反应速度测试器

反应速度测试器 琼州学院本科生课程 《数字电子技术》课程设计 设计题目: 人体反应速度测试器设计 专 业: 电子信息科学与技术 班 级: 2011级 学生姓名: 程 宇 学 号: 11214050 指导教师: 郑泽龙老师,高级实验师, 2012年12月12日 人体反应速度测试器的设计 程 宇 (琼州学院 电子信息工程学院，海南 三亚 572022) 摘 要:本文介绍的这款制作电路是学习数字电路基础知识的理想器材，具有制作简单，成功率高，趣味性强等特点，通过对本电路的设计和安装调试提高了我们对数字电路理论的理解，特别是提升了我们实践动手能力。实验电路包括了脉冲电路和数字逻辑电路，并要求我们安装和焊接元器件，完成电路调试。通过对实验电路的搭接与实验结果的分析，强化了我们对数字电路应用的理解和动手能力的培养。 关键词:脉冲电路;数字逻辑电路;反应速度 1、设计任务 闭合电源开关，电源指示灯VD10点亮，一个减法计数器电路在时钟的作用下控制由 VD2,VD9组成的测试信号灯依次点亮。再延迟几秒后，测试信号灯 VD1点亮，示测试开始，减法计数器电路在时钟脉冲的作用下依次递减，由控 VD2,VD9组成的测试信号灯依次熄灭，在此过程中，当被测试人按下停止按制 钮时，一个双稳态电路被触发，它控制时钟电路停振，减法计数器处于保持状态。VD2,VD9的熄灭个数将记录为被测试者的反应速度。 2、电路设计 (1)电路方框图如图1 图1 (2)开机延时电路原理 如图2 所示，按下开启按钮K1，电源接通，指示灯LED10被点亮，显示电路接通。由于电容两端电压不能突变，所以C1上电压仍为0，或非门IC1B 输出1，指示灯LED1 不亮。但VCC会通过R1对C1充电，使得C1上电压升高，当C1上电压升 2 到大于CMOS 门的阈值电压时，或非门IC1B 输出发生翻转，由高变低，经两级反相门时间延迟后，使发光二极管LED1点亮，表示测试开始。 图2 (3)减法电路原理 CD4015 为一个4 位串入并出的移位寄存器，为实现8 位数串入并出，可将两片CD4015 级联，即第1 片的第4 位输出接第2 片的串行输入。电源接通时，或非门IC1B 输出1，该高电平信号从IC2B 的D 端串行输入，在时钟作用下，使IC2B 输出Q0Q1Q2Q3 依次变为“1”，Q3 接IC2A 的D 端，所以IC2A 的输出Q0Q1Q2Q3 依次变为“1”。当测试开始，或非门CD4001( IC1B) 输出“0”，该低电平又从移位寄存器串行输入端输入，使移位寄存器输出依次变成“0”。 (4)驱动显示电路原理 移位寄存器的8 位输出分别经8 个CD4069 构成的反相器驱动LE2 , LED9共8只发光二极管发光。电源接通时，移位寄存器输出1，反相后为0，对应二极管导通，LED2 , LED9被依次点亮。当测试开始，移位寄存器输出变为0，反相后为1，控制对应发光二极管截止，LED2 , LED9依次熄灭。 (5)停止控制电路原理 该部分电路最主要的是由2 个或非门IC1C 和IC1D 构成的RS 触发器，输入为高电平有效。当R=“1”，S =“0”时，触发器置0。当R =“0”，S=“1”时，触发器置1 当R =“1”，S =“1”时，触发器状态保持不变。当R =“0”，S =“0”时，触发器状态不定，应避免这种输入出现。在本电路中，按下停止按钮 3 K2前，电源VCC通过R12对C2充电，使C2上电压为高电平。该高电平使IC1A( 或非门) 输出“0”。同理IC1C 输入为“1”，反相后输出为“0”，IC1D 的两个输入均为“0”，控制由IC1D 和IC1C 构成的RS 触发器输出“1”，与之相连的二极管IN4148 截止。多谐振荡器正常工作，为移位寄存器提供时钟脉冲。电路工作过程中， 即使IC1C 的输入变为“0”，但双稳态电路IC1D 输出端仍能保证输出“1”。按下K2后，电容C2放电，使IC1A( 或非门) 一输入端信号为“0”( 另一输入接IC1B 输出端，也为“0”) ，则IC1A 输出“1”，控制RS 触发器IC1D 输出“0”。该低电平使二极管IN4148导通，多谐振荡器因接低而导致停振。移位寄存器没有时钟信号触发，状态保持不变。LED2 , LED9停止熄灭，保留当时的状态。 (6)多谐振荡器原理 该电路中时钟脉冲由施密特反相器构成的多谐振荡器产生，如图3 所示。 图3 将施密特的反相输出端经RC 积分电路接回输入端，即可构成多谐振荡器，如图3 所示。当接通电源以后，因为CD40106 输入引脚上接的电容的初始电压为零，所以CD40106 的输出为高电平，并且开始通过电阻R 向电容C 充电。