數(shù)電課程設(shè)計八路搶答器

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告八路智力競賽搶答器的設(shè)計專 業(yè):電子信息科學與技術(shù)班 級:姓名:學號:指導老師:電子通信與物理學院日 期: 2015 年 1 月 10 日指導教師評語1 設(shè)計要求在當代社會中企業(yè)、學校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽 , 搶 答記分器是必要設(shè)備。過去在舉行的各種競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬?環(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)， 這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。人們于 是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來規(guī)范比賽。因此， 為了克服這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計出很多的 搶答器，從最初的簡單搶答按鈕，到

2、后來的顯示選手號的搶答器，再到 現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在一天天的趨于完善不但可以用來倒計時搶 答，還兼具報警等等功能，有了這些更準確地儀器使得我們的競賽變得 更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。在這一背景下本文 利用 74LS 系列芯片設(shè)計了一種有效、便捷的八路數(shù)字搶答器。設(shè)計要求如下： 利用數(shù)字電路設(shè)計一個八路搶答器， 允許八路參加， 并具有鎖定功能，用LED顯示最先搶答的隊號碼，系統(tǒng)設(shè)置外部清除鍵， 按動清除鍵， LED 顯示器自動清零滅燈。數(shù)字顯示功能：數(shù)字搶答器定 時為30S，啟動開啟鍵以后要求I ）定時開始；U ）揚聲器要短暫報警； 川）發(fā)光二極管亮燈；如果在30S內(nèi)搶答

3、有效，計時結(jié)束，30S內(nèi)搶答無 效，發(fā)光二極管燈滅。2 設(shè)計任務本次描述的八路搶答器功能指標為：設(shè)計一個能支持八路搶答的智 力競賽搶答器；主持人按下開始搶答的按鍵后，有短暫的報警聲提示搶 答人員搶答開始且指示燈亮表示搶答進行中；在開始搶答后數(shù)碼管顯示 30 秒倒計時； 有搶答人員按下?lián)尨疰I后， 在數(shù)碼管上顯示搶答成功人員 的編號，倒計時暫停，同時后續(xù)搶答人員的搶答將無效；當主持人再次 按下按鍵回到復位狀態(tài)， 倒計時的數(shù)碼管保持顯示 30 ，顯示人員編號的 數(shù)碼管滅，指示燈滅。本次設(shè)計的電路由包括搶答電路、定時電路、報警電路在內(nèi)的三部 分電路組成。搶答電路由按鍵、鎖存器、優(yōu)先編碼器、數(shù)碼管譯碼驅(qū)

4、動 器等器件組成；定時電路由 555 定時器、計數(shù)器、鎖存器、數(shù)碼管譯碼 驅(qū)動器、開關(guān)等器件組成；報警電路由蜂鳴器、單穩(wěn)態(tài)脈沖觸發(fā)芯片等 器件組成。3 總體設(shè)計3.1 原理分析工作原理簡介如圖 2.1 所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由搶答電路、計時電路和報警電路三部分組成。搶答電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當 選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其 他選手搶答。計時電路完成計時功能。其工作原理為，當開始搶答的開 關(guān)沒有閉合時，搶答器處于禁止狀態(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)置于"開始搶答"狀態(tài)，宣布"開始"

5、;搶答。定時器 倒計時，揚聲器給出聲響提示。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。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止 二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答只須主持人將開關(guān)斷開 后閉合。搶答器工作過程主持人開關(guān)撥到“開始搶答”狀態(tài)，會有提示音，并立刻進入搶答 倒計時（預設(shè)30s搶答時間），如有選手搶答，顯示其號數(shù)并停止倒計 時，只有第一個按搶答的選手有效。如倒計時期間，主持人想停止倒計 時可以隨時將開關(guān)撥到“準備”狀態(tài)，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待 主持人撥回"開始搶答"進入下次搶答計時。如果主持人將開關(guān)撥到“開 始搶答”狀態(tài)，而此時有人按了

6、搶答按鍵則搶答無效， 不會顯示其號碼。 主要元器件功能介紹（1）8D 鎖存器 74LS37374LS373為三態(tài)輸出的8 D鎖存器。引腳說明：D0D7數(shù)據(jù)輸 入端，OE三態(tài)允許控制端（低電平有效），Q0Q7輸出端。當三態(tài) 允許控制端OE為低電平時，Q0Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負 載或總線。當 OE為高電平時，Q0Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線， 也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，D被鎖存在 已建立的數(shù)據(jù)電平。裘魚174E5373真值裘LEOE如LHLHL1XLLQ0XXH碗毎（2）優(yōu)先編碼器74LS14874LS

7、148為8線3線優(yōu)先編碼器。將8條數(shù)據(jù)線（0 7）進 行3線（4-2-1）二進制（八進制）優(yōu)先編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進行譯 碼。芯片管腳：0 7編碼輸入端（低電平有效），EI選通輸入端（低電平 有效）,A0、A1、A2三位二進制編碼輸出信號即編碼輸 出 端（低電平有效）,GS片優(yōu)先編碼輸出端即寬展端（低電平有效），EO選通輸出 端，即使能輸出端。（3）數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器74LS4874LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器。引腳： A0 A3為譯碼地址輸入端，BI/RBO為消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱 輸出（低電平有效）LT為燈測試輸入端（低電平有效），RBI脈沖消隱 輸入端（低電

