廣工數(shù)電課程設(shè)計(jì)(四人搶答器)

.PAGE.目錄一、設(shè)計(jì)目的2二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求21、設(shè)計(jì)任務(wù)22、設(shè)計(jì)要求2三、四人智力競(jìng)賽搶答器電路原理及設(shè)計(jì)31、設(shè)計(jì)方案32、系統(tǒng)框圖33、方案比較4方案14方案2:4方案3：44、單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇4〔1搶答電路4〔2定時(shí)電路7〔3報(bào)警電路9〔4時(shí)序控制電路10〔5元器件列表125、四路搶答器總電路圖13四、設(shè)計(jì)過程中的問題和解決辦法13五、設(shè)計(jì)成品的優(yōu)點(diǎn)與不足14六、心得體會(huì)14七、實(shí)物圖151、正面152、反面16四人智力競(jìng)賽搶答器一、設(shè)計(jì)目的1.掌握四人智力競(jìng)賽搶答器電路的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。2.熟悉數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)和使用方法。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一臺(tái)可供4名選手參加比賽的智力競(jìng)賽搶答器。用數(shù)字顯示搶答倒計(jì)時(shí)間,由"9"倒計(jì)到"0"時(shí),無人搶答,蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時(shí),數(shù)碼顯示選手組號(hào),同時(shí)蜂鳴器響1秒,倒計(jì)時(shí)停止。2、設(shè)計(jì)要求<1>4名選手編號(hào)為：1,2,3,4。各有一個(gè)搶答按鈕,按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)對(duì)應(yīng),也分別為1,2,3,4。<2>給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕,用來控制系統(tǒng)清零〔搶答顯示數(shù)碼管滅燈和搶答的開始。<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,該選手編號(hào)立即鎖存,并在搶答顯示器上顯示該編號(hào),同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示,封鎖輸入編碼電路,禁止其他選手搶答。搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<4>搶答器具有定時(shí)〔9秒搶答的功能。當(dāng)主持人按下開始按鈕后,定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí),定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)時(shí)間,若無人搶答,倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí),揚(yáng)聲器響,音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時(shí)間〔9秒內(nèi)搶答有效,搶答成功,揚(yáng)聲器響,音響持續(xù)1秒,同時(shí)定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí),搶答顯示器上顯示選手的編號(hào),定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<5>如果搶答定時(shí)已到,卻沒有選手搶答時(shí),本次搶答無效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報(bào)警〔音響持續(xù)1秒,并封鎖輸入編碼電路,禁止選手超時(shí)后搶答,時(shí)間顯示器顯示0。<6>可用石英晶體振蕩器或者555定時(shí)器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào),作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的CP信號(hào)。三、四人智力競(jìng)賽搶答器電路原理及設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案搶答器具有鎖存、定時(shí)、顯示和報(bào)警功能。即當(dāng)搶答開始后,選手搶答,按動(dòng)按鈕,鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼,同時(shí)用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來,并且暫停搶答時(shí)間的倒計(jì)時(shí),同時(shí)用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時(shí)間顯示出來。在選手按鍵搶答成功后或者搶答時(shí)間倒計(jì)時(shí)為零的時(shí)候都有1秒鐘的報(bào)警以提醒主持人和選手。搶答的有效時(shí)間設(shè)定9秒,報(bào)警響聲持續(xù)1秒。接通電源后,主持人將開關(guān)撥到"清除"狀態(tài),搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài),編號(hào)顯示器顯示"0",定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間"9"；主持人將開關(guān)置"開始"狀態(tài),宣布"開始",搶答器工作,定時(shí)器倒計(jì)時(shí)。