搶答器設(shè)計(jì)(共25頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上5.搶答器電路設(shè)計(jì)一.設(shè)計(jì)目的1.進(jìn)一步熟悉和掌握數(shù)字電子電路的設(shè)計(jì)方法和步驟2.進(jìn)一步將理論和實(shí)踐相結(jié)合 3.熟悉和掌握仿真軟件的應(yīng)用二、設(shè)計(jì)任務(wù)（內(nèi)容）(1)可容納八組參賽的數(shù)字式搶答器。(2)電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別與保持功能。 (3搶答優(yōu)先者聲光提示。 (4)回答計(jì)時(shí)與計(jì)分。三、設(shè)計(jì)要求1完成全電路的理論設(shè)計(jì) 2參數(shù)的計(jì)算和有關(guān)器件的選擇 3對(duì)電路進(jìn)行仿真4撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書一份；A3 圖紙至少1張。報(bào)告書要求寫明以下主要內(nèi)容（1）總體方案的選擇和設(shè)計(jì) （2）各個(gè)單元電路的選擇和設(shè)計(jì) （3）仿真的過程的實(shí)現(xiàn)參考資料1彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.北京：高等教育

2、出版社2孫梅生，李美鶯，徐振英. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)M. 北京：高等教育出版社3梁宗善. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)M. 武漢：華中理工大學(xué)出版社4張玉璞，李慶常. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)M. 北京：北京理工大學(xué)出版社5謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試（第二版）M.武漢：華中科技大學(xué)出版社目錄························

3、3;··········1···································3····&#

4、183;···························5······················&

5、#183;·············5····································

6、10····································14·············&#

7、183;··················155.計(jì)分電路設(shè)計(jì)·····························

8、3;······156.整體電路的仿真與調(diào)試····························177.仿真時(shí)的問題與解決···········&

9、#183;··················20·······························

10、;·····21·····································22·······&

11、#183;·································22一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求在智力競賽時(shí)，常常需要選手反應(yīng)快，限時(shí)搶答。本次設(shè)計(jì)利用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，設(shè)計(jì)多路搶答器，實(shí)現(xiàn)限時(shí)和計(jì)分功能。多路優(yōu)先搶答器功能要求：基本功能：1.涉及一個(gè)八路競賽搶答

12、器，可同時(shí)供8名參賽選手搶答用，他們的編號(hào)分別是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別是J1、J2、J3、J4、J5、J6、j7、j8.2.給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編碼顯示數(shù)碼管滅燈）和開始。3.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(dòng)搶答按鈕，編碼立即鎖存并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào)。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(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零。4.計(jì)分系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)八位選手，選手每答對(duì)一題，則連通開關(guān)加一分，然后斷開開關(guān)。擴(kuò)展功能：1.參賽選手在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)搶答，搶答有效，定

13、時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零。2如果規(guī)定搶答的時(shí)間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)封鎖搶答電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00，同時(shí)報(bào)警電路會(huì)響，禁止答題指示燈會(huì)亮，直到關(guān)閉報(bào)警開關(guān)為止。二、設(shè)計(jì)方案的選擇與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求將八路搶答器分為主電路和擴(kuò)展電路兩部分。主電路完成基本的搶答功能，即：開始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答按鈕后，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)能封鎖搶答電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成限時(shí)及報(bào)警功能以及計(jì)分過程。比賽開始時(shí)，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清零”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編碼顯示器滅燈，限時(shí)顯示器上顯示限定時(shí)間。

14、當(dāng)節(jié)目主持人宣布“搶答開始”并將控制開關(guān)撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態(tài)，限時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)。若限定時(shí)間到，卻沒有選手搶答時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警，指示燈亮起，并封鎖輸入電路禁止選手超時(shí)搶答。若選手在限定時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答按鈕，搶答器需完成以下工作：1.優(yōu)先編碼器電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號(hào)；2.指示燈亮起，提醒節(jié)目主持人注意；3.控制電路對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答；4.控制電路使限時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余的搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢時(shí)，主持人操作控制開關(guān)，是系統(tǒng)恢復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下

15、一輪搶答。八路優(yōu)先搶答器的工作過程：主持人按動(dòng)開始搶答的按鈕后，最先搶答的選手的電平信號(hào)先經(jīng)過優(yōu)先編碼器再經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時(shí)已限制了其他選手的搶答，信號(hào)再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示管，將最先搶答的選手的編號(hào)顯示出來，并同時(shí)使指示燈亮起，至此完成了搶答功能。如果無人搶答，30秒減計(jì)數(shù)器減到00，會(huì)使到時(shí)指示燈亮，且有報(bào)警聲。八路優(yōu)先搶答器設(shè)計(jì)總體方框圖如圖1所示。三、電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析1.搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用。二是要使其他選手的按鍵操作無效。因此選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及譯碼顯示電

