龍巖學(xué)院基于數(shù)電模電的數(shù)字搶答

1、物理與機(jī)電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱： 四人競賽搶答器 系 部： 電子工程系 專業(yè)班級： 電子信息工程Z （1）班學(xué)生姓名： 陳嘉俊 指導(dǎo)教師： 李建華、江曉玲 完成時間： 報(bào)告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 四人智力競賽搶答器1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（一）總的指導(dǎo)思想對本次課程設(shè)計(jì)，原則上指導(dǎo)老師只給出大致的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)思路上不框定和約束同學(xué)們的思維，所以同學(xué)們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，有所發(fā)揮，并力求設(shè)計(jì)方案凝練可行、思路獨(dú)特、效果良好。（二）項(xiàng)目具體要求1、數(shù)字智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明：比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一槍答者，所設(shè)計(jì)的搶答器通常由數(shù)碼顯示、燈光、音響等多種手

2、段指示出第一搶答者。同時還應(yīng)設(shè)計(jì)記分、犯規(guī)和獎懲記錄等多種功能。設(shè)計(jì)要求：1)、基本部分搶答器可供四組使用，組別鍵(信)號可以鎖存；搶答指示用發(fā)光二極管(LED)。(1)記分部分獨(dú)立(不受組別信號控制)，至少用2位二組數(shù)碼管指示，步進(jìn)有10分，并且具有預(yù)置、遞增、遞減功能。(2)要求性能可靠、操作簡便。(3)自制穩(wěn)壓電源。2）、發(fā)揮部分(1) 增加搶答路數(shù)。(2) 數(shù)碼管顯示組別鍵(信)號。(3) 自動記分(受組別信號控制)：當(dāng)主持人分別按步進(jìn)得分鍵、遞增鍵或遞減鍵后能夠?qū)⒎种底詣永塾?jì)在某組記分器上）。(4) 超時報(bào)警。二、方案設(shè)計(jì)與論證1、設(shè)計(jì)方案搶答器具有鎖存、定時、顯示和報(bào)警功能。即當(dāng)搶

3、答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計(jì)時，同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計(jì)時到時的時候都有報(bào)警以提醒主持人和選手。搶答時間設(shè)定9秒，報(bào)警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計(jì)時，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。

4、如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。2、系統(tǒng)框圖 當(dāng)主持人宣布開始，定時電路開始秒脈沖電路的作用而進(jìn)行倒記時，并通過譯碼器在顯示器中顯示。報(bào)警電路給出聲音提示。當(dāng)選手首先按某一開關(guān)鍵時，可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息，同時為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。若有多個開關(guān)同時按下時，則在它們之間存在著隨機(jī)競爭的問題，結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。如圖1.揚(yáng)聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計(jì)時器譯

5、碼器數(shù)碼顯示揚(yáng)聲器鎖存器編碼轉(zhuǎn)換電路譯碼器主持人選手 圖1系統(tǒng)框圖3、方案比較方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡便，但實(shí)際在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時比較繁瑣難實(shí)現(xiàn)。方案2：采用D觸發(fā)器和譯碼器來完成搶答部分。雖然元件較多，但在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時可以簡單的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對比兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用搶答信號鎖存簡單實(shí)現(xiàn)的方案2。然后利用軟件Protues來進(jìn)行仿真調(diào)試，再進(jìn)行逐步改進(jìn)。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算（一）單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇（1）搶答電路 電路如圖2所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定74LS175的功能真值表即優(yōu)先搶答者的編號，同時

6、譯碼顯示電路顯示選手編號；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無效。 圖2 搶答電路其工作原理為：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于“清除”時，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強(qiáng)制清零，輸入的搶答信號無效。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到“開始”時，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號和借位信號與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當(dāng)沒人搶答時，搶答信號為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當(dāng)一有人搶答時，搶答信號為高電平，并和U2的輸出信號和借位信號與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個上升沿，使得搶答信號經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過譯碼器74ls48

7、譯碼，把相應(yīng)的信號顯示在數(shù)碼管上。另外，當(dāng)選手松開按鍵后，D觸發(fā)器的Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復(fù)原來狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)選手回答完畢，主持人控制開關(guān)S是搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。 （2）定時電路 如圖3。定時9秒，把74LS192對應(yīng)的9，10，1，15四個端子預(yù)置為“1001”。計(jì)數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路555提供。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時，給74ls192一個低電平，從而開始倒計(jì)時，每來一個脈沖信號進(jìn)行減計(jì)數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信

8、號時，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時的停止。再按復(fù)位鍵時，再一次倒計(jì)時。圖3 定時電路（3）報(bào)警電路由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警電路，但仿真中沒有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡稱A1）來代替仿真，如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號和Q非的與信號和借位信號與在一起來提供的。當(dāng)其中一個信號為低電平時，使得A1得到一個下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。 圖4 報(bào)警電路（4）時序控制電路 時序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能：

9、1）主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 圖5 搶答與定時時序控制電路2）當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 3）當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計(jì)的時序控制電路如圖5所示。 圖5中，U2與門74ls21作為搶答的控制信號；U12與門74ls11和U13與門74ls21的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止；U11與門74ls11的作用是控制74LS175的輸人脈端，U10的作用是控制74ls121的輸入脈沖端。工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”

10、位置撥到“開始”位置時，74LS175的輸出 Q！=1，U2輸出為1，借位信號為1，則U12輸出為1，使U13輸出為1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的時鐘輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計(jì)時。同時，在定時時間未到時，則“定時到信號”為1，U11和U13的輸出為1，使 74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能（1）的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，Q！0，U2輸出為0，封鎖 CP信號，則U12輸出為0，使U13輸出為0，定時器停止倒計(jì)時處于保持工作狀態(tài)；同時,U11的輸出為1使D觸發(fā)器觸發(fā)而輸出信號 ，也使U10輸出為0，給了74ls121一個上升沿，使74LS121處

