數字電路課程設計--搶答器

1、目 錄1 引言12 設計任務與要求22.1設計任務22.2 設計要求23 總體方案設計33.1 主體電路設計33.2 擴展電路設計34 Multisim10軟件介紹35 單元模塊設計55.1脈沖產生電路55.2定時時間電路功能介紹55.3搶答器電路功能介紹65.4搶答器電路75.5振蕩電路85.6 譯碼、顯示電路設計86 芯片原理96.1 優(yōu)先編碼器 74LS14896.2 觸發(fā)器 74ls279106.3 譯碼器74LS48116.4 555 定時器127 系統(tǒng)仿真與測試137.1 基本操作方法137.2仿真步驟138 安裝調試148.1 安裝調試148.2 調試中出現的問題及解決方法149

2、 總結15參考文獻16附錄17課程設計說明書1 引言載許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設置一臺搶答器，通過數顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時還可以設置記分、犯 規(guī)及獎勵記錄等多種功能。該設計就是針對上述各種要求設計出的供 6 名選手參賽使用的數字式競賽搶答器。數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器 、 譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器 上輸出實現計時功能，構成擴展電路。通過搶答者的指示燈顯示、數碼顯示和警示顯示等手段指

3、示出第一搶答者。有搶答信號輸入（開關S1S6中的任意一個開關被按下）時，并顯示出相 對應的組別號碼。此時再按其他任何一個搶答器開關均無效，指示燈依舊“保持” 第一個開關按下時所對應的狀態(tài)不變。 經過布線、焊接、調試等工作后，數字搶答器成形 2 設計任務與要求2.1設計任務設計一個可同時供6位選手參加的6路數字顯示搶答器，選手每人一個搶答按鈕，搶答開始后，搶答器具有優(yōu)先搶答的功能，最先搶答成功的選手編號能被顯示，并有音響提示，當有選手搶答成功時，禁止其他選手搶答，直到主持人將系統(tǒng)清零為止。主持人有控制開關，可以手動清零復位，當主持人按下開始按鍵是才可以搶答，顯示倒計時9秒，在規(guī)定時間搶答有效，同

4、時倒計時停止，直到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果搶答時間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，禁止選手超時后搶答。2.2 設計要求 根據任務要求設計中的各個電路模塊； 給出multisim仿真結果； 設計說明書要包含設計總結。3 總體方案設計3.1 主體電路設計(1) 搶答器同時供6名選手比賽，每人一個搶答按鈕，按扭的順序與選手的編號相對應，分別用S0-S5表示。(2) 給節(jié)目主持與顯示的功能。搶答器開始后，若有選手手動按動按鈕，鎖存相應的編號，并在LED數碼管上顯示出選手的編號。此外，要鎖存輸入電路，禁止其他選手搶答。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到支持人將系統(tǒng)清除為止。3.2

5、 擴展電路設計 (1) 搶答器具有定時搶答的功能，搶答的時間可以設定（9S）。當節(jié)目支持人啟動“開始”鍵后，定時器立刻進行減計時，并用顯示器顯示剩余時間。(2) 參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答時刻的時間，并保持到支持人將系統(tǒng)清除為止。(3) 如果定時時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，時間顯示器上顯示0。顯示電路優(yōu)先編碼電路譯碼電路搶答按鈕 鎖存電路控制電路主持人控制開關顯示燈定時電路顯示電路計數電路圖3-1 總體方框圖4 Multisim10軟件介紹multisim軟件是迄今為止，在電路級仿真上表現最為出色的軟件，就相當于擁有了一

6、個設備齊全的實驗室，可以非常方便的從事電路設計、仿真、分析工作。multisim軟件前身是是加拿大IIT公司在20世紀八十年代后期推出的電路仿真軟件EWB，后來，EWB將原先版本中的仿真設計模塊更名為multisim,之后又相繼推出了multisim2001、multisim 7等各個版本。 2005年以后，加拿大IIT公司隸屬于美國國家儀器公司，美國NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美國NI公司推出的Multisim10。相對于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機交互界面，并且提供更加豐富的元件庫、儀表庫和各種分析方法。完全滿足電路的各種仿真需要。N

7、I Multisim10軟件則不僅僅局限于電子電路的虛擬仿真，其在LabVIEW虛擬儀器、單片機仿真等技術方面都有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA技術的更高層次范疇。NI Multisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、失真儀、頻譜分析儀和網絡分析儀等。NI Multisim 10具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、

