八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目: 八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì) 姓 名: 專 業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級: 122班 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 20 年 月 日安徽科技學(xué)院理學(xué)院八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)一 、課程設(shè)計(jì)題目（與實(shí)習(xí)目的）（一）、題目：八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)（二）、實(shí)習(xí)目的：1進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識。2熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應(yīng)用，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。3了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，學(xué)會科學(xué)分析和解決問題。 4培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。5數(shù)點(diǎn)課程實(shí)驗(yàn)是大學(xué)中為我們提供的唯一一次動手實(shí)踐的機(jī)會，增強(qiáng)動手實(shí)踐的能力。二、 任務(wù)和

2、要求實(shí)現(xiàn)搶答器的方法很多，如eprom編程、ram編程、單板機(jī)、單片機(jī)等，都可以組成搶答器系統(tǒng)。（1）搶答器設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個搶答器，基本要求：1. 搶答器可以實(shí)現(xiàn)基本搶答；可同時供8名選手或8個代表隊(duì)參加比賽，他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別是s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7。2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，同時揚(yáng)聲器給出音響提示。此外，要封鎖

3、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到主持人將系統(tǒng)清零為止。三、總體方案的選擇（1）總體方案的設(shè)計(jì)針對題目設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過分析與思考，擬定以下二種方案：方案一：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先搶答的選手的編號鎖定，再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報(bào)警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報(bào)警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他部分電路通過門電路實(shí)現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報(bào)警部分電路的控制。主體框圖如下： 圖1 八路智力搶答器方案一設(shè)計(jì)框圖方案二：主持人按動開始搶

4、答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產(chǎn)生報(bào)警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答， 30秒減計(jì)數(shù)器減到00時也會發(fā)出報(bào)警信號，此是完成計(jì)時功能。主體框圖如下：圖2 八路智力搶答器方案二設(shè)計(jì)框圖（2）總體方案的選擇相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：這種方案原理比較簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能，在有選手搶答后或者計(jì)時開始和結(jié)束時。既減少了布線使整個電路

5、更直觀簡單，又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。四 單元電路的設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)所使用的元件及工具：74ls48 - 3個；74ls279 - 1個；74ls192 - 2個；74ls148 - 1個；74ls00 - -3個；74ls10 - 1個；發(fā)光二極管- -1個；555 - 1個；電容： 0.1f -1個；001f -1個；電阻： 10k - -9個；15k -1個；1k -1個；68k-1個實(shí)驗(yàn)板一塊；萬用表一個；鉗子一個；導(dǎo)線若干。2.各個單元電路（1）搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個：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，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此，

6、選用優(yōu)先編碼器74ls148和rs鎖存器74ls279以及譯碼顯示電路完成上述功能。搶答器電路工作原理：sw1-8為八位選手的搶答開關(guān)，sw9單刀雙擲開關(guān)設(shè)為主持人控制開關(guān)。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于清零狀態(tài)時，rs觸發(fā)器的r端為低電平，輸出端全部為低電平。于是74ls48的bi為高，顯示器滅燈；74ls148的選通輸入端st為高電平，74ls148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當(dāng)sw9置于開始狀態(tài)，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)。74ls279的1r、1s均為高電平，由真值表可知，輸出1q為低電平，從而使74ls148輸入使能端為低電平有效，即搶答器處于等待工作狀態(tài)。若有選手（假設(shè)為3

7、號選手）按動搶答開關(guān)（即閉合sw4），此時優(yōu)先編碼器74ls148輸入端i3接低電平有效，則輸出a2a1a0為100，a2a1a0分別接至4s、3s、2s，根據(jù)rs鎖存器真值表，2q3q4q輸出分別為110，從而74ls48的輸入端dcba為0011，經(jīng)74ls48譯碼，顯示器上顯示“3”。與此同時，當(dāng)74ls148輸入端有一個為低電平時，gs為低電平有效，即標(biāo)志譯碼器處于工作狀態(tài)，從而使1s為0，此時1q輸出為高電平，致使ei為高電平，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號不會被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。搶答結(jié)束后，主持人開關(guān)置于清零狀態(tài)，數(shù)碼管變

