反应速度测试器.docx
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反应速度测试器
琼州学院本科生课程设计
《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，表示测试开始，减法计数器电路在时钟脉冲的作用下依次递减，由控制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。
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=3V,R=1MΩ，VT+=2.16V,
VT-=0.84V,C=16nF,
T=
×0.33×
×ln（
×
）=0.031
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62ms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;3～4s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：
图7
整体电路仿真电路如图8：
图8
4、电路安装与调试
（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，引脚较短的一端是负极，外皮上一般也有“—”号标识。
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
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
《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
设计报告
设计报告规范、完整、无原理性错误
40
电路设计
电路设计与参数计算
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
升级会员 