八人智力競賽搶答器課程設(shè)計報告

1、許昌學(xué)院電子課程設(shè)計報告 題目名稱： 八路智力競賽搶答器 專 業(yè)： 電氣信息類 班 級： 10級電氣6班 指導(dǎo)教師： 周雅、李明 電氣信息工程學(xué)院 2012年05月25日 摘要本報告設(shè)計的八路智力競賽搶答器電路主要采由74系列常用集成電路組成，涉及到觸發(fā)器、編碼器、加法器、譯碼器、555定時器和RC電路組成的多諧振蕩電路。該搶答器具有基本的搶答功能，通過共陰極數(shù)碼管顯示選手的號碼。當(dāng)一輪搶答開始后，首先搶答的人由觸發(fā)器保持狀態(tài)并阻止其他任何選手輸入狀態(tài)，此次設(shè)計的搶答器在選手輸入信號后先經(jīng)過D觸發(fā)器，再經(jīng)過優(yōu)先編碼器編碼，所有選手沒有優(yōu)先級之分，真正做到比賽的公平公正性。編碼后的信號經(jīng)過加法器

2、后輸出合適的的二進制碼，再經(jīng)過顯示譯碼器的作用，驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示搶答選手的編號。主持人可以通過控制按鈕結(jié)束本輪的搶答并可以從新開始下一輪搶答。本次設(shè)計的搶答器運用74HC175上升沿D觸發(fā)器記錄第一個搶答人的狀態(tài)；運用十三輸入與非門74HC133控制觸發(fā)器的工作，從而使第一個搶答者的狀態(tài)保持，而其他人無法再搶答；運用優(yōu)先編碼器74HC148編碼；采用全加器74HC283將編碼加0001，輸出合適的二進制數(shù)；最后采用BCD-顯示譯碼器7448驅(qū)動數(shù)碼管顯示選手編號。電路中需要的時鐘信號由555多諧振蕩電路實現(xiàn)。關(guān)鍵詞: 搶答器 觸發(fā)器 編碼器 加法器 顯示譯碼器 555時鐘信號發(fā)生器目錄前言

3、3第1章 設(shè)計思路和總體框架圖41.1 系統(tǒng)總體框圖41.2 設(shè)計思路4第2章 單元電路設(shè)計52.1搶答電路設(shè)計52.1.1電路簡介52.1.2工作原理62.1.3集成電路邏輯功能分析62.2數(shù)碼管顯示電路設(shè)計82.2.1電路設(shè)計分析82.3時鐘信號發(fā)生電路設(shè)計102.3.1 設(shè)計分析102.3.2 工作原理10第3章 實物制作133.1實物介紹133.2 焊接過程15第4章 總結(jié)16參考文獻17元器件清單18完整電路原理圖19前言目前無論是國內(nèi)還是國外，智力搶答類的娛樂節(jié)目以其知識的普及性和娛樂宣傳性，一直受到廣大電視觀眾的喜好和好評，是全家老少皆宜的電視類節(jié)目。說到這類電視節(jié)目，就不得不提

4、到節(jié)目中的搶答的環(huán)節(jié)，多位選手在主持人一聲令下開始搶答，搶答時間有限，先按搶答器者獨占先機，這種情況總是扣人心弦，讓觀眾和選手都心動不已。激動之后，大家有沒有想過節(jié)目中搶答用的電路時如何實現(xiàn)的嗎？選手限時搶答，誰先搶答就會在其前面的LED屏上限時，同時其他較晚的人再按鍵是沒有任何效果的。當(dāng)一輪搶答結(jié)束后，主持人操作手中的控制器就可將先前維持住的搶答狀態(tài)復(fù)位清零。這種搶答方式有效地提高了競賽的公平和公正性，避免了一些不合理現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)今社會發(fā)展迅速，應(yīng)用于此類搶答節(jié)目的智能搶答器早就問世。其功能的實現(xiàn)方式多種多樣，并逐漸趨向于易于擴展、可靠性好、集成度高、制造費用低、功能更加多樣話的一種高效能

5、的產(chǎn)品。本次設(shè)計主要利用常見的74LS系列集成電路芯片和555芯片，并通過劃分功能模塊進行各個部分的設(shè)計，最后完成了八路智力競賽搶答器設(shè)計，同時制作出了簡易的實物以供實踐演示。第1章 設(shè)計思路和總體框架圖1.1 系統(tǒng)總體框圖 1.2 設(shè)計思路 本次設(shè)計的搶答器運用74HC175上升沿D觸發(fā)器記錄第一個搶答人的狀態(tài)；運用十三輸入與非門74HC133控制觸發(fā)器的工作，從而使第一個搶答者的狀態(tài)保持，而其他人無法再搶答；運用優(yōu)先編碼器74HC148編碼；采用全加器74HC283將編碼加“0001”，輸出合適的二進制數(shù)；最后采用BCD-顯示譯碼器7448驅(qū)動數(shù)碼管顯示選手編號。電路中需要的時鐘信號由55

