課程設(shè)計(jì)多路搶答器設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告學(xué)生姓名:李宗博學(xué) 號(hào)：學(xué) 院:電氣工程學(xué)院班 級(jí):電自1116題 目:多路搶答器設(shè)計(jì)張光烈指導(dǎo)教師： 職稱(chēng): 教授 2013年 9 月 9 日一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)：1、本次課程設(shè)計(jì)的目的是：(1)、使學(xué)生對(duì)電子的一些相關(guān)知識(shí)有感性認(rèn)識(shí)，加深電類(lèi)有關(guān)課程的理論知識(shí)；(2)、掌握電子元件的焊接、電氣元件的安裝、連線等基本技能，培養(yǎng)學(xué)生閱讀電氣原理圖和電子線路圖的能力；(3)、在生產(chǎn)實(shí)踐中，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦、勇于創(chuàng)新的積極性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、踏實(shí)、勤奮的學(xué)習(xí)精神和工作作風(fēng)，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2、本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求：多路搶答器設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)、搶答開(kāi)始

2、時(shí)，由主持人按下復(fù)位開(kāi)關(guān)清除信號(hào)，用發(fā)光二極管作為輸出顯示信號(hào)標(biāo)志。(2)、當(dāng)主持人宣布“搶答開(kāi)始”后，先按鍵者相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮；(3)、有人按鍵被響應(yīng)的同時(shí)，應(yīng)有信號(hào)發(fā)出去鎖住其余幾個(gè)搶答者的電路，不再接收其它信號(hào)，直到主持人再次清除信號(hào)為止。當(dāng)達(dá)到限定時(shí)間時(shí)，發(fā)出聲響以示警告。(4)、在電路中設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)時(shí)功能電路，要求計(jì)時(shí)電路按秒顯示，最多時(shí)限為1分鐘，當(dāng)時(shí)間顯示一旦到達(dá)59秒，下一秒系統(tǒng)自動(dòng)取消搶答權(quán)，信號(hào)被自動(dòng)清除，搶答重新開(kāi)始。亦可倒計(jì)時(shí)顯示。(5)、至少4路信號(hào)搶答設(shè)計(jì)。多路搶答器設(shè)計(jì)要求：(1)、按照設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，完成所選題目仿真電路的設(shè)計(jì)；(2)、完成收音機(jī)的焊接和調(diào)試；

3、(3)、完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（即設(shè)計(jì)報(bào)告）的書(shū)寫(xiě)。二、設(shè)計(jì)方案的原理及流程框圖：設(shè)計(jì)方案的原理：該電路主要的芯片：編碼器74LS148，譯碼器74LS138，鎖存器74LS273。搶答開(kāi)始時(shí)，74LS148的各引腳均輸出高電平，EI端為低電平，處于允許輸入狀態(tài)，受編碼器輸出端的影響，芯片74LS273即鎖存器的CLK端為低電平，即使得鎖存器的輸出端保持低電平，因此經(jīng)或非門(mén)的影響，在某選手搶答成功前，“搶答顯示燈”處于“亮”的狀態(tài)，同時(shí)74LS160的ENP、ENT端處于高電平狀態(tài)，使得計(jì)數(shù)器一直處于計(jì)數(shù)狀態(tài)（最大到60秒），并在58秒時(shí)，計(jì)數(shù)器高電平觸發(fā)蜂鳴器和發(fā)光二極管，若在有限的時(shí)間內(nèi)，8位選手

4、均為搶答，則計(jì)數(shù)器達(dá)到60秒時(shí)，高位向ENP、ENT端輸入低電平，使計(jì)數(shù)器保持在60秒，此時(shí)各位選手均處于禁止輸入狀態(tài)，直至主持人按下清零開(kāi)關(guān)。當(dāng)某位選手搶答成功時(shí)，編碼器的輸出端的某引腳為低電平，經(jīng)過(guò)各個(gè)門(mén)電路的影響，鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)CLK端為上升沿，此選手的“信息”被鎖存，此時(shí)“選手序號(hào)顯示器”顯示該選手的序號(hào)，此時(shí)鎖存器的輸出端信號(hào)經(jīng)過(guò)門(mén)電路“反饋”到時(shí)鐘信號(hào)CLK端，使得CLK保持低電平，而編碼器的EO端為高電平，經(jīng)由門(mén)電路，反饋到EI端，EI端被置高電位，使其他的選手出去搶答禁止?fàn)顟B(tài)；而此時(shí)經(jīng)由門(mén)電路輸出的低電平使得“搶答顯示燈”的電平實(shí)現(xiàn)了“高低”的轉(zhuǎn)換，而計(jì)數(shù)器的ENP、ENT端