8、平有效），Ya Yg段輸出。當A0-A3輸入0到15時， 段輸出驅(qū)動數(shù)碼管顯示響應的數(shù)字。(4) 74LS192十進制可逆計數(shù)器74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。 CPU為加計數(shù)時鐘 輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預置輸入控制端，異步預置。 CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除。 CO為進位輸出：1001狀 態(tài)后負脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。嶷2 3 74112功能表輸出PLF3FZFlro03Q2的1XXX耳XX0000a0XX.1Ldba011XXXX1LXXXX減計數(shù)3.2電路設(shè)計搶答電路設(shè)計搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的的先

9、后，并鎖存 優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作 無效。選用優(yōu)先編碼74LS148和8D鎖存器74LS373可以完成上述功 能，其電路組成如圖2.2所示。其工作原理是：當主持人控制開關(guān) S9處于斷開狀態(tài)時，74LS373 的鎖存控制端為高電平不鎖存，Q隨數(shù)據(jù)D而變。此時8輸入與非門74LS30 的輸出為低電平。 同時由于開關(guān) S9 斷開，數(shù)碼管的共陰極為高 電平，這樣就不會在未搶答狀態(tài)下顯示號碼了。 而此時 74148 的輸入為 八個高電平輸出為三個高電平如果不加控制經(jīng) 7448 譯碼輸出后會在數(shù) 碼管上顯示數(shù)字 7。這里把 8 輸入與非門 74ls30 的輸出接到

10、7448 的滅 燈控制端BI/RBO ,抑制數(shù)碼管顯示。當開關(guān)S9被閉合時，進入搶答狀 態(tài)。這時雖然開關(guān) S9 閉合使或門 74S32 的一個輸入端為 0，但由于 8 輸入與非門的輸出仍為 0 所以 74LS373 的鎖存控制端仍為 1 ，不會阻止 數(shù)據(jù)的通過。當?shù)谝粋€按鍵按下時， 74LS30 的輸出變?yōu)楦唠娖剑瑫r 由于開關(guān) S9 以閉合使得或門 74S32 的兩個輸入都為低電平， 則鎖存器 373 的鎖存控制端 ENG 變?yōu)榈碗娖?，鎖存此時的 Q 值。理論上該值只 有一個為低電平，其余為高電平，為低電平的那個即為搶答的成功的那 個。這時對 74148 來說就有了有效輸入（某個輸入端變?yōu)?

11、0），優(yōu)先編 碼得到一個數(shù)字作為 7448 的輸入在數(shù)碼管上顯示出來。這樣就完成了 從搶答到顯示的工作。貿(mào)*戲冒宜冨VCCY7ALS3CDr4LS3T3H«-UTA T«dNi-W-U1F4144NR91WQ丄<丄A> O 12 3 4 5-石 7-±_74S32322定時電路設(shè)計定時電路主要實現(xiàn)30秒倒計時的功能。該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74LS19構(gòu)成的減法計數(shù)電路、74LS4譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。完成的功能是當主 持人按下開始搶答按鈕后，進行30s倒計時。當有人搶答時，計時停止'兩塊7

12、4LS192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路 74LS48顯示到數(shù)碼管上,其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192的預置數(shù)控制端實現(xiàn)預置數(shù)30s，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始 減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上。當有人搶答 時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時 間到時，也停止計時。其中 555 定時器和兩個電阻、 兩個電容構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生周期為 一秒的脈沖接到 74LS192 的減計數(shù)端進行每秒一次的減計數(shù)。其震蕩 周 期 的 計 算 公 式 為 T (R1 R1)C 1ln 2 。 在 電 路 中 取 R1 30K R2

13、27K C1 470nF 得震蕩周期為 T=(30k+27K)*470nF=1S 。兩片 74LS192 構(gòu)成 30 進制減計數(shù)器。 當收到來自 555 定時器的脈沖時， 控 制個位的 74LS192 就會減計數(shù)，當它減到 0 再收到脈沖要繼續(xù)減的時 候，其借位輸出端輸出正脈沖使十位的 74LS192 減一計數(shù)。開關(guān)的作 用是在開關(guān)閉合時進行預置數(shù)，把兩片 74LS192 分別預置位 3 和 0。 74LS373 的作用這里沒有體現(xiàn)出來， 它是在總的電路中用到的。 它用于 在成功搶答后鎖存數(shù)碼管上顯示的時間。 74LS48 是數(shù)碼管譯碼驅(qū)動器。 用于將 573 中鎖存的數(shù)字顯示出來。 這里的數(shù)