6、5多諧振蕩電路實現(xiàn)。 如框圖所示，當(dāng)選手進行搶答時，觸發(fā)器會將最先按搶答器的選手信號鎖存起來，不會受其他選手的影響。然后通過編碼器編碼，加法器的作用是對編號的碼加“0001”，從而滿足顯示譯碼器的要求，正確的顯示出選手的編號。主持人可以通過控制觸發(fā)器“清零”從而使整個系統(tǒng)初始化。第2章 單元電路設(shè)計2.1搶答電路設(shè)計2.1.1電路簡介圖2.1.1所示為最小搶答電路，擁有搶答和清零的基本功能。J0按鈕為主持人控制開關(guān)，一端接地，另一端連接觸發(fā)器74HC175的清零端，當(dāng)J0按下后clr端接地為低電平，觸發(fā)器復(fù)位清零。J1J8為八位搶答選手對應(yīng)的搶答按鈕，LED1LED8為相應(yīng)八位選手的顯示燈，當(dāng)

7、沒有搶答時LED保持熄滅狀態(tài)。圖2.1.1 最小搶答電路2.1.2工作原理為實現(xiàn)搶答的要求，即當(dāng)?shù)谝粋€選手搶答后其他選手再按搶答器對其不影響，本次設(shè)計的搶答電路巧妙地利用了觸發(fā)器的工作原理：沒有一定頻率的時鐘信號輸入D觸發(fā)器74HC175就不能正常工作。電路中將觸發(fā)器輸出的八個結(jié)果同時鐘信號一同接入十三與非門74HC133中，多余的引腳接高電平做閑置端。沒有搶答時LED的負(fù)極為高電平，保持熄滅狀態(tài)，此時74HC133輸出端與時鐘信號同步，一旦有人搶答時，八個LED燈有一個亮，74HC133一輸入端變成低電平，使輸出端變?yōu)椤?”，時鐘信號不能輸入，相應(yīng)的觸發(fā)器不能繼續(xù)正常工作，斷絕了其他人搶答的

8、機會。 2.1.3集成電路邏輯功能分析2.1.3.1觸發(fā)器輸入輸出J0J1J2J3J4J5J6J7J8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q801111111111011111111110111111111101111111111011111111110111111111101111111111011111111110為達到項目要求的搶答功能，由搶答器相關(guān)功能列的的真值表如下表2.1.3所示。表2.1.3 分析邏輯功能可知，八個輸入狀態(tài)沒有優(yōu)先級之分，而且輸出高低電平要保存下來。這里就要用到觸發(fā)器。由上面的真值表分析可知選用D觸發(fā)器74HC175可以滿足要求。 74HC175的相應(yīng)邏輯電路圖和功能表如

9、下圖2.1.3所示。圖2.1.3 74HC175電路結(jié)構(gòu)圖和功能表 2.1.3.2 十三與非門接下來是關(guān)于13輸入與非門74HC133如何控制時鐘信號的作用的分析。當(dāng)電路中沒有搶答信號時，十三輸入與非門74HC133的選手信號輸入端都為高電平。時鐘信號輸入端為80kHz 500kHZ的方波，有效電壓為5V。多余的三個輸入端連接5V電源，作為閑置端。如下圖2.1.4所示。如下波形圖2.1.5所示，時鐘信號波形為Clk，當(dāng)沒有搶答信號時，輸出波形圖為Q。 Q=（Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（Clk）=Clk在t 時刻加入搶答信號后輸出波形為Q*。例如當(dāng)一號選手第一個搶答時，Q1=0圖2.1.4

10、 十三輸入與非門 Q*=（Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（Clk）= 1由此可見此集成電路在設(shè)計中起到的邏輯功能。2.2數(shù)碼管顯示電路設(shè)計2.2.1電路設(shè)計分析為了將鎖存的信號顯示在數(shù)碼管上，需要將8個高低電平信號編譯成二進制碼，在通過顯示譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管顯示。考慮到經(jīng)過觸發(fā)器后信號不受優(yōu)先級的影響，可以利用優(yōu)先編碼器74HC148對Q1Q8進行編碼。148的功能表如下圖2.2.1所示：圖2.2.1： 本單元電路選用顯示譯碼器7448作為數(shù)碼管驅(qū)動，相應(yīng)的真值表如下表2.2.1所示，AD為二進制譯碼輸入端，YaYg為譯碼輸出端，直接連接共陰極數(shù)碼管的對應(yīng)管腳。 一旦輸入和輸出對應(yīng)不上，就不發(fā)

11、正確的顯示選手的編號。 輸入輸出數(shù)字DCBAYaYbYcYdYeYfYg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111 表2.2.1實際上帶有進位端的編碼器74HC148編碼出的二進制碼與譯碼器7448的輸入相差“0001”，因此采用全加器74HC283將編碼的二進制數(shù)同“0001”相加，從而得到合適的二進制碼。下的功能表：圖2.2.2 全加器74HC283的功能表圖2.2.3 顯示電路綜上，由優(yōu)先編碼器、加法器、顯示譯碼器和

