數(shù)電課程設(shè)計報告- 《八路數(shù)字搶答器》

1、 八路數(shù)字搶答器 數(shù)字電路課程設(shè)計數(shù)字搶答器設(shè) 計 報 告姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 電子信息工程系 指導(dǎo)教師： 2012年 04 月 18 日八路數(shù)字搶答器一、 設(shè)計目的及任務(wù)1設(shè)計的目的通過八路數(shù)字搶答器的設(shè)計實(shí)驗(yàn)，要求大家回顧所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握組合電路、時序電路、編程器件和任意集成電路的綜合使用及設(shè)計方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器、單脈沖觸發(fā)器、555電路、譯碼/驅(qū)動電路的應(yīng)用方法，熟悉掌握時序電路的設(shè)計方法。達(dá)到數(shù)字實(shí)驗(yàn)課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。2.設(shè)計的任務(wù)及要求（1）基本功能設(shè)計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手或8個代表隊參賽，他們的選號

2、分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號對應(yīng)分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答器的開始。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持主持人將系統(tǒng)清零為止。（2）擴(kuò)展功能搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)節(jié)目支持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示。參加選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答

3、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，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。二、 電路設(shè)計總方案及原理框圖1. 設(shè)計思路（1）本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可選擇使用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。（2）當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二極管直接指

4、示出組別。（3）在主持人沒有按下開始搶答按鈕前，參賽者的搶答開關(guān)無效；當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，開始進(jìn)行30秒倒計時，此時，若有組別搶答，顯示該組別并使搶答指示燈亮表示“已有人搶答”；當(dāng)計時時間到，仍無組別搶答，則計時指示燈滅表示“時間已到”，主持人清零后開始新一輪搶答。2總電路框圖電路總體框圖如圖1所示：圖1 總電路框圖三、單元電路工作原理1顯示電路此部分電路主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)8路選手搶答并進(jìn)行鎖存，同時有相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和數(shù)碼顯示。使用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS297 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

5、路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)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(biāo)志端 0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S 置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時（如按下S5），74LS148 的輸出經(jīng)RS 鎖存后，CTR=1,RBO =1, 七段顯示電路74LS48 處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，CTR 1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的

6、輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148 的 此時由于仍為CTR1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端1， 5 所以74LS148 仍處于禁止?fàn)顟B(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。只要有一組選手先按下?lián)尨鹌鳎蜁⒕幋a器鎖死，不再對其他組進(jìn)行編碼。通過74LS48譯碼器使搶答組別數(shù)字顯示0-7。如有再次搶答需由主持人將S 開關(guān)重新置“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。搶答模塊原理圖如圖2所示：圖 2 搶答模塊原理圖（1）RS觸發(fā)器：保持狀態(tài)。當(dāng)輸入端接入=1的電平時，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)=1、=0，則觸發(fā)器次態(tài)=1、=0；若基本SR觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)=0、=1，則觸發(fā)器次態(tài)=0、=1。即=1時，觸

7、發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 置0狀態(tài)。當(dāng)=1，=0時，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=1、=0，因=0，會使=1，而=1與=1共同作用使端翻轉(zhuǎn)為0；如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，同理會使=0，=1。只要輸入信號=1，=0，無論基本SR觸發(fā)器的輸出現(xiàn)態(tài)如何，均會使輸出次態(tài)置為0態(tài)。置1狀態(tài)。當(dāng)=0、=1時，如果觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，因=0，會使G1的輸出端次態(tài)翻轉(zhuǎn)為1，而=1和=1共同使G2的輸出端=0；同理當(dāng)=1、=0，也會使觸發(fā)器的次態(tài)輸出為=1、=0；只要=0、=1，無論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)如何，均會將觸發(fā)器置1。不定狀態(tài)。當(dāng)=0時，無論觸發(fā)器的原狀態(tài)如何，均會使=1，=1。當(dāng)脈沖去掉后，和同時恢復(fù)高電