8、灰，一切恢復(fù)初始狀態(tài)，以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。（2）定時電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求搶答器具有定時功能，且節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，可設(shè)定一次搶答的時間（設(shè)為30s）。設(shè)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是具有置數(shù)和清零功能, 其引腳圖和邏輯圖如圖10所示。圖10 74ls192引腳圖和邏輯圖p0、p1、p2、p3置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；q0、q1、q2、q3計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)輸出；cr清零端；ld置數(shù)端；cpu 加法計(jì)數(shù)cp輸入；cpd 減法計(jì)數(shù)cp輸入；co進(jìn)位輸出端；bo借位輸出端。 表5 74ls192真值表根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要兩片74ls192構(gòu)成100進(jìn)制減計(jì)數(shù)器。由功能

9、真值表可知，只需將個位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)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖11所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。圖11 多諧振蕩器因?yàn)橹芷跒橐幻?，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：t1=rbcln20.7rbc t2=(ra+rb)cln20.7(ra+rb)c 所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)1.43/(2ra+rb)c 我們采用的電阻和電容值分別是：ra=15k

10、，r2=68k，c1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。由以上集成芯片設(shè)計(jì)的定時電路如圖12所示。圖12 定時電路工作原理：首先主持人根據(jù)題的難易程度改變74ls192的輸入端d3d2d1d0的電平來確定搶答時間（假定為30秒），555構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路為計(jì)時電路提供脈沖。搶答開始前主持人閉合開關(guān)，74ls192的置數(shù)端pl為低電平有效，處于置數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時時間。搶答開始，主持人打開開關(guān)，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，555產(chǎn)生的秒脈沖與十位74ls192借位輸出端（其初始狀態(tài)為高電平）相與。計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)至00，十位74ls192借位輸出端為低電平，計(jì)數(shù)器停止工作，產(chǎn)生報(bào)警。計(jì)時期間有人搶

11、答，減計(jì)數(shù)器停止計(jì)時，顯示器上顯示此刻時間。（3）報(bào)警電路設(shè)計(jì)由555定時器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖13所示。圖中555定時器用來構(gòu)成多諧振蕩器，其震蕩頻率和秒脈沖產(chǎn)生電路中頻率的計(jì)算方法相同。3端的輸出信號經(jīng)過三級管驅(qū)動揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號。當(dāng)4端的輸入信號是高電平時，振蕩器工作，有報(bào)警信號，4端輸入低電平時，振蕩器不工作，沒有報(bào)警信號。也就是說需要報(bào)警時只需控制輸入端即可。電路圖如下:圖13報(bào)警電路（4） 時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要完成以下三項(xiàng)功能：a.主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。b.當(dāng)競賽選手按動搶答鍵時

12、，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。c.當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。本設(shè)計(jì)中采用門電路對控制開關(guān)、搶答電路、定時電路、報(bào)警電路進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)上述三項(xiàng)功能要求（如圖14所示）。圖14 時序控制電路其中，兩輸入與非門采用74ls00，引腳圖如圖15所示。三輸入與門采用74ls11，引腳圖如圖16所示。電路中利用與非門兩輸入端相連實(shí)現(xiàn)非門的邏輯功能。圖15 74ls00引腳圖圖16 74ls11引腳圖工作原理：門g1的作用是控制時鐘信號cp的放行與禁止，門g2的作用是控制74ls148的輸入使能端。主持人控制開關(guān)從“清零”位置撥到“開始”位置

13、時，74ls279的輸出1q=0，經(jīng)g3反相，a=1，則從555輸出端來的時鐘信號cp能夠加到74ls192的cpd始終輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計(jì)時。同時，在定時時間未到時，74ls192的借位輸出端bo2為低電平，門g2的輸出st為高電平，使74ls148處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能a的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鈕時，1q=1，經(jīng)g3反相，a=0，封鎖cp信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門g2的輸出st為低74ls148處于禁止工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能b的要求。當(dāng)定時時間到時，來自74ls192的bo2為高，st為高，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時，門g1

14、處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖cp信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能c的要求。五 總體電路圖圖17 總電路圖下面介紹八路智力競賽搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為兩路：一路與鎖存器的1r2r3r4r端相連，使輸出端1q2q3q4q為低電平，1q所輸出的低電平經(jīng)與門反饋給74ls148的ei端子，編碼器不工作，因此搶答部分顯示器滅燈無顯示，實(shí)現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計(jì)數(shù)器74ls192的ld端，

