实验题目：示波器单人乒乓游戏机的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电工电子学实验
课程学时：48
适用专业：机械工程、动力及能源工程等非电工科专业
学生年级：大二

2. 实验内容与任务（限 500 字）

设计一种利用示波器显示的单人玩乒乓球游戏机。示波器的显示界面为乒乓球桌，乒乓球在示波器上以一个运动光点呈现，球拍为一条可移动的垂直的短线呈现，位于屏幕右侧，其长度等于 1/8 右边界长度。当乒乓球在屏幕以任意斜率的直线轨迹运动时，如球碰到上、下、左边缘，自动反弹，并随机改变运动速度；当球运动到右边缘时，球拍可以把球击回。球拍受两按键控制，使之在右边界处作上、下垂直运动，实现拦击乒乓球。如球被击中，则球任意速度反弹飞行；若未被击中，则球消失于右边界处。按下复位键，开始下一次游戏。每进行游戏，需先按动一次启动键。实验三人一组，需要完成以下试验基本任务：

基本任务：

1)乒乓球在示波器上的形成及运动；
2)乒乓球拍在示波器上的形成及运动；
3)乒乓球拍击中乒乓球的电路判别及整个电路的启停控制电路。
扩展任务：
1)乒乓球拍击中乒乓球的记分及显示电路。
2)将各单元电路进行模块化，制作成各单元电路模块的 PCB印刷版。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习数字电路的有关知识，熟悉有关集成块的管脚功能；
2） 在老师指导下，学习整个方框原理图，完成各部分具体电路，并运用 Multisim 软件对主要电路进行仿真；
3） 制作元件清单表，购买元器件，介绍口袋实验室并利用口袋实验室搭建电路，并对各部分单元电路功能测试；
4） 连接成整个系统，对整个系统进行调试。
5） 观察乒乓球和球拍的大小，进一步将乒乓球和球拍调整到符合要求的大小上。
6） 如时间和条件允许，可将整个电路制作成 PCB 电路印刷版。同时，将各单元电路进行模块化，制作成相应各单元电路的 PCB 印刷版。
7） 撰写总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的思路及各自特点。

4. 相关知识及背景（限 150字）

运用数字电路和数模转换器结合荧光屏示波器构建一个单人游戏的工程实验案例，需了解示波器工作方式，掌握数字电路的基础知识、组合逻辑电路和时序逻辑电路、数模转换器，仿真软件，会运用各种基本仪器仪表进行测量。在实验中让学生认识元器件、封装形式、各集成块、整个系统设计到调试过程，在调试过程中理解分辨率、稳定性、口袋实验室等相关工程概

念和方法。

5. 教学目标与目的（限 100字）

通过相对独立完整的综合性实验，让学生熟悉电路的设计、仿真、调试、了解 PCB 电路印刷版制作。这个流程可以提高学生运用电路解决工程实际问题能力，培养学生工程概念和工程基本素质，理解团队的作用。

6. 教学设计与引导

本实验用数字电路来实现控制，通过模数转换到示波器的荧光屏上完成一个趣味性游戏项目，需要理解整个电路方案，进行方案论证、系统设计、仿真分析、模块化调试、整体调试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的设计与引导：

1）分组单人负责制。可将实验班每三人分为一组，既要相互学习交流沟通，又每人负责一块。一人负责整个电路的设计及完善；另一人负责电路仿真及器件购买；最后一人负责材料整理及写作。
2）课堂上布置实验项目任务并讲解实现方案。要求学生自行查找资料，把原理理解透，并安排一定课堂时间各组集中进行理解和讨论。
3） 各部分具体电路的实现，可让学生通过仿真实现，判断仿真结果是否与理论分析一致。在仿真过程中，如出现仿真软件中没有的集成块，可让学生利用已有的元器件库自行搭建满足要求的元件功能，也可自行定义某些集成块功能来进行仿真。
4） 仿真成功，制作元器件清单，并需实验老师签字。同时，老师提供购买元器件网址，让参与学生全流程体验整个电路设计到完成的过程，并记下各组购买元器件费用。
5）利用已有口袋实验室，搭建各单元电路，进行调试，单元调试通过再整体连接调试。并要求清楚如何将乒乓球和球拍调小。
6） 如时间条件允许，制作PCB电路板，减少所占空间和线路的繁杂，使之规范。
7） 实验完成后，组织学生以项目报告、答辩、评讲的形式进行交流，了解各自遇到的问题，各解决方案及其特点，进一步拓宽知识面。注意事项：设计中要注意整个电路的模块化及学生设计的规范性；调试中，要注意电源的