8、平后，觸發(fā)器的新狀態(tài)要看G1 和G2兩個門翻轉(zhuǎn)速度快慢，所以稱=0是不定狀態(tài)，在實(shí)際電路中要避免此狀態(tài)出現(xiàn)。（2）74LS148優(yōu)先編碼器：表1 74LS148真值表輸 入輸 出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS148的輸入端和輸出端低電平有效。如表174LS148真值表所示：是輸入信號，為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，1時，編碼器禁止編碼，當(dāng)0時，

9、允許編碼。是技能輸出端，只有在0，而均無編碼輸入信號時為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在0而的其中之一有信號時，0。各輸入端的優(yōu)先順序?yàn)椋杭墑e最高，級別最低。如果0（有信號），則其它輸入端即使有輸入信號，均不起作用，此時輸出只按編碼，000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有多個外設(shè)申請中斷時，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級別高的設(shè)備先編碼。圖3 譯碼管電路二進(jìn)制譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應(yīng)輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有n位，代碼組合就有2n個，當(dāng)然可譯出2n個輸出信號。顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動七段字形的七個

10、信號，常見產(chǎn)品型號有74LS48、74LS47等。字符顯示器：分段式顯示是將字符由分布在同一平面上的若干段發(fā)光筆劃組成。電子計算器，數(shù)字萬用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而LED數(shù)碼顯示器是最常見的。通常有紅、綠、黃等顏色。LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.53V，驅(qū)動電流為幾十毫安。如圖3所示，是七段LED數(shù)碼管的引線圖和顯示數(shù)字情況。74LS47譯碼驅(qū)動器輸出是低電平有效，所以配接的數(shù)碼管須采用共陽極接法；而74LS48譯碼驅(qū)動器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。數(shù)碼管常用型號有BS201、BS202等。圖3是共陰式LED數(shù)碼管的原理圖，使用時，公陰極接地，7個陽極

11、ag由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。 2. 秒脈沖發(fā)生器電路該部分主要由555 定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192 減法計數(shù)電路、74LS48 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(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，進(jìn)行30s倒計時，到0s時倒計時指示燈亮。當(dāng)有人搶答時，計時停止。兩塊74LS192 實(shí)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(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)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(dāng)有人搶答時，停

12、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， 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。倒計時模塊電路如圖4所示：圖4 倒計時模塊電路由555定時器和三極管構(gòu)成報警電路。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo 1.43（RI2R2）C，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。555定時器連接圖如圖5所示：圖 5 555定時器連接圖3報警電路控制輸入信號為經(jīng)過編碼的搶答選手的信號，當(dāng)有人在有效時間內(nèi)搶答時，定時時間到時無人搶答時，輸入信號為高電平，報警電路發(fā)出報警信號；反之，輸入信號為低電平時，報

13、警器不工作。報警電路如圖6所示：圖6 報警電路四、 電路仿真倒計時開始后開始計數(shù)，同時倒計時指示燈亮直到倒數(shù)到0秒熄滅，總電路圖如圖7所示：圖7 總電路圖在BO1和BO2端放置示波器，BO1端仿真曲線如圖8和BO2端仿真曲線圖9所示：計時器個位減到0時，BO1出現(xiàn)一個下跳；計時器十位減到0時，BO2出現(xiàn)一個下跳。圖8 BO1端仿真曲線圖9 BO2端仿真曲線五、電路的安裝及調(diào)試電路在面包板上進(jìn)行安裝調(diào)試：接通電源，開關(guān)打到預(yù)置端，倒計時數(shù)碼管顯示30。主持人撥動開關(guān)后，倒計時電路開始從30秒倒數(shù)，8路觸點(diǎn)開關(guān)處于待命狀態(tài)。待命狀態(tài)電路如圖10所示：圖10 待命狀態(tài)電路若有選手按下所在開關(guān)（搶答）