5、也被置為低電平，計(jì)數(shù)停止；鎖存器輸出端經(jīng)過(guò)譯碼器74LS138的譯碼，使得對(duì)應(yīng)的“選手顯示燈”、蜂鳴器以及發(fā)光二極管被置于高電平。故有選手搶答時(shí)，“選手顯示燈”以及發(fā)光二極管發(fā)光、蜂鳴器被激發(fā)、計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)、“選手搶答顯示燈”熄滅。當(dāng)選手搶答完成后，主持人端按下服務(wù)開(kāi)關(guān)，搶答計(jì)數(shù)器的CLK端置低電平，答計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)ENP、ENT端被置高電平，計(jì)數(shù)器處于可計(jì)數(shù)狀態(tài)，與此同時(shí)，由于復(fù)位開(kāi)關(guān)的影響，編碼器的輸出為高電平，鎖存器的輸出為低電平，經(jīng)過(guò)門(mén)電路的影響，“選手搶答顯示燈”被置高電平，再次被點(diǎn)亮；“選手顯示燈”被置低電平，熄滅，同時(shí)蜂鳴器和發(fā)光二極管也從高電位轉(zhuǎn)換到低電位，停止工作。故實(shí)現(xiàn)

6、了各個(gè)位置的復(fù)位功能。設(shè)計(jì)方案的流程圖：主持人復(fù)位清零電路譯碼顯示電路邏輯控制電路編碼、鎖存電路選手搶答電路序號(hào)顯示電路三、設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要器件：整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的主要芯片是加法計(jì)數(shù)器74LS160、優(yōu)先編碼器7 4LS148、鎖存器74LS273、譯碼器74LS138以及數(shù)碼管等器件。以下介紹設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要芯片(1)、選手的搶答過(guò)程的完成主要依靠?jī)?yōu)先編碼器74LS148來(lái)完成：（管腳圖）上圖為有限編碼器74LS148的管腳圖。74LS148 為 8 線3 線優(yōu)先編碼器，共有 54/74148 和 54/74LS148 兩種線路結(jié)構(gòu)型式， 將 8 條數(shù)據(jù)線（07）進(jìn)行 3 線(4-2-1)二進(jìn)制

7、（八進(jìn)制）優(yōu)先編碼，即對(duì)最高位數(shù)據(jù)線進(jìn)行譯碼。 利用選通端（EI）和輸出選通端（EO）可進(jìn)行八進(jìn)制擴(kuò)展。14、1113編碼輸入端(低電平有效)5選通輸入端(低電平有效)6、7、9三位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)即編碼輸出端(低電平有效)15片優(yōu)先編碼輸出端即寬展端(低電平有效)14選通輸出端，即使能輸出端（芯片管腳說(shuō)明）（真值表）編碼器74LS148各個(gè)引腳之間可同時(shí)輸入，但是它會(huì)自動(dòng)地根據(jù)各引腳之間的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行編譯，保證了搶答工作的有序進(jìn)行。(2)、計(jì)時(shí)工作的完成主要依靠芯片加法器74LS160來(lái)完成：（管腳圖）74LS160是十進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器。上圖是它的管腳圖，其中CR端是異步清零端，LD端是

8、預(yù)置數(shù)控制端，D0D3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，CTTCTP是計(jì)數(shù)使能端，CO是進(jìn)位輸出端（CO= Q1Q2Q3Q4·CTT）。輸入輸出CRLDCTTCTPCPD3D2D1D0Q1Q2Q3Q40××××××××000010××D3D2D1D0D3D2D1D011×0×××××保持110××××××保持1111××××計(jì)數(shù)（芯片真值表）由