14、碼管是共陰極數(shù)碼管， 其 共陰極直接接地沒有像搶答電路中那樣加入按鍵控制。323報警電路設(shè)計報警電路的作用是當開始搶答時進行短暫的報警提醒。由于要求是 短暫的報警提醒，所以要設(shè)計一種可以產(chǎn)生單脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路，使其 在某個信號刺激下產(chǎn)生單脈沖使有源蜂鳴器發(fā)聲一段時間后停止發(fā)聲。 本次設(shè)計采用了一個集成的單穩(wěn)態(tài)芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。當有脈沖到達 時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平使蜂鳴器響進行發(fā)聲報警。在 暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，自動返回穩(wěn)態(tài)回到低電平，蜂鳴器停止發(fā)聲。 將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖輸入接到開關(guān)上，當開關(guān)閉合時產(chǎn)生一個脈沖使 蜂鳴器發(fā)聲。電路有TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。輸出脈沖寬度公式為

15、tw 0.69RC。這里R取30千歐姆，C取10微法。得到tw約為0.2秒 當輸入下降沿時蜂鳴器就會響0.2秒。R1VA-30kQC1脈沖輸入vrc配mqEfiGND6TT nrBU2ZER 10kHzVCCSN74121N總電路設(shè)計把搶答電路、計時電路、報警電路三部分組合起來再加上一些 控制電路就構(gòu)成了總電路。如圖 2.5所示。當有人搶答成功時，八 輸入與非門輸出為1而U10非門7404輸出1，則與非門U9B輸出 0使計時電路中的74LS373鎖存此時的時間，數(shù)碼管時間不再變化， 直到斷開開關(guān)準備進行下一輪搶答。開始搶答開關(guān)同時連接控制著 一個指示燈，當開始搶答時指示燈會亮；開關(guān)也連接了一個

16、由單穩(wěn) 態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的警報電路，開關(guān)閉合后會有一個脈沖送到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使其發(fā)出一個單穩(wěn)態(tài)脈沖驅(qū)動蜂鳴器短暫鳴響提醒搶答人員搶答開始。當脈沖結(jié)束后蜂鳴器停止鳴響。當搶答結(jié)束要進行下一次 搶答前開關(guān)再次斷開，這是會同時使指示燈滅，顯示號碼的數(shù)碼管 滅，顯示倒計時的兩個數(shù)碼管恢復顯示 30 。如此循環(huán)往復，構(gòu)成整 個搶答過程?？偟碾娐穲D見cnnsn二 1HL1P總Z-1- E9- hl U .*4» A T黜卜卜卜卜卜卜卜卜勺；0-CH-CIr<cx圖 2.5 總電路圖4 仿真調(diào)試4.1 搶答電路仿真仿真結(jié)果:當“開始搶答”按鍵S9沒有閉合時，按下SO到S9進行 搶答沒有效果。當S9

17、閉合時，數(shù)碼管顯示SO到S9中最先按下的按鍵 號。如圖 2.6 最先按下了 S5 顯示 5。后按下的鍵不會改變顯示的數(shù)字?！伴_始搶答”按鍵 S9 斷開后，數(shù)碼管滅。VCC圖2.6搶答電路仿真圖（局部）4.2計時電路仿真仿真結(jié)果：當“計時開始”開關(guān)斷開時，數(shù)碼管顯示“ 30”。當開 關(guān)閉合時開始在數(shù)碼管上倒計時顯示。當?shù)褂嫊r到 0時停止倒計時，直 到斷開開關(guān)數(shù)碼管恢復顯示30。如圖為倒計時到17秒時的效果。圖2.7計時電路仿真圖（局部）4.3總電路仿真仿真結(jié)果：當“開始搶答”開關(guān)斷開時，計時數(shù)碼管顯示 30,不顯 示號碼，按下?lián)尨鸢存I也沒有反應。當“開始搶答”開關(guān)閉合時，開始 30秒倒計時，蜂鳴

18、器發(fā)聲0.2秒，LED燈亮。在倒計時結(jié)束前如果如果 有“搶答按鍵”按下則顯示響應的號碼，如圖中顯示的2號搶答成功。當30秒計時結(jié)束時，LED燈滅。、匕H三U3U12vCC74LS40NU374L34AN圖2.8總電路仿真圖（局部）5總結(jié)與體會回顧起此次課程設(shè)計，有很多體會。從選題到定稿，從理論到實踐, 在短短一個星期的時間里，遇到了很多困難，但也有很大的收獲。通過 這次課程設(shè)計不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上 沒有的知識。課程設(shè)計讓我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有 理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才 能有所成果。在設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己很多不足之處，對以前所學 過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說對555定時器的原 理掌握不扎實、對 Multisim 的一些重要使用方式不太了解等。 本次電子課程設(shè)計實習將理論與實踐有機地結(jié)合，既考查了對理論 知識的掌握程度， ，又考查了對知識的綜合運用以及創(chuàng)新設(shè)計思維能力， 為今后的發(fā)展提供了一次良好的學習環(huán)境。 針對課設(shè)題目八路搶答器， 一開始還沒有頭緒，不會運用所學知識進行有效設(shè)計，但通過上網(wǎng)查閱 各種類似的設(shè)計， 去圖書館翻閱相關(guān)設(shè)計書籍， 查閱所提供的芯片功能， 確定基本設(shè)計方案，又通過仿真驗