14、，搶答電路顯示選手所在編碼（07），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答無效。搶答顯示如圖11所示：如果30秒倒計時結(jié)束后仍無人搶答，LED燈熄滅，倒計時電路鎖定為00，搶答不再有效。蜂鳴器發(fā)出“滴”的聲音表示報警。 這時只需主持人重新將開關(guān)打到預(yù)置段，整個電路全部回到初態(tài)。準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪搶答。計時鎖定電路圖如圖12所示：圖 11 搶答顯示圖12 計時鎖定六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果將檢查好的電路加上5伏直流穩(wěn)壓電源后，顯示選手編號的數(shù)碼管顯示7，按下復(fù)位鍵后，接通電源，開關(guān)打到預(yù)置端，倒計時數(shù)碼管顯示29。主持人撥動開關(guān)后，倒計時電路開始從29秒倒數(shù)，8路觸點(diǎn)開關(guān)處于待命狀態(tài)。若有選手按下

15、所在開關(guān)（搶答），搶答電路顯示選手所在編碼（07），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答無效。如果30秒倒計時結(jié)束后仍無人搶答，LED燈熄滅，倒計時電路鎖定為00，搶答不再有效，且蜂鳴器發(fā)出。 這時只需主持人重新將開關(guān)打到預(yù)置段，整個電路全部回到初態(tài)。準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪搶答。結(jié)論首先感覺學(xué)校、老師、同學(xué)及在這次試驗(yàn)中所有給過我?guī)椭娜?最后的成功是離不開他們的。1.用multisim軟件仿真。雖然以前在模電、Protel課程設(shè)計中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸multisim軟件，感覺它比Protel更靈活易用，熟練以后十分順手。在整個電路的設(shè)計過

16、程中，花費(fèi)時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計上，在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，但有時接線，因?yàn)椴粔蚣?xì)心，造成整個電路無法運(yùn)行，最后還是在通多次對電路的改進(jìn)，上機(jī)仿真以及接線調(diào)試，終于使整個電路可穩(wěn)定工作。設(shè)計過程中，我深刻的體會到在設(shè)計過程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過程很可能相當(dāng)煩瑣，有時花很長時間設(shè)計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點(diǎn)灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的，那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，為我們設(shè)計的成功打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。2. 設(shè)計

17、單元電路階段，這個階段可以說是考察數(shù)電書本知識的階段。所有的設(shè)計方法還有步驟在數(shù)電書上都有，而且還有例題。這個階段遇到的主要問題就是以前的知識忘記不少，所以做設(shè)計的時候要常隨手翻閱課本，等于是做了幾道數(shù)電作業(yè)題。這個階段的難度也不是很大，一般翻課本就可以找到答案并解決問題。 3，實(shí)驗(yàn)階段可以說是這次設(shè)計中最重要的部分，因?yàn)橐郧暗闹皇抢碚摱皇钦嬲膶?shí)體。所以說它是最重要的。實(shí)驗(yàn)階段我們遇到的問題有：對軟件不熟悉；對實(shí)驗(yàn)過程中信號的測量知識學(xué)習(xí)很少；因?yàn)楦鱾€模塊是分開做而后又組裝到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合為一個整體，部分工作能行但是接到一起就會出現(xiàn)問題）;針對以上幾個問題我們作

18、出了以下的“對策”:軟件不熟悉，就借來參考書，一步一步的對著學(xué)，而且老師給的資料上也有軟件的使用說明，所以隨著接觸的增加軟件也就越來越熟悉，這方面的問題不是太難因?yàn)橐贿吚碚撘贿厡W(xué)習(xí)正好是學(xué)習(xí)的好方法，而且也學(xué)的特別快。4.制作過程是一個考驗(yàn)人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，這回是第一次使用面包板要一步一步來，需用大量的跳線。元件合理布局和走線及元件排版，排版時還要兼顧整體布局，是否恰當(dāng)。我為了排版能好看，不讓跳線交叉，為了這個目標(biāo)，我排版時總是要在板上指指畫畫，思前顧后。在主體部分調(diào)試時，由于芯片的問題造成全線奔潰。在擴(kuò)展部分調(diào)試時，由于不知74LS192的輸入端懸空相當(dāng)于接“1”，造成亂碼。后來反復(fù)檢測