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí),搶答器完成該功能：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、倒計(jì)時(shí)鎖定、揚(yáng)聲器提示。倒計(jì)時(shí)電路的數(shù)碼管顯示剩余時(shí)間,另一個(gè)數(shù)碼管顯示選手編號(hào)。如果在搶答時(shí)間內(nèi)沒有選手搶答,則倒計(jì)時(shí)電路數(shù)碼管顯示數(shù)字"0",另一數(shù)碼管也顯示"0",即1至4號(hào)選手都沒有搶答。同時(shí)音響電路給出1秒音響提示。當(dāng)一輪搶答之后,定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。2、系統(tǒng)框圖當(dāng)主持人宣布開始,定時(shí)電路開始秒脈沖電路的作用而進(jìn)行倒記時(shí),并通過譯碼器在顯示器中顯示。當(dāng)選手首先按某一開關(guān)鍵時(shí),可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存,在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息,同時(shí)為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂,最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼,將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號(hào)碼。若有多個(gè)開關(guān)同時(shí)按下時(shí),則在它們之間存在著隨機(jī)競(jìng)爭的問題,結(jié)果可能是它們中的任一個(gè)產(chǎn)生有效輸出。如圖1：揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計(jì)時(shí)器譯碼器數(shù)碼顯示揚(yáng)聲器鎖存器編碼轉(zhuǎn)換電路譯碼器主持人選手圖1系統(tǒng)框圖3、方案比較方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號(hào)的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出,用74ls190完成倒計(jì)時(shí)電路,用一個(gè)555產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)提供給搶答電路,再接一個(gè)分頻器,把分頻后的時(shí)鐘信號(hào)接給倒計(jì)時(shí)電路。分析：用CD4511雖然比較簡便,但實(shí)際在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時(shí)比較繁瑣難實(shí)現(xiàn)。方案2:采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls190完成倒計(jì)時(shí)電路的功能,用晶振產(chǎn)生脈沖,經(jīng)分頻電路,接到搶答電路和倒計(jì)時(shí)電路。分析：74ls190為單時(shí)鐘計(jì)數(shù)器,而且沒有異步清零端。用晶振產(chǎn)生的脈沖更加精確,但是本設(shè)計(jì)不需要很精確的時(shí)鐘秒沖信號(hào),而且用到晶振要經(jīng)過兩次不同的分頻,需要額外的兩塊芯片進(jìn)行分頻,增加成本。方案3：采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls192完成倒計(jì)時(shí)電路的功能,用兩個(gè)555產(chǎn)生脈沖。分析：用兩個(gè)555產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)時(shí)鐘的頻率,而且可以避免由一個(gè)時(shí)鐘分頻到搶答電路和倒計(jì)時(shí)電路時(shí)產(chǎn)生的跳線問題。所用元件也不是很多,而且可以完美實(shí)現(xiàn)題目的功能要求。經(jīng)過對(duì)比3個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn),決定采用成本較低、跳線少、功能易實(shí)現(xiàn)的方案3。然后利用軟件multism來進(jìn)行仿真調(diào)試,再進(jìn)行逐步改進(jìn)。4、單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇〔1搶答電路電路如圖2所示。該電路完成兩個(gè)功能：一、是分辨出選手按鍵的先后,并鎖定。74LS175的四個(gè)輸出端Q1、Q2、Q3、Q4分別表示選手1、2、3、4的編號(hào),經(jīng)過74LS32或門后連接到74LS47的A、B、C輸入端,完成編碼過程,同時(shí)譯碼顯示電路74LS47讓數(shù)碼管顯示選手編號(hào)；二、是要通過先搶答的選手的輸出電平信號(hào)使其他選手隨后的按鍵操作無效。圖2搶答電路該電路的工作原理為：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于"清除"時(shí),D觸發(fā)器的清零端為低電平,使D觸發(fā)器被強(qiáng)制清零,輸入的搶答信號(hào)無效。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到"開始"時(shí),D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平,四個(gè)Q非端經(jīng)過與門U9B為高電平,再和555脈沖信號(hào)信號(hào)和借位信號(hào)經(jīng)過與門U9A仍為高電平,再送到D觸發(fā)器的脈沖端。