独立性，输入信号对乒乓球和拍子的影响；最后分析注意整个电路工作的稳定性与可靠性。

7. 实验原理及方案

1） 实现方案

整个系统可由控制电路和显示部分组成，控制电路主要由四部分构成，即乒乓球运动轨迹发生器（包括球X坐标轨迹发生器和 Y 坐标轨迹发生器）、球拍形成及球拍位置控制电路、击中判别电路及主控制电路等；显示电路通过数模转换电路由示波器荧光屏来实时显示，在荧光屏上要形成运动的乒乓球和球拍，需借助示波器的X-Y 工作方式，通过控制X、Y的输入信号实现所要求的图形合成。各个模块间独立性较强，考虑采用分模块设计调试，并辅以 Multisim仿真软件进行仿真验证。

2） 系统结构

图 1 示波器乒乓球游戏系统逻辑框图

3）各部分电路实现方法

I. 球运动轨迹发生电路

某输入信号通过比例乘法器控制输出信号，该输出信号进入可逆加减计数器，经过DAC转换后送入到示波器的 X 轴输入端和 Y 轴输入端，合成运动的乒乓球，改变该输入信号，来达到改变球的运动速度。为满足运动速度具有随机性，可以通过随机码发生器和缓冲寄存器来实现。为了让学生对该部分电路作用有直观印象，可通过仿真软件验证该部分电路功能的实现。

II. 球拍形成及位置控制电路

因需将乒乓球拍设置在示波器荧光屏的右边界处，其对应X坐标的可逆计数器应处在全为零状态，球拍为一垂直亮线，由 32个光点组成，可由五位二进制计数器来实现，球拍位置及控制可由四位二进制可逆计数器来实现，送入 DAC 转化器来实现球拍和位置控制。此部分电路可通过仿真软件实现其功能。

Ⅲ. 击中判别电路

球拍击中乒乓球是指乒乓球到达荧光屏右边界时，此时球X 坐标计数器全为零，而球拍的位置X 坐标恒为零，刚好被球拍拦截住，也就是乒乓球的光点与球拍的 32光点之一重合，相当于球的Y坐标与球拍的Y坐标相等。否则，则球未被击中。可以考虑由八位数据比较器和一个与门构成实现。

Ⅳ. 显示电路和启停控制电路

采用示波器 $X - Y$ 工作方式合成球和球拍两种图形是通过交替转换方法实现的，只要交替转换速率足够高，就可消除闪烁感。 为此，交替控制触发器的时钟频率必须足够高，只要该时钟信号交替控制触发器连续翻转，系统处于启动游戏状态；若交替控制触发器被复位，则系统处于游戏停止状态。为此，可由基本RS触发器来实现。球和球拍的数字信号进入示波器前，需经过数模转换电路转换为模拟信号，才能被示波器接收，适当选择示波器 $X$ 轴和Y 轴的增益，即可得到清晰、稳定的图形。

8. 教学实施进程

该实验是针对大二学生开展的综合性设计试验，在修完《电工电子学 II》理论课已有数字电路基础上开设的。

1）实验课堂讲解 1 次，给学生讲解任务内容及任务要求，原理方框图，要求学生 1 周内查找相关资料进行学习。
2）各组课堂交流和讨论各部分原理及实现方案，并通过仿真加以验证各部分结果，仿真结果要求给试验指导老师审查，通过后，列写出所需元件清单表。
3）购买元器件，利用口袋实验室，分模块对各部分电路搭建调试。并将调试结果给指导老师检查，通过后保存调试记录数据及现象。
4）对整个电路进行组装和调试，指导老师验证试验调试结果。并提醒学生观察分析游戏机中的乒乓球和拍子的大小控制及清晰度和稳定度。
5） 了解 PCB 电路板的印刷制作过程，布置实验报告的总结及 PPT 的制作。
6） 最后安排课堂 PPT 报告及总结交流，评出各组成绩及各位组员的成绩。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验任务分析
2） 实现方案论证
3） 各单元电路的设计及仿真分析
4） 元器件清单表
5） 各单元电路调试波形图
6） 电路制作过程录像或做成DV 片
7） 功能过程摄像，性能记录
8） 实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核原则：最终结果与过程考核相结合；动手能力与写作水平相结合。

1）实物验收：功能及性能指标的完成度（乒乓球和球拍的大小）。
2) 试验质量：电路方案的仿真、电路板的焊接质量、组装工艺美观度。
3）试验成本：材料与元器件的选择是否合理，试验和调试过程中的成本核算与损耗。
4）试验创新：功能的进一步完善，电路设计的创新性。
5）实验报告：实验报告的规范，数据、实验现象分析的科学性，思路的清晰性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1）趣味性与实验相结合。实验内容即是一个简易游戏，易于激发学生的兴趣和好奇，保持高度热情主动完成试验。
2）工程实践性和低廉成本相结合。可应用实践的游戏开发，结合已有口袋实验室，只需一些常用集成块实现。
3) 整体综合性和局部柔性化相结合。整个电路可分解成各模块，可以逐个模块进行仿真和调试，通过后再将各模块整体组装。

实验案例信息表