11、于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平，從而實(shí)現(xiàn)功能（2）的要求。當(dāng)定時時間到時，則“定時到信號”為0，U10輸出為0，有給了74ls121一個下降沿，使 74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平，禁止選手進(jìn)行搶答。同時，U13輸出為0，封鎖 CP信號，使定時電路保持0狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能（3）的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時間。 主要參數(shù)計(jì)算：脈沖發(fā)生電路： 取：0 0 得：10四、仿真過程與仿真結(jié)果（1）在設(shè)計(jì)方案時，遇到了信號不能鎖存的問題。經(jīng)過查找資料，了解如何通過D觸發(fā)器的輸出信號來反饋回D觸發(fā)器的脈沖端來進(jìn)行鎖存。（2）在仿真時遇到了555不能

12、仿真和沒仿真元件74ls121的問題。通過翻閱書本了解555如何準(zhǔn)確使用和上網(wǎng)搜索74ls121的代替元件來解決。（3）當(dāng)焊完電路調(diào)試時，數(shù)碼管沒顯示。于是對照電路圖來逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳沒接上。例如數(shù)碼管的接地端沒接地、74ls192的CLR腳沒接地等等。五、總原理圖及元器件清單 表1 序號 器件名稱 數(shù)量 備注 1 74LS175 1 D觸發(fā)器2 74LS192 1 同步減法計(jì)數(shù)器3 555定時器 2 連接成多諧振蕩與秒時鐘脈沖4 74LS202 四腳與非門5 74LS11 2 三腳門6 74LS48 2 譯碼器7 74121 1 單穩(wěn)態(tài)振蕩器8 單刀雙擲開關(guān) 5 9 揚(yáng)聲器 1 10

13、BCD七段顯示器 2共陰極11電容 512電阻 713三極管1四路搶答器總電路圖 圖6 總電路圖四路搶答器總PCB圖圖7 總PCB圖六、安裝與調(diào)試把電路焊好后，首先是對照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有幾個管腳沒接，于是細(xì)心地接上。然后用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路，但沒發(fā)現(xiàn)有虛焊等問題。下一步就接通電源調(diào)試，但電路完全沒反應(yīng)，然后用電源逐個模塊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳還沒接上，于是在對照電路圖細(xì)心地檢查，改進(jìn)后再進(jìn)行接電調(diào)試，先測試脈沖的輸出，正常，如圖9和圖10。但下一步發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時是從“6”開始，然后查找74ls192的相關(guān)資料才知道其輸出端不只是數(shù)字“9”才有“1

14、001”出現(xiàn)，在“6”的時候也是這樣（我把“1001”兩邊的“1”用或門或在一起作為反饋信號），所以修改電路圖把74ls192的反饋信號改接到其借位信號輸出端，再進(jìn)行調(diào)試，這次欣喜地發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，最后完善一下電路，宣告成品大功告成。七、性能測試與分析（一）、設(shè)計(jì)成品的優(yōu)點(diǎn)與不足優(yōu)點(diǎn)：元器件較少，功能滿足要求不足：在設(shè)計(jì)時，用了D觸發(fā)器來進(jìn)行搶答信號的篩選和鎖存，在同時按下S0和S1時（其同時按下的幾率較小，其可精確到微秒甚至納秒級，但情況還是會存在的）會顯示“3”，而按S2時也會顯示“3”，所以顯示“3”的幾率大一點(diǎn)，但幾率很小。(2) 可靠性：整個實(shí)驗(yàn)電路分為四個部分，在實(shí)驗(yàn)的過程中，

15、每一部分都經(jīng)過了仔細(xì)的檢測，各部分功能完好；通過焊接搭接將各部分按電路圖連接成完整的搶答器電路，經(jīng)過檢測，連接無誤，最終實(shí)現(xiàn)搶答器的功能，保證了搶答器電路的可靠性。(3) 易測性：搶答器電路由四部分構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)的過程中，依次完成每部分，如果出現(xiàn)什么問題，可以隨時檢測該部分的功能或連線是否出現(xiàn)故障。(4)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：該電路只是用發(fā)光二極管顯示結(jié)果，沒有聲音，沒有顯示，應(yīng)該還要接入一個蜂鳴器和LED顯示器。改良：可改用編碼器和鎖存器來代替D觸發(fā)器。（5）電路跳線較多，使得電路板外觀不好。改良：焊線路前應(yīng)細(xì)心考慮元件的排布和線路的連接。八、結(jié)論與心得 這一課程設(shè)計(jì)使我們將課堂上的理論知識有了進(jìn)步的了解

16、，并增強(qiáng)了對數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同時也暴露出我在知識上掌握不足等缺點(diǎn)。其次在此次設(shè)計(jì)過程中由于我們頻繁的使用一電子設(shè)計(jì)軟件如：Multisim等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時在電腦的電子設(shè)計(jì)和繪圖操作上有了進(jìn)一步提高。加上在設(shè)計(jì)過程中遇到了一些問題，使得我得查找相關(guān)資料，從而增長知識的同時增強(qiáng)解決問題和動手的能力，鍛煉我做事細(xì)心、用心、耐心的能耐。這一課程設(shè)計(jì)，使我向更高的精神和知識層次邁向一大步。所以在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，積極參加多種設(shè)計(jì)活動，培養(yǎng)自己的綜合能力，從而使得自己成為一個有綜合能力的人才而更加適應(yīng)社會。九、參考文獻(xiàn)1閻 石數(shù)字電子電路. 北京：高等教育出版社.20072康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分