9、此可知，74LS160具有以下功能：a 異步清零。當(dāng)CR=0時(shí)，無(wú)論其他各輸入端的狀態(tài)如何，計(jì)數(shù)器輸出均被直接置“0”，成為異步清零；b 同步預(yù)置數(shù)。當(dāng)CR=1，LD=0且在時(shí)鐘脈沖CP上升沿作用時(shí)，計(jì)數(shù)器將D3 D2 D1 D0同時(shí)置入Q1Q2Q3Q4，使D3 D2 D1 D0= Q1Q2Q3Q4，由于置數(shù)操作要與CP上升沿同步，所有稱(chēng)為同步預(yù)置數(shù)；c 保持（禁止）。CR =LD=1且CTP CTT=0時(shí)，不論有無(wú)CP脈沖作用，計(jì)數(shù)器都將保持原有的狀態(tài)不變（停止計(jì)數(shù)）；d 計(jì)數(shù)。LD=CR= CTP =CTT=1時(shí)，74LS160處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。(3)、搶答電路的鎖存功能由鎖存器74LS273

10、來(lái)完成：（管腳圖）74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 CPU 的ALE信號(hào)必須經(jīng)過(guò)反相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK 端相連。74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。該芯片的功能如下：a、1管腳是復(fù)位輸入端CLR，低電平有效，當(dāng)1腳是低電平的時(shí)候，2（Q1）、5(Q2)、6(Q3)、9(Q4)、12(Q5)、15(Q6)、16(Q7)、19(Q8)全部輸出0，即全部復(fù)位；b、當(dāng)1管腳是高電平的時(shí)候

11、，11（CLK）是鎖存控制端，并且是上升沿觸發(fā)鎖存，每當(dāng)11管腳有一個(gè)上升沿信號(hào)，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài)，并且立即呈現(xiàn)在輸出腳2（Q1）、5(Q2)、6(Q3)、9(Q4)、12(Q5)、15(Q6)、16(Q7)、19(Q8)上。(4) 、“選手搶答顯示燈”的顯示主要依靠譯碼器74LS138來(lái)完成（管腳圖）工作原理：當(dāng)一個(gè)選通端（E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（A0、A1、A2）二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時(shí)，則Y6輸出端輸出低電平信號(hào)。利用 E1、E2和E3可

12、級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器?？捎迷?086的譯碼電路中，擴(kuò)展內(nèi)存。（芯片真值表）(5)、整個(gè)電路圖總的零件清單：原件編號(hào)型號(hào)數(shù)量U4、U774LS160N2U174LS148N1U274LS273N1U1374LS138N1U11、U25、U6、U27、U22、U24AND5U12、U5NAND2U29OR1U3、U23NOR2U14、U15、U16、U17、U18、U19、U20、U21NOT8PB_DPST9J1SWITCH1U8、U9、U10DCD_HEX3U26、U28B

13、UZZER2-LED2R1RESISTOR1-PROBE_GREEN8-PROBE_RED1四、綜合邏輯電路圖總的邏輯電路圖如下所示：部分電路： 計(jì)數(shù)器電路優(yōu)先編碼電路選手序號(hào)顯示電路調(diào)試運(yùn)行電路（以4號(hào)為例）：五、仿真調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題此次課程設(shè)計(jì)完全是個(gè)人參與完成，再者，加上自己的基本功不扎實(shí)，很多東西都需要從頭開(kāi)始學(xué)習(xí)實(shí)踐以加深了解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題：(1)、因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)是8路搶答器，所以數(shù)碼管必須能顯示“18”8個(gè)數(shù)字，同時(shí)，由于存在清零功能，所以還必須能顯示“0”。問(wèn)題：由于優(yōu)先編碼器74LS148N只有三個(gè)輸出端，所以連接在鎖存器74LS273N上的數(shù)碼管只能顯示“07”

14、，雖然可以將選手分別定義為“0號(hào)7號(hào)”，但是由于清零功能的存在，就使得0號(hào)選手的序號(hào)顯示與清零功能的實(shí)現(xiàn)相悖，只能將選手定義為“1號(hào)8號(hào)”。解決方法：由于只有當(dāng)數(shù)碼管上顯示“8”時(shí)，最高位才是高電平“1”，其他三位為低電平“0”，只要其他三位有高電平“1”存在，高位就是低電平“0”，所以將優(yōu)先編碼器的三位輸出“與非”處理作為鎖存器的高位輸入；但是這時(shí)又遇到了問(wèn)題當(dāng)無(wú)人搶答時(shí)，鎖存器的輸出端直接顯示“8”即：清零時(shí)，數(shù)碼管的高位也為“1”。當(dāng)在清零狀態(tài)下時(shí)，編碼器的三位輸出為高電平“1”，8號(hào)輸入端D7為高電平“1”，這時(shí)鎖存器的4D輸入端需要為“0”；當(dāng)8號(hào)選手搶答即D7為低電平“0”，編碼器