8、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設計人員分析電路的性能。5 單元模塊設計 5.1脈沖產生電路該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路，利用555以及一些電容和電阻實現，使每秒產生一個CP上升沿。555的3端輸出的脈沖的寬度為： T=0.7*(15k+2*68k)*10*10e-6，所時鐘周期為T=1.57S。圖5-1 脈沖產生電路圖5.2定時時間電路功能介紹 原理及設計：該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS190減法計數電路、74LS148譯碼電路和1個7段數碼管即相關電路組成。具體電路如圖3.2.2所示。一塊74LS192實現減法計數，通過譯碼電路74LS

9、48顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74190預置數控制端實現預置數，計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數器開始減法計數工作，并將時間顯示在共陰極七段數碼顯示管u7上，當有人搶答時，停止計數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， 輸出低電平到時序控制電路，同時以后選手搶答無效。圖5-2 定時電路圖5.3搶答器電路功能介紹設計電路見圖3.1.2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS279 來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數字數碼顯示管）

10、；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關S置于"清除"端時，RS觸發(fā)器的 R、S端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標志端（圖中5號端）0，使之處于工作狀態(tài)。當開關S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出經RS鎖存后，CTR=1,RBO(圖中4端) =1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為“5”。此外，CTR1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標志端（圖中5號端）1，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，

11、74LS148的 此時由于仍為CTR1，使優(yōu)先編碼工作標志端為1，所以74LS148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關重新置“清除”然后才可能進行。5.4搶答器電路圖5-3 搶答電路圖5.5振蕩電路本系統(tǒng)需要產生兩種頻率的脈沖信號，一種是頻率為500KHZ的脈沖信號，用于觸發(fā)器的CP信號。第三中頻率為1HZ信號用于計時電路。以上電路可用555定時器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經過分頻得到。圖5-4 振蕩電路圖5.6 譯碼、顯示電路設計該部分是由譯碼器74ls48和一個共陰極7段顯示器組成，主要完成數字的，顯示和譯碼功能，直觀的

12、反應電路的搶答器功能。通過顯示管的顯示，從而判斷電路的工作狀況，原理圖如下：圖5-5 譯碼顯示電路6 芯片原理6.1 優(yōu)先編碼器 74LS14874LS148工作原理如下 該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，電路還設置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標志GS。 當EI=0時，編碼器工作；而當EI=1時，則不論8個輸入端為何種狀態(tài)，3個輸出端均為高電平，且優(yōu)先標志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來有效的情況。當EI為0，且至少有一個輸入端有編碼請求信號（邏輯0）時，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標志GS為0。表明編碼器

13、處于工作狀態(tài)，否則為1。由功能表可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端（優(yōu)先級別最低位）有低電平輸入時，A2A1A0均為111，出現了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由GS的狀態(tài)加以區(qū)別，當GS1時，表示8個輸入端均無低電平輸入，此時A2A1A0=111為非編碼輸出；GS0時，A2A1A0=111表示響應。輸入0端為低電平時的輸出代碼（編碼輸出）。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時，輸出為0，它可與另一片同樣器件的EI連接，以便組成更多的。輸入端的優(yōu)先編碼器。從功能表不難看出，輸入優(yōu)先級別的次為7，6.，0。輸入有效信號為低電平，當某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級別

14、高的輸入。端無低電平輸入時，輸出端才輸出相對應的輸入端的代碼。例如5為0。且優(yōu)先級別比它高的輸入6和輸入7均為1時，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先碼器的工作原理。圖6-1 74LS148管腳圖表6-1 74LS148功能表輸入輸出STD0D2D2D3D4D5D6D7A2 A1 A0YEXYS1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx0111110001oxx011111101010x011111111001001111111111016.2 觸發(fā)器 74LS279

15、74LS279就是4R-S觸發(fā)器，每片上有四路R-S觸發(fā)器。每路R-S觸發(fā)器有R和S兩個輸入和一個輸出端Q。主要功能如下：當S輸入低電平（0）時，輸出Q為低電平（0），當S輸入高電平（1）時，如果R輸入低電平（0），則Q為高電平（1），當S輸入高電平（1）時，如果R輸入低電平（1），則Q保持不變。 圖6-2 74ls279引腳圖6.3 譯碼器74LS4874LS48芯片是一種常用的七段數碼管譯碼器驅動器，常用在各種數字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，本搶答器電路就運用到了譯碼器，用作譯碼顯示的一部分功能，具體的邏輯功能下面我就給大家介紹一下以及這個元件的一些參數。圖9 74ls48引腳圖表6-2