15、而cr端也是低電平，所以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)。接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74ls192的四個輸入端d、c、b、a的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定時間為30秒,就將十位的74192的d、c、b、a分別置位為0、0、1、1，而將各位的74ls192的d、c、b、a都置于0）。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到74ls192的ld端，使其處于高電平而開始減計(jì)數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的r端。當(dāng)任意一個選手搶答時，例如3號搶答時，74ls148三號端子輸入低電平有效，此時gs為低電平有效，表

16、征編碼器在正常工作。編碼輸出a2a1a0為100，與其對應(yīng)的4s3s2s為100，經(jīng)74ls279鎖存，4q3q2q輸出為011，經(jīng)譯碼顯示編號為3。與此同時，1q所輸出的高電平反饋回編碼器的是能輸入端，使其停止工作。此時，其他選手若再按動按鈕也無對應(yīng)輸出，這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。另一路，74ls148的gs端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0，使得無脈沖抵達(dá)計(jì)數(shù)器74ls192的down端。計(jì)數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實(shí)現(xiàn)了暫停減計(jì)數(shù)使其記錄搶答時間的功能。若沒有選手按動按鈕，則74ls279輸出全為高電平，74ls148也輸出高電平，1q

17、端輸出低電平至74ls48的滅燈輸入ri/rbo端，使得信號經(jīng)74ls48到顯示器上時無顯示；若到定時部分計(jì)數(shù)器倒計(jì)時到00還無選手按動按鈕的話，十位74ls192的借位輸出端輸出高電平反饋回個位down端，停止計(jì)數(shù)。綜上所述，所設(shè)計(jì)的電路基本可以實(shí)現(xiàn)要求中的功能。六 電路仿真電路仿真采用multisim仿真軟件進(jìn)行的。multisim軟件可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件；可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀信號發(fā)生器、交直流電壓表電流表等。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。因此，選用該軟件對搶答器各單元電路及整體電路進(jìn)行仿

18、真。七、 小結(jié) 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)電的相關(guān)知識，加強(qiáng)了對重要知識點(diǎn)的記憶和理解，還學(xué)會如何運(yùn)用multisim仿真進(jìn)行仿真受益匪淺，現(xiàn)總結(jié)如下。本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于時序控制電路的設(shè)計(jì)，如何在第一位搶答者搶答題目后讓編碼器停止工作；如何使計(jì)時電路在搶答后停止倒計(jì)時；如何讓定時電路和搶答電路同時清零。設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)以往搶答器設(shè)計(jì)思路，及查閱相關(guān)資料，可運(yùn)用74ls279的輸出1q完成上述控制任務(wù)。從這一點(diǎn)，折射出自己在平時的學(xué)習(xí)中較死板，缺乏變通思考的能力。在電路仿真的過程中，由于multisim操作相對較簡單，因此在仿真過程中較為順利。 通過本次實(shí)踐操作，也讓我深刻明白：

19、只有將課本上的理論知識，結(jié)合實(shí)踐不斷練習(xí)，不斷總結(jié)提煉，反復(fù)思考實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，才能夠真正消化為自己的知識。八 分析和總結(jié)。本次課程設(shè)計(jì)我只用了一個星期的時間就全部做完，效率很高，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之前根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，每個模塊都仔細(xì)的設(shè)計(jì)分析了，正是整個過程我都認(rèn)真的態(tài)度和方案選擇合適，才有這么高的效率。而且從本次課程設(shè)計(jì)中收獲很多?？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點(diǎn)：（一）、鞏固數(shù)電知識這次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的一些相關(guān)知識，在整個實(shí)習(xí)過程中，都離不開對數(shù)字電路課程知識的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實(shí)習(xí)用到的知識通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍（這也是對這門課的復(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設(shè)計(jì)起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書， 關(guān)于芯片的管腳，里面有清晰的描述。（二）、學(xué)會用電路板、芯片、導(dǎo)線等組裝各種功能的電路；雖然這不是第一次用電路板，因?yàn)橹暗恼n內(nèi)實(shí)驗(yàn)也用過，但當(dāng)時的運(yùn)用也只是插些導(dǎo)線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。這次的實(shí)習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實(shí)習(xí)后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運(yùn)用。實(shí)習(xí)中通過對電路的連接也懂得了如何通過設(shè)計(jì)的分析對所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵，我們應(yīng)該盡量保證所連電路的簡捷，寧短勿長，合理