实现。该方案理论上是可 以实现的，但是可能是 Multisim 仿真软件自身存在着问题，所以无法实现。设计方案 2（仿真软件 multisim10）经过方案1的仿真失败后，我们用multisimlO重新仿真。该方案采用方案2 的相似的原理。前面说过555振荡器仿真的波形比电压频率转换器的波形好，

4、 所以在这个方案中，我们使用 555 压控振荡器。（1）随机部分：由于要实现六个数字的随机变化，同时又要满足翻转一次的可 能，因此我们设计的时候在卡诺图的左侧画出了两个快速变化的信号X和Y,这 两个信号的变化很快的时候就可以实现随机信号的显示，同时这两个信号我们使 用555定时器实现，这不仅实现了信号的输入，同时可能出现误差产生的随机。（2）实际需要：考虑到实际中，人们玩的都是三个骰子，于是我们设计了三个 骰子，因此需要每个骰子都需要1中所提到的随机信号，因此我们使用3个信号源 （555定时器）的3种组合来实现信号的输入。（3）驱动部分：由于我们使用了 555定时器驱动三个JK触发器，即用55

5、5定时器 的OUT端口输出时钟脉冲给JK触发器的CLK端口，因此将积分电路的输出端接 在555电路的V CC端，由于经过测试，该555定时器的驱动电压大约为2.4V左右， 因此，当开关断开后，电容放电，直至VCC端电压低于2.4V时，该电压无法驱动 555定时器，因此555定时器停止发送0.5秒脉冲信号，所以数码管也停止了显示（如下图所示）。比较这两个方案，明显方案2能够最好的实现电子骰子要求的功能，且电路 也相对较简单，易实现；元器件易于寻找，方便做成实物电路板；理论原理与实 际仿真结果几乎一致，是个很好的设计方案。采用mul tisimlO软件仿真容易实现， 结果与我们所要求的一致，能很好

6、的完成题目所要求的功能。四、电路设计及理论分析1、电路基本原理：当开关闭合时，由于电容“隔直”，积分电路中与电容并联的电阻起主要作用， 此时积分电路相当于一个反相比例运算电路，使输入输出电压成一定比例，限定 了输出电压的大小。同时经过试验，为了能在 1秒之内快速充电使数字开始变化， 我们设定积分器的直流电压为-8V,该积分运算电路中，由于集成运放的同相输 入端通过R4接地，有“虚地”。由输出公式可知，当输入为直流信号时，输出电压 的幅值随时间变大而变大，且电压幅值与时间呈直线关系。而在实用电路中，为 了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，同时该电阻可以 很好的控制放点时间，为

7、了达到要求的 5 秒停止数字变化，可以利用数学比例关 系求的当电阻与电容分别为20K和200UF的时候电容放点时间为5秒。2、积分型电路设计及分析，如下图：20k!：R9 : -wv-20KL： 01 -II-DPAWIP_3T_VIRTUAL该积分运算电路中，由于集成运放的同相输入端通过R3接地，有“虚地” 由输出公式可知，当输入为直流信号时，输出电压的幅值随时间变大而变大，且 电压幅值与时间呈直线关系。而在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常 在电容上并联一个电阻加以限制。3、555 多谐振荡电路设计及分析，如下图：C10:X=2.4uF上图中是采用 555 定时器接成的多谐振荡器。集

8、成片中，管脚号功能：1、GND接地 2、TRI触发 3、OUT输出 4、RES复位 5、CON控制 6、THR 阀值 7、 DIS 放电VCC 电压由积分电路提供。经测试发现，555 定时器的触发电压是 2.4V 左右。振荡器输出端接入JK触发器的CLK端，最终实现数字管的数字以0.5秒的时 间间隔变化。4、JK触发器构成的1-6随机数电路每一个数字所对应出现的下一个数字都有四种可能状态。比如数字 1 的下一 个数可能出现 2、3、4、5，数字2的下一个数可能出现 1、3、4、6 等等。而数 字 1-6 的显示至少需要 3 位二进制码，因此我们选用了 3 个 JK 触发器连接到数 字管。计算如