16、路完成以上功能。74LS148是八線-三線優(yōu)先編碼器，該編碼器由8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制輸出端，輸入輸出均為低電平有效。EI為輸入使能端，低電平有效，當(dāng)EI為低電平時(shí)，編碼器出于工作狀態(tài)；EO為輸出使能端，只有在EI=0，且所有輸入都為1時(shí)，輸出為；GS表征編碼器的工作狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)EI為低電平，且輸入至少有一個(gè)為有效電平時(shí)，GS才有效。因此可以根據(jù)EI、EO、GS功能擴(kuò)展端的特點(diǎn)，對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)控制。編碼器在電路中的功能是判斷搶答者的編號(hào)。 其引腳圖和邏輯功能表分別如圖2和表1所示。 圖2 74LS148管腳圖表1 74LS148功能表74LS279是由4個(gè)RS鎖存器組成，且均為與非門構(gòu)成

17、的RS鎖存器。其中S和S有兩個(gè)輸入端，和S均為相與的關(guān)系。本設(shè)計(jì)中，將S和S連在一起共同控制輸出。其引腳圖和真值表（注：R、S不能同時(shí)有效，否則輸出不能確定）分別如圖3和表2所示。圖3 74LS279管腳圖 表2 74LS279真值表 74LS283為快速進(jìn)位四位二進(jìn)制全加器。全加器可完成兩個(gè)4 位二進(jìn)制字的加法。每一位都有和（）的輸出，第四位為總進(jìn)（C4）。本加法器可對(duì)內(nèi)部4 位，進(jìn)行全超前進(jìn)位，在10ns之內(nèi)產(chǎn)生進(jìn)位項(xiàng)。這種能力給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在經(jīng)濟(jì)性上提供局部的超前性能，且減少執(zhí)行行波進(jìn)位的封裝數(shù)。它的管腳圖如圖4所示。圖4 74LS283管腳圖 A1、A2、A3、A4為四位二進(jìn)制加數(shù)A輸入

18、端，B1、B2、B3、B4為四位二進(jìn)制加數(shù)B輸入端,CO為低位片進(jìn)位輸入端，C4為向高位片進(jìn)位輸出，SUM-1、SUM-2、SUM-3、SUM-4為本位和輸出端。74LS48為七段顯示譯碼器。該集成譯碼器設(shè)有多個(gè)輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能。BI/RBO為滅燈輸入，當(dāng)BI=0時(shí)，所有字形熄滅。LT為試燈輸入，當(dāng)LT=0且RBO=1時(shí)，顯示字形為8，常用于檢測自身的好壞。RBI為動(dòng)態(tài)滅燈輸入，當(dāng)LT=1，RBI=0且輸入均為0時(shí)，輸出均為低電平，數(shù)碼管“滅零”。譯碼器74LS48輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路。其管腳圖

19、和邏輯表分別如圖5和表3所示。 圖5 74LS48管腳圖表3 74LS功能表數(shù)碼顯示管分為共陰極和供陽極兩種。它們是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成顯示的字段。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆劃發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通,就能顯示出各種字符。共陰極數(shù)碼顯示管是將所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，公共端3，8接低電平，當(dāng)某個(gè)字段的陽極接高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。它的管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖6和圖7所示。圖6 數(shù)碼顯示管管腳圖 圖7 數(shù)碼顯示管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)各芯片功能及搶答器的功能要求，搶答器電路如圖8所示。圖8 搶答電路圖2.限時(shí)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求搶答器具有限時(shí)功能，將一次搶答的時(shí)間設(shè)置為30S。設(shè)

20、計(jì)中選用十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，74LS192具有置數(shù)和清零功能，其引腳圖和功能表分別如圖9和表4所示。圖9 74LS192引腳圖 表4 74LS192功能表 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要兩片74LS192構(gòu)成100進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器。由功能真值表可知，只需將個(gè)位74LS192的借位輸出端BO與十位74LS192的CPD即可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制減計(jì)數(shù)。值得注意的是，要使其實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)，CPU端口必須接高電平。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路的提供可以有兩種選擇方案：方案一：用555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之 間來回

21、轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖10所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其

22、維持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R1R2）C。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。 圖10 多諧振蕩器振蕩頻率為方案二：有石英晶體振蕩器提供時(shí)鐘脈沖。石英振蕩器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可