當(dāng)沒人搶答時(shí),Q1、Q2、Q3、Q4都為低電平,Q1非、Q2非、Q3非、Q4非都為高電平。與門U9B輸出端為高電平,和555的方波脈沖信號(hào)相與仍為脈沖信號(hào),送給D觸發(fā)器脈沖端。當(dāng)一有人搶答時(shí)〔例如一號(hào)選手,D1輸入端為高電平,該信號(hào)在時(shí)鐘輸入的脈沖信號(hào)的上升沿到來時(shí)進(jìn)入鎖存器,然后該選手的編號(hào)通過74LS32和47LS47顯示在數(shù)碼管中。同時(shí)Q1非輸出為低電平,經(jīng)過與門U9B后仍為低電平,經(jīng)過與門U9A后使鎖存器74LS175的脈沖輸入端保持低電平,封鎖了四個(gè)輸入端的輸入,同時(shí)保持了輸出端的電平信號(hào)不變。這樣不僅使得其他選手按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接收,而且搶答成功的一號(hào)選手的編號(hào)也被保存下來,直到主持人"清零"。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)選手回答完畢,主持人控制開關(guān)S是搶答電路復(fù)位,以便進(jìn)行下一輪搶答。四D觸發(fā)器74LS175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng),編碼的作用是把鎖存器的輸出轉(zhuǎn)化成8421BCD碼,進(jìn)而送給7段顯示譯碼器。其真值表a：表a鎖存編碼真值表鎖存器輸出編碼器輸入Q4Q3Q2Q1DCBA00010001001000100100001110000100由該表可以看出,747LS175不能直接與74LS47連接,因?yàn)镼3=1時(shí),對(duì)應(yīng)的編碼器輸入A=1,B=1。這時(shí)就通過二輸入或門74LS32使鎖存、編碼一一對(duì)應(yīng)〔如圖2。編碼器的D輸入端不需要,接地使其為0。74LS175的邏輯引腳圖與功能表如下：圖1-674LS175的邏輯引腳圖74LS175是一個(gè)單向上升沿觸發(fā)的四D觸發(fā)器、互補(bǔ)輸出,有公用的時(shí)鐘和公用的清零。時(shí)鐘的觸發(fā)產(chǎn)生于特定的電壓電平上,同脈沖的正躍變時(shí)間無直接關(guān)系。當(dāng)CLK引腳輸入上升沿時(shí),1D-4D被鎖存到輸出端〔1Q-4Q。不管時(shí)鐘輸入的電平是高或是低,D輸入信號(hào)不影響輸出。清零端CLR為低電平有效,即該引腳接低電平后,四個(gè)輸入信號(hào)無效,四個(gè)輸出為為低電平。只有CLR接高電平時(shí),74LS175才能正常工作。表b74LS175功能表備注：RD即仿真圖中的CLR,CP即仿真圖中的CLK。鎖存電路的脈沖信號(hào)：由555產(chǎn)生的140HZ的脈沖信號(hào),為74LS175的CLK端提供方波脈沖,使其能正常工作?！?定時(shí)電路如圖3。定時(shí)9秒,把74LS192對(duì)應(yīng)的9,10,1,15四個(gè)端子預(yù)置為"1001"。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時(shí),給74ls192一個(gè)低電平,從而開始倒計(jì)時(shí),每來一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行減計(jì)數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號(hào)時(shí),就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平,從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的停止。再按復(fù)位鍵時(shí),再一次倒計(jì)時(shí)。圖3定時(shí)電路74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器,它具有雙時(shí)鐘輸入,并具有清除和置數(shù)等功能。LOAD為預(yù)置數(shù)端,低電平時(shí)把輸入端置成預(yù)置數(shù)；CLR為清零端；UP為加計(jì)數(shù)端；DOWN為減計(jì)數(shù)端；BO為借位輸出〔低電平輸出；CO為進(jìn)位輸出端〔低電平輸出。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖：由秒脈沖電路555提供,其脈沖頻率為1HZ,即1秒變化一個(gè)周期。它基本原理是,由于電容C的兩端的電壓不能突變,定時(shí)器的2端電壓低觸發(fā)端為低電平,輸出端3為高電平。電源經(jīng)過R1、R2給電容C充電,當(dāng)電容的電壓充到電源電壓的2/3時(shí),555內(nèi)部的MOS管導(dǎo)通,輸出為低電平。接著電容通過R2和已經(jīng)導(dǎo)通的MOS管放電,當(dāng)電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時(shí),MOS管截止電容放電停止,此時(shí)電源通過R1、R2再次向電容充電,如此反復(fù),形成震蕩,從而在3端得到時(shí)鐘脈沖源輸出。圖4信號(hào)發(fā)生電路555產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的周期計(jì)算公式：T=0.69*<R1+R2>*C〔3報(bào)警電路由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警電路,但仿真中沒有74ls121,因此用功能相同的MONOSTABLEVIRTUAL〔后文簡稱A1來代替仿真,如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號(hào)和Q非的與信號(hào)和借位信號(hào)與在一起來提供的。