16、 74LS48功能表輸入BI/RBO輸出LTRBIA3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg110000111111101x0001101100001x0010111011011x0011111110011x0100101100111x0101110110111x0110100111111x0111111100001x1000111111111x1001111100111x1010100011011x1011100110011x1100101000111x1101110010111x1110100011111x111110000000xxxxxx00000000100000000000000

17、xxxxx111111116.4 555 定時器555定時器是一種多用途的數字/模擬混合集成電路，具有開關特性，可以構成各種單元脈沖電路。(圖上述已有)。7 系統(tǒng)仿真與測試7.1 基本操作方法元件選用：打開元件庫欄，移動鼠標到需要的元件圖形上，按下左鍵，將元件符號拖拽到工作區(qū)。元件的移動、旋轉、反轉、復制和刪除：用鼠標單擊元件符號選定，用相應的菜單、工具欄，或單擊右鍵激活彈出菜單，選定需要的動作。元器件參數設置：雙擊元件，設定相應的參數。導線的連接：要包括導線的連接、彎曲導線的調整、導線顏色的改變及連接點的使用。連接：鼠標指向一元件的端點，出現小圓后，按下左鍵并拖拽導線到另一個元件的端點，出現

18、小圓后松開鼠標左鍵。刪除和改動：選定該導線，單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選delete ?；蛘哂檬髽藢Ь€的端點拖拽離開它與元件的連接點。7.2仿真步驟根據自己所畫好的電路圖，在multisim元器件庫選擇相應的元器件。用導線將元器件按圖連接好。將元器件相應參數設置好。進行電路仿真，根據仿真修改相應的參數。8 安裝調試8.1 安裝調試搶答電路連接好以后，測試時，發(fā)現電路并不穩(wěn)定。最初，我以為電路鎖存數據是在5號管腳為高電平時，數據才被鎖存的。以這為理論依據，我認為電路不穩(wěn)定是因為5號管腳在到達高電平時，需要一段時間，由于在這段時間內，74ls279的s端是不確定的，電路不穩(wěn)定，就是在這段不確定的

19、時間內造成的。我想了很多辦法，使當有人搶答時，縮短5號管腳為高電平的時間，結果電路還是不穩(wěn)定。我又仔細的想一想電路的鎖存原理，發(fā)現我最初的想法是錯的，輸入信號并不是在5號管腳為高電平時鎖存的，而是在當搶答者按下開關彈起時，由于此時無編碼輸入Y0,Y1,Y2端為高電平，保存了輸入的編號。后來我在輸入端加上電阻，電路就變穩(wěn)定了。8.2 調試中出現的問題及解決方法顯示電路不穩(wěn)定問題:在完成電路的焊接進入調試階段時發(fā)現搶答器數碼管顯示選手編號不穩(wěn)定。主要表現在單選手按下?lián)尨疰I后數碼管顯示的不是選手當前號碼。因此著手對電路進食檢查，首先檢查數碼管看是否是關節(jié)焊接錯誤，后又檢查電路各個芯片管腳接錯均未發(fā)現

20、問題，最后發(fā)現當觸動某按鍵連線時顯示正常由此判斷可能是因為出現了虛焊，遂將電路各焊點又仔細焊接了一遍，此時電路顯示正常?？刂崎_關無法控制電路:在調試是發(fā)現當按下主持人開關時電路斷電，當松開后數碼管顯示始終為7，經過一個多小時對電路用萬用表逐個檢查，發(fā)現是開關觸焊接錯誤，通過改正焊接后電路能正常工作。 數碼管不能正常倒計時:在進入定時電路調試時，發(fā)現數碼管不能正常倒計時，出現亂碼。對這問題我們檢查了芯片是否完好，電路界限是否正確均未發(fā)現問題，后發(fā)現是由于在焊接時焊線有些地方出現部分短接，于是就將焊線重新理清，數碼管也能正常工作了。9 總結針對課設題目六路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會運用所學知識進行有效設計，但通過上網查閱各種類似的設計，去圖書館翻閱相關設計書籍，查閱所提供的芯片功能，確定基本設計方案，又通過仿真驗證試驗方案的可實行性，雖說比較煩雜但卻對設計一個電路有了基本的經驗。同時也使自己認識到：拿下每個課題能有一個非常清晰的設計思路是至關重要的。只有對課題的充分理解，對各種器件的熟練掌握，勾畫出基本的設計圖是成功的關鍵，必須多花時間在設計上才能為后續(xù)工作提供更扎實的基礎。翻閱各種資料，上網查詢填補所需知識的空白是必要的.調試工作是個精細工作。在調試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，也有些是因為焊接問題引起的等因此排查