23、靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。如圖11所示圖11 多諧振蕩器經(jīng)過比較，多諧振蕩器頻率穩(wěn)定性比石英晶體振蕩器較差，而且其精確度也遠(yuǎn)沒有石英晶體振蕩器那么高，但是考慮到在此次電路中的實(shí)際情況，石英晶體振蕩器的造價(jià)等要求高于多謝振蕩器，所以采用方案一的多謝振蕩器來提供時(shí)鐘脈沖。如圖12所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號(hào)就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。我們設(shè)定產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔是一秒，根據(jù)計(jì)算可以得出電阻R與電容C的關(guān)系，給定電容值，可適配解出電阻值得到如下圖的電路：圖12 多諧振蕩器 由以上集成芯片設(shè)計(jì)的限時(shí)電路如圖13所示。 圖13 限時(shí)電路3.報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電

24、路只是采用了一個(gè)蜂鳴器和LED發(fā)光二極管構(gòu)成，其電路如圖14所示。圖14 報(bào)警電路 4.時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要完成三項(xiàng)功能：a.主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時(shí)，搶答電路和限時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。b.當(dāng)競賽選手按動(dòng)搶答健時(shí)，搶答電路和限時(shí)電路停止工作。c.當(dāng)限定的搶答時(shí)間到，無人搶答時(shí)搶答電路和限時(shí)電路停止工作。本設(shè)計(jì)采用門電路對(duì)控制開關(guān)、搶答電路、定時(shí)電路進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)上述功能要求，如圖15所示。 圖15 時(shí)序控制電路5.計(jì)分電路設(shè)計(jì)計(jì)分電路用來實(shí)現(xiàn)對(duì)選手答題情況的統(tǒng)計(jì)，故采用前文中提到過的555來設(shè)計(jì)多諧振蕩電路來提供脈沖，采用兩片74LS160來實(shí)

25、現(xiàn)計(jì)數(shù)0-99，選手每答對(duì)一題加一分。74lS160的管腳排列和功能表如圖16，表5：圖16 74ls160管腳排列表5 74LS160功能表計(jì)分電路整體連接圖17：圖17 計(jì)分電路6.整體電路的仿真與調(diào)試（1）通過控制電路將搶答、限時(shí)、報(bào)警、時(shí)序、計(jì)分電路進(jìn)行連接后，構(gòu)成了搶答器電路的整體設(shè)計(jì)，總體電路圖如圖18所示。圖18 搶答器整體電路（2）仿真軟件的介紹Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件

26、描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路；通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為；借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征；通過一個(gè)工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測試；通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間。（3）搶答器電路的仿真a.主持人將控制開關(guān)撥到開始位置，搶答電路和限時(shí)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。運(yùn)行結(jié)果如圖19所示。圖19 開始搶答電路結(jié)果圖b.在在規(guī)定時(shí)間內(nèi)當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵，搶答電路和限時(shí)電路停止工作，同時(shí)數(shù)碼管顯示相應(yīng)選手的編號(hào)，指示燈亮起。運(yùn)行結(jié)果如圖20所示。 圖20 7號(hào)選手搶答結(jié)果圖c.在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無人搶答，搶答電路

27、和限時(shí)電路停止工作，選手再按搶答鍵，將不會(huì)顯示編號(hào)，同時(shí)限時(shí)電路顯示00，報(bào)警器報(bào)警，報(bào)警指示燈亮起。運(yùn)行結(jié)果如圖21所示。圖21 無人搶答電路運(yùn)行結(jié)果7.仿真時(shí)的問題與解決：設(shè)計(jì)按照的電路圖連接器件，在仿真軟件上進(jìn)行調(diào)試，出現(xiàn)如下問題：（1） 連線問題，元器件之間不能正常連接，連線交叉過多，電路圖看起來十分混亂。（2） 元件參數(shù)的計(jì)算選擇不是很合理，電容、電阻的參數(shù)選擇未能使輸出時(shí)鐘脈沖的時(shí)間達(dá)到理論要求。主要就是上述的問題，對(duì)上述問題的解決方法是：（1） 在元件之家以添加節(jié)點(diǎn)的方式使其正常連接，同時(shí)更改元器件放置位置，重新選擇管腳連接順序，再次布線。（2） 通過查閱資料，修改給定的電容參考值，重新計(jì)算電阻的值，多次修改調(diào)試，直到到達(dá)理論值。四、設(shè)計(jì)總結(jié)與心得通過本次課程設(shè)計(jì)，不僅有效鞏固了本學(xué)期所學(xué)數(shù)電知識(shí)，加強(qiáng)了對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的記憶和理解，還進(jìn)一步鞏固了運(yùn)用EDA技術(shù)相關(guān)軟件，這次課設(shè)增強(qiáng)了我學(xué)習(xí)數(shù)電的興趣。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，在多種方案的選擇中，我仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，最后還是在通多次對(duì)電路的改進(jìn)，上機(jī)仿真以及接線調(diào)試，終于使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)過程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過程很可能相當(dāng)煩瑣，有時(shí)花很長時(shí)間設(shè)計(jì)出來的電路還是需要重做，那時(shí)心中未免有點(diǎn)灰心，有時(shí)還特別