15、的三位輸出為高電平“1”，這時(shí)鎖存器的4D輸入端需要為高電平“1”。所以在上述前提下，將編碼器的“8號(hào)選手輸入”也與三位輸出“與非”作為鎖存器的高位輸入。(2)、鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)CLK一旦有一個(gè)上升沿，就鎖存輸入過(guò)來(lái)的信號(hào)，因此清零結(jié)束后，CLK的電平必須是低電平“0”。問(wèn)題：當(dāng)有選手搶答時(shí)，優(yōu)先編碼器的輸出端既有“0”輸出，這時(shí)就要給CLK一個(gè)上升沿，所以將三位輸出端“與非”處理。但是這時(shí)遇到了一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)選手沒(méi)有搶答即編碼器的8位輸入都為高電平“1”和7號(hào)選手搶答即編碼器的D0輸入低電平“0”時(shí)，編碼器的三位輸出都為高電平“1”，這就使得即使7號(hào)搶答，CLK也不會(huì)有上升沿，導(dǎo)致鎖存器不會(huì)“

16、接受”7號(hào)選手的脈沖信息，數(shù)碼管上也就不會(huì)顯示“7”這個(gè)數(shù)字。解決辦法：選手的信息對(duì)于鎖存器74LS273N是否“有效”，其實(shí)最終取決于時(shí)鐘信號(hào)CLK，也就是選手的輸入信息是否能使CLK出現(xiàn)上升沿。當(dāng)7號(hào)選手及其他選手均沒(méi)有搶答時(shí)（此時(shí)7號(hào)的輸入端D0為“0”），編碼器的三位輸出都為高電平“1”，此時(shí)要使CLK為低電平“0”；當(dāng)7號(hào)選手搶答時(shí)（此時(shí)7號(hào)選手的輸入端D0為“1”），編碼器的三位輸出仍舊為高電平“1”，但是此時(shí)需要時(shí)鐘信號(hào)CLK為“1”即有上升沿。從以上這個(gè)條件可以知道，將7號(hào)的輸入端D0與編碼器的三位輸出“與非”處理作為時(shí)鐘信號(hào)即可滿足以上結(jié)論。(3)、EI是編碼器的使能端，當(dāng)E

17、I端為“0”時(shí)，八位選手才能搶答，否則，禁止搶答。問(wèn)題：有第二個(gè)問(wèn)題中已經(jīng)講明，為了解決問(wèn)題(2)，將7號(hào)選手的輸入端與編碼器的三位輸出端經(jīng)與非門(mén)處理后作為鎖存器的時(shí)鐘電路，使得7號(hào)選手端的輸入直接“跨過(guò)了”使能端，不受任何限制，因此這就導(dǎo)致了一個(gè)問(wèn)題即便有一位除7號(hào)以外的選手已經(jīng)搶答成功，只要7號(hào)選手按下?lián)尨鹌?，?shù)碼管上仍舊顯示“7”。解決方法：EI使能端決定著優(yōu)先編碼器是否能接受8位選手的搶答信號(hào)，但是并不能決定數(shù)碼管上是否能顯示選手的序號(hào)，也就是說(shuō)：雖然7號(hào)選手的信號(hào)在其他選手之后仍舊被編碼器接受編碼了，但是這并不意味著鎖存器可以鎖存這個(gè)信號(hào)，此時(shí)要看鎖存器的CLK是否為上升沿，如果在其他選手搶答完成后，即使7號(hào)選手端有輸入，我們也能一直保持CLK端為低電平，那么也可以清除7號(hào)選手對(duì)其他選手的干擾。這時(shí)注意到，當(dāng)無(wú)人搶答時(shí)，數(shù)碼管的四位輸入都為低電平“0”，當(dāng)有人搶答時(shí)，數(shù)碼管的四位輸入至少有一位是高電平“1”，因此，可以采取這種措施：將數(shù)碼管的四位輸入經(jīng)與非門(mén)處理，然后再將其與“優(yōu)先編碼器的三位輸出與7號(hào)選手端的輸入與非后的結(jié)果”以及主持人清