拔河游戏的电路设计

课程名称：数字电路及数字系统

实验题目：拔河游戏的电路设计

课程简要信息

课程名称：数字电子技术

课程学时：50+20学时

适用专业：自动化专业、电子通信专业

学生年级：本科二年级

实验内容与任务

本实验的主要任务是设计拔河游戏的电路，总体思路是由一排LED发光二极管表示拔河的“电子绳”。游戏双方各拥有一个比赛按钮，参与者不停的按动按钮就会不断产生脉冲，谁快产生的脉冲就多，双方通过按钮输入信号使发光的LED管向一方的终点延伸，当延伸到某方的最后一个LED管时，则该方获胜，此时电路锁定，双方按键均无作用，只有当裁判员按了复位按键双方才能继续下一盘的比赛，连续比赛多局以定胜负。

（1）基本任务

① 分模块设计拔河游戏电路

② 利用multisim软件仿真拔河游戏电路

③ 利用数字电路实验箱搭建拔河游戏电路

④ 撰写实验报告

（2）扩展任务

实现多人拔河比赛电路。

实验过程及要求

（1）实验前

为避免盲目性，要求每名学员做好实验内容的预习。

① 明确实验目的与要求，根据基本任务，选择合适的器件，了解所用器件的使用方法，查阅器件管脚定义及性能指标；

② 完成基本任务的设计方案；

③ 思考扩展任务的实现方法。

（2）实验中

①要自觉遵守实验室各项规定。

②虚拟仿真：在Multisim环境下，对基本任务的电路进行仿真；

③电路测试：根据实验方案在数字实验箱上连接电路，测试电路功能，记录测试结果。

（3）实验后

①课堂讨论与总结

• 总结拔河游戏电路分模块的作用以及实现方法

• 实验中出现的问题以及解决方法

• 多人拔河比赛的实现方案。

②按要求认真完成实验报告。

相关知识及背景

本实验是运用数字电子技术解决现实生活实际问题的典型案例，相关知识包括中规模集成器件（74LS00、74LS192、4线－16线译码器CC4514、74LS02、CC4518）的逻辑功能和使用方法，Multisim仿真软件的使用，数字电子技术实验箱的使用，硬件电路的连接及调试方法，排除电路故障的方法以及常用电子仪器的使用方法。

教学目标与目的

培养学生理论联系实际的能力，引导其掌握数字电路中消抖电路、整形电路、计数器、译码显示等单元电路的综合应用，学会元器件的选取、电路的仿真与调试，并培养学生发现问题、分析问题、解决问题、总结问题的能力。

教学设计与引导

本实验是采用中规模集成器件（74LS00、74LS192、4线－16线译码器CC4514、74LS02、CC 4518等）设计实现拔河游戏。需要经历学习研究、方案论证、软件仿真、电路搭建、调试、总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面进行强调和指导：

（1）拔河电路模块化的设计；

（2）multisim仿真软件使用的技巧；

（3）数字实验箱及常用电子仪器的使用注意事项；

（4）实验中可能遇到的故障及排查方法。

（5）实验后，组织学生以讨论、评讲的形式进行交流，总结实验心得体会。

实验原理及方案

拔河游戏电路的设计用9个发光二极管代替绳子。比赛开始时中间的二极管点亮。以此为拔河的中心点。游戏双方各持一按键，按下按键产生脉冲，亮点向按键快的一方移动，每按一次，亮点就移动一下，当亮点移动到任一方终端二极管时，此方就获胜。这时双方按键均无作用，输出保持。只有通过复位，使亮点恢复到中心线，准备进入下次游戏。根据设计要求，原理框图如图1所示。

本电路应有七个主要部分组成：

（1）脉冲产生器

当甲乙双方按动按钮后，分别产生一个信号，加到可逆计数器上。

（2）可逆计数器

可逆计数器74LS192（或CC40192）原始状态输出为四位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只电平指示灯亮（表示目前位于中心线处），可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动电平指示灯点亮并产生移位。

（3）整形电路

整形电路可以使按键产生的脉冲经形成一个占空比很大的脉冲，可以减少进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每按一次按键都可以进行有效的计数。

（4）译码器

译码器首先输入为0000，中心处指示灯首先点亮；当可逆计数器进行加法计数时，指示灯上的亮点向右移（即向甲方移动），当可逆计数器做减法计数时，指示灯的亮点向左移（即向乙方移动）。

（5）控制器

当亮点移到任一方的终端时，该方获胜。此时通过控制器使得双方的按键均宣告无效。

（6）胜负显示器

由计数器CC4518和译码显示器构成。将双方终端指示灯正极分别接到CC4518计数器的CP端，CC4518的两组4位BCD码分别接到实验箱中的两组译码显示器的8、4、2、1插孔上。当一方取胜时，该方终端指示灯发亮，产生一个上升沿，使相应的计数器进行加1计数，于是就得到了双方取胜次数的显示，若1位数不够，则进行2位数的级连。

（7）复位电路

为能进行多次比赛而需要进行复位操作，使亮点返回中心点。

图1 拔河游戏电路原理框图

教学实施进程

1. 实验任务：设计拔河游戏的电路，并仿真、搭建电路、调试。

2. 预习自学：分组讨论制定实验方案，确定器件的选择以及功能、使用条件。

3. 现场操作：

• 在Multisim环境下，对基本任务的电路进行仿真；

• 根据实验方案在数字实验箱上连接电路；

• 测试基本任务的电路功能，记录测试结果。

4. 结果验收：实验中检查仿真软件与搭建电路的可用性，最终需上交实验报告。

5. 总结演讲：分组研讨各自在实验过程中存在的问题，以及解决的思路。

实验报告要求

（1）实验报告内容

①基本信息，包括何时与何人共同完成什么实验，当时的环境条件，使用的仪器名称及编号。

②认真整理和处理测试的数据

③对测试结果进行理论分析，做出简明扼要的结论。找出产生实验误差的原因并进行分析，提出减少实验误差的措施。

④记录产生故障情况，说明排除故障的过程和方法。

⑤写出对本次实验的心得体会，以及改进实验的建议。

（2）实验报告要求

文理通顺，书写简洁；符号标准，图表齐全；探讨深入，结论简明。

3. 实验报告范例

考核要求与方法

（1）考核节点

• 逻辑器件的选型、测试及使用方法。

• 各模块电路的设计与实现。

• multisim软件的仿真。

• 硬件电路的安装调试。

（2）考核时间

• 实验前的预习。

• 实验中的实际操作。

• 实验后的实验报告。

（3）考核标准

• 器件选用的合理性和经济性，器件功能测试方法的正确性。（10%）

• 设计方案的创新性、电路设计过程的完善性。（10%）

• 电路仿真运行正常，结果正确。（30%）

• 电路任务的完成情况。（30%）

• 报告内容完整、书写规范。（20%）

（4）考核方法

按照考核标准逐条考核给出综合成绩，功能构思独特、电路设计有创新点的可酌情加分（提高学生创新的积极性）。

项目特色或创新

（1）将数字电路用于解决实际问题，引发学习兴趣；

（2）以学生为主体，引导学生自主思考，合理选择方案完成设计；

（3）分组讨论，培养团队协作能力；

（4）分模块化设计电路，使学生建立正确的设计思路；

（5）培养学生运用所学知识解决日常生活问题的能力。

参赛选手信息表