当充到输入电压为V1 = VT +时，CD40106 的输出跳变为低电平，电容C 又经过电阻R 开始放电。当放电至Vi= VT ,时，输出电位又跳变成高电平，电容C 重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地振荡。 4 Vi和Vo的电压波形如图4 所示。 图4 在以上设计的震荡电路中: VDD = 3 V , R = 1 MΩ ，VT+ = 2.16 V, VT- = 0.84 V , C = 16 nF , 3,0.842.16,6,61010 T = × 0.33 × × ln ( × ) = 0.031 3,2.160.84 所以本设计中振荡电路的周期应该是31ms 。 (7)总体电路原理 在电路中，IC4( 施密特反相器CD40106 ) 、R15、C4等组成多谐振荡器，输出周期为62 ms 的时钟脉冲。IC2( 移位寄存器4015) 组成8 位右移寄存器，IC1( 或非门CD4001) 组成的开机延迟电路的输出信号作为其串行输入数据。闭合电源开关K1，由于IC1B 输出为“1”，在时钟脉冲作用下，IC4的8 位寄存单元迅速全为“1”，控制LED2 , LED9指示灯依次点亮; 3 , 4 s 后，IC1B 输出变为“0”，经过IC3( 反相器4069) 2 级反相后，测试信号灯LED1点亮，表示 5 测试开始。IC2的8 位寄存单元将在时钟脉冲作用下从左至右依次变为“0”，直至被测试者按下停止按钮K2，将IC1( 或非门4001)组成的RS 触发器置“0”，使多谐振荡器停振，IC2处于保持状态，其结果通过驱动电路IC3C ,IC4D 驱动发光二极LED2 , LED9显示。IC1A 的作用是使停止按钮K2只有在测试信号灯LED1亮后( 即开始测试) 才起作用，提前按下无效。 3、电路仿真与分析 (1)采用EDA仿真软件Multisim10对反应速度测试器电路进行仿真分析、调试，从而实现电路的优化设计。下图5为仿真软件Multisim10中多谐振荡器 图5 当输入如下图6的三角波时: 图6 对应的输出波形图如下 图7: 6 图7 整体电路仿真电路 如图8: 图8 4、 电路安装与调试 7 (1)正确识别和安装所用元器件。注意集成芯片的安装方向，色环电阻的阻值识别，发光二极管的正负极的判定，半导体二极管的正负极的判定，电解电容的正负极的辨别等。 (2)在做好的印制板上安装和焊接元器件，焊装注意如下事件: 一、焊接CMOS数字集成电路时要注意，电烙铁要可靠接地，或者拔下电源插头用余热焊接，防止感应静电击穿CMOS芯片。 二、印制板上共有6根跨接线，分别用J1一J6表示，可用剪下的多余元件引脚线来焊装。 三、发光二极管引脚较长的一极是正极，外圆带有一小段直线段的是负极，可按照印板上的字符标识安装。 四、IN4148二极管管身带有黑色环的一端是负极。C1、C5是电解电容，引脚 ”号标识。 较短的一端是负极，外皮上一般也有“— 五、电池盒的引线按照印板标识的“+”、“-”极性正确连接，切勿接反。 六、全部元件焊装完毕后，还耍仔细检查一下，元件是否都已正确安装，焊点是否牢固，焊盘、走线之间是否存在短路的地方，以确保装配无误。 (3)全面检查完毕后，通电测试，首先闭合电源开关K1，发光二极管LED10点亮，表明电源已接通，紧接着LED2,LED9被迅速点亮，延迟几秒后，LED1点亮，表示测试开始，LED2,LEE9迅速依次熄灭。此时按下停止按钮K2，则LED2,LED9立即停止熄灭，保留状态。如果电路工作不正常，再仔细检查装配是否都正确，按照工作过程，比照原理图，分级分段逐级检查故障点。 (4)下图9 为焊接完成的实物图 8 图9 5、 设计总结 通过完成该实验巩固了各个单元电路的知识，并且这对我来讲相当于进行一个完整的数字系统的综合训练。这样通过自己识别元器件，亲手安装和焊接在电路板上，加强了对电路的感性认识，增强了实践经验。本实验实现的成功率高，趣味性强，让我在该实验中体验电子制作的乐趣。 参考文献: [1] 阎石主编( 数字电子技术基础,M,( 北京: 高等教育出版社，2007，8 [2] 徐丽燕，胡飞跃，张亚君主编 基于移位寄存器的综合实验设计 ，2009，7 [3] 王毓银( 数字电路逻辑设计,M,( 北京: 高等教育出版社，2007 9 《模拟电子技术》课程设计评分表 设计题目:二阶低通滤波器的设计 学生姓名:程 宇 指导老师签名: 年 月 日 项目 主要内容 满分 得分 40 设计、完整、无原理性错 设计报告 误 电路设计 电路设计与计算 20 电路测试 测试结果与分析 20 电路安装 实际电路安装与调试 20 总分 100 10