當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)為低電平時(shí),使得A1得到一個(gè)下降沿脈沖,從而使A1的Q端輸出一個(gè)寬度為一秒的高電平,那么蜂鳴器就會(huì)響一秒。反之,電路停振,蜂鳴器不響。圖4報(bào)警電路74ls121為不可重復(fù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,一旦被觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)以后,再加入觸發(fā)脈沖不會(huì)影響電路的工作過程,必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后,它才接受下一個(gè)觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度由Rext和Cext的大小決定。蜂鳴器的音響為1秒,由公式tw=0.69*Rext*Cext,設(shè)置74LS121的外接電阻和外接電容的值。蜂鳴器：有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器,沒有電路板而用黑膠封閉的一種是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源,所以只要一通電就會(huì)叫而無源內(nèi)部不帶震蕩源,所以如果用直流信號(hào)無法令其鳴叫。必須用2K-5K的方波去驅(qū)動(dòng)它。另外,為了加大蜂鳴器的音量,用一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)它。三極管接成共集電極輸出形式,電壓跟隨,增大電流。〔4時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它要完成以下三項(xiàng)功能：主持人將控制開關(guān)撥到"開始"位置時(shí),搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。2當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和定時(shí)電路停止工作。3當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到,無人搶答時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。圖5搶答與定時(shí)時(shí)序控制電路根據(jù)上面的功能要求,設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路如圖5所示。工作原理是：主持人控制開關(guān)從"清除"位置撥到"開始"位置時(shí),74LS175的輸出Q！=1,U9B輸出為1,借位信號(hào)為1,使U10A輸出為1,則時(shí)鐘信號(hào)CP能夠加到74LS192的時(shí)鐘輸入端,定時(shí)電路進(jìn)行遞減計(jì)時(shí)。同時(shí),在定時(shí)時(shí)間未到時(shí),則74ls192的借位信號(hào)為1,U9A和U10A的輸出為1,使74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)功能〔1的要求。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí),Q?。?,U9B輸出為0,封鎖CP信號(hào),則U10A輸出為0,定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)處于保持工作狀態(tài)；同時(shí),U9A的輸出為0,使74ls175鎖存。也使U10B輸出為0,給了74ls121一個(gè)下降沿,使74LS121處于工作狀態(tài),給蜂鳴器一個(gè)一秒的高電平,從而實(shí)現(xiàn)功能〔2的要求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí),則74ls192的借位信號(hào)為0,U10B輸出為0,有給了74ls121一個(gè)下降沿,使74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個(gè)一秒的高電平。同時(shí)U9A輸出也為0,使74ls175鎖存,禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí),U10A輸出為0,封鎖CP信號(hào),使定時(shí)電路保持0狀態(tài)不變,從而實(shí)現(xiàn)功能〔3的要求?！?元器件列表表1序號(hào)器件名稱數(shù)量備注174LS17514D觸發(fā)器274LS1921同步減法計(jì)數(shù)器3555定時(shí)器2連接成多諧振蕩與秒時(shí)鐘脈沖474LS211四輸入與門574LS112三輸入與門674LS472譯碼器774LS1211單穩(wěn)態(tài)振蕩器874LS321二輸入或門9單刀雙擲開關(guān)1總開關(guān)10有源蜂鳴器111BCD七段顯示器2共陽極12電容0.01μF2個(gè)10μF2個(gè)0.1μF1個(gè)13電阻510Ω8個(gè)10kΩ2個(gè)100kΩ1個(gè)150kΩ1個(gè)48kΩ2個(gè)

14復(fù)位開關(guān)4個(gè)用于選手搶答15三極管s80501個(gè)5、四路搶答器總電路圖圖6總電路圖四、設(shè)計(jì)過程中的問題和解決辦法〔1在用面包板測(cè)試電路功能時(shí),剛開始發(fā)現(xiàn)蜂鳴器完全不響,然后上網(wǎng)找了幾個(gè)74ls121的連接電路,發(fā)現(xiàn)還是不行。然后就查看數(shù)電數(shù),知道如何連接了。但是蜂鳴器的聲音太小了,于是又采用三極管來放大電流。終于使它發(fā)出1秒的響亮聲音。〔2在焊接電路的過程中,盡管已經(jīng)畫了元件分布草圖,但是依然有