9、下：根据设计要求，可画出电路状态转换表：XXY 、00000101101011011110110000XXX010010011010XXX01101001XXX011001001011XXX00100111XXX101101100101XXX10010110XXX100110110100XXX110110将表一中的卡诺图分解，分别画出表示Q0*, Q*, Q2*的卡诺图:Q2*的卡诺图:XQ2Q3XYX.00000101101011011110110000X0000X0001X0000X0011X1111X1110X1111X11Q1*的卡诺图:P2Q3xyK00000101101011011

10、110110000X1111X1101X1001X0011X0000X0010X0110X11Q0*的卡诺图:XXY 、00000101101011011110110000X0010X1001X1111X1111X1101X0110X0000X00化简得：Q2*=xQ1*=XY+XQ2Q1+XQ2Qi+YQ2Q1+YQ2Q1Q0*=XY+Y+YQ2Q1+XQ2Q0+XQ2Q1QoQ2*=XQ2+XQ2Q1*=(XY+XQ2 +YQ2)Q1+(XY+XQ2+YQ2)Q1Q0*=(XY+Y+YQ2Q1+XQ2Q1)Q0+(XY+Y+YQ2Q1+XQ2)Q0由 JK 触发器的状态方程 Q*=JQ+K

11、Q得到各触发器的驱动方程为：J2=X，K2=X J1= (x+y)(x+q2)(y+q2), ki=(x+y)(x+q2，) (y+q2) J0=Y (X+Q2+Q1，), K0=Y，(X+Q2，)由此可以得到逻辑电路图。为了实现数字出现的随机性，我们在卡诺图的左侧画出了两个快速变化的信 号X和Y,这两个信号的变化很快的时候就可以实现随机信号的显示，同时这 两个信号使用 555 定时器实现，这不仅实现了信号的输入，同时可能出现误差产 生的随机。另外，考虑到实用性，我们设计了 3个数字显示管同时工作。这就需要至少 3个555定时器来实现其随机性。五、实验总电路图LOSLi-fl4LDLD六、心得

12、体会经过两个星期的努力研究，每一次突破，都给我们带来喜悦。最终我们小组 以优异的成绩通过了验收，两个星期来的汗水没有白流，我们不仅收获了做电路 设计和仿真上的经验，同时也收获到享受成功时的那份心情，从苦到甜。 从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对 我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西； 我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。回头想想， 一项研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出来的，要经过不断努力和 试验才能实现。经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术 的知识，将三门学科有

13、机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们 只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来，虽然各自的学科学习掌握 的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现 的手足无措。经过这次课程设计，我们把平时支离破碎的知识进行了整合，做到 了融会贯通。最重要的是我们团结一致，两个人在一起研究和思考，一起提出意见和方法， 然后讨论出最佳的方案去设计，这才是我们成功的关键所在。希望以后能有这样 更多的机会来锻炼我们，因为我们所学的东西要理论与实践相结合的话，需要不 断的去实践，在实践中找到自己的不足之处，然后又目的的去纠正。这样学到的 东西才真正有价值。当然我们的实际作

14、品还存在很多不足，还要做很多改进，但是介于我们的时 间和知识储备都有限，所以未能一一解决。在实际的制作过程中，时钟脉冲信号 的稳定性问题一直困扰着我们，虽然在仿真软件中能够得到很理想的脉冲信号， 但是在实际中信号很不稳定；还有就是要在开关处添加防抖电路，这些都需要改 进。这次设计的作品还很不成熟，希望可以有机会完善的更好。七、参考文献1 吴友宇.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，20092 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，19983 吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，20094 Charles K.Alexander and Matthew N.O.Sadiku.Fundamentals of ElectricCircuits.北京：清华大学出版社，20005 邱关源. 电路. 北京：高等教育出版社， 20066 侯玉宝，陈忠平，李成群.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.北京:电子工业出版社