12、共陰極數(shù)碼管組成的顯示電路如下圖2.2.3所示：圖2.2.3 顯示電路2.3時鐘信號發(fā)生電路設(shè)計2.3.1 設(shè)計分析考慮到搶答電路中運用到了上升沿觸發(fā)器74HC175，需要時鐘信號才能正常工作，在multisim仿真中可以用信號發(fā)生器產(chǎn)生需要的時鐘信號，也可以利用555集成電路和RC震蕩電路組成多諧振蕩器，選取一定參數(shù)的電阻和電容就可以產(chǎn)生所需要的時鐘信號。本次設(shè)計的搶答器主要采用555集成電路作為信號發(fā)生器。2.3.2 工作原理 555定時器有TTL型和CMOS型兩類產(chǎn)品，它們的功能和外部引腳排列完全相同。管腳1為接地端GND。 管腳2為低電平觸發(fā)輸入端TRI。該端電平低于VCC/3(或VC

13、C/2)時，輸出Q為高電 平。管腳3為輸出端OUT。 管腳4為復(fù)位端RST。RST0時，Q0。管腳5為控制電壓輸入端CON。管腳6為高電平觸發(fā)端THR。該端電平高于2VCC/3 (或VCC)時，輸出Q為低電平。管腳7為放電端DIS。管腳8為電源VCC。當(dāng)管腳5外接控制電壓VCC時，管腳6的比較電壓為VCC，管腳2的比較電壓為VCC/2。圖2.2.4 555時鐘信號發(fā)生器 當(dāng)LM555H定時器按圖2.2.4所示電路連接時，就構(gòu)成了自激多諧振蕩器，其中R18和R19是外接定時電阻，C2是外接定時電容。圖中電阻R18、R19及電容C2構(gòu)成充放電回路，當(dāng)VC22VCC/3時，555內(nèi)部三極管導(dǎo)通，電容

14、C2通過電阻R2放電；當(dāng)VC2VCC/3時，555內(nèi)部三極管截止，電容開始充電。負(fù)脈沖寬度TWL=0.7R2C2，正脈沖寬度TWH=0.7(R1+R2)C2，振蕩頻率f=1/0.7(R1+2R2)C2。 通過計算上圖設(shè)計的時鐘信號發(fā)生器的輸出頻率為： 注：本次設(shè)計的搶答器輸入時鐘信號的頻率保持在80kHz 500kHz都可以正常工作。仿真輸出波形如下圖2.2.5所示：圖2.2.5 555時鐘電路輸出仿真結(jié)果第3章 實物制作3.1實物介紹由于數(shù)電仿真報告截止日期將近，且所需電子元件有限，此次實物制作沒有把整套完整的電路焊制出來，而是制作出了最簡搶答器的電路實物。實物制作主要用到元件和工具有：（1

15、）兩塊上升沿D觸發(fā)器74HC175（2）兩塊二輸入四與非門74LS00，代替74HC133實現(xiàn)“九輸入一輸出”的邏輯功能。（3）八個發(fā)光二級管，分別對應(yīng)八位選手的編號。（4）6cm8cm萬用電路板一塊（5） 電烙鐵、松香、焊錫、剪線鉗、杜邦線、導(dǎo)線。焊電路依據(jù)的個集成電路結(jié)構(gòu)圖如下所示：本次焊制的實物使用前需要用杜邦線外接5V電源和80kHz 500kHz的時鐘信號。分別連接到實物右上角的引腳上。實物如下圖3.1.3和圖3.1.4所示：圖3.1.3圖3.1.43.2 焊接過程（1）在焊接電路前，一定要設(shè)計好各個集成電路和元件的位置和焊接順序電路的設(shè)計方案：方案一：手繪電路。可以以畫圖的方式構(gòu)思

16、電路。優(yōu)點：直接方便。缺點：易出錯，電路連接無序、浪費電路板空間。方案二：利用Altium.Designer軟件繪畫出原理圖，再轉(zhuǎn)化成PCB圖，調(diào)整合適后按照PCB圖放置和焊接各個元件。優(yōu)點：可以有效地節(jié)約時間，避免焊接出現(xiàn)錯誤。缺點：如果不擅長使用Altium.Designer軟件就無法進行設(shè)計。由于沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過Designer軟件，本次實物電路設(shè)計采用方案一。（2） 焊接過程中巧妙地利用焊錫和元件管腳作為連接線，將各個元件連接在一起。由于電路線路復(fù)雜，有些線路的跳轉(zhuǎn)不當(dāng)，導(dǎo)致焊接出的電路板外觀上不太整齊好看。由于集成電路和發(fā)光二級管為高溫易損元件，焊接前要調(diào)整合適的電烙鐵溫度，焊接中要

17、做到“快、對、巧”，從而避免元件的損傷。（3） 焊接完成后需要利用萬用表檢測電路是否正確的焊接，避免虛焊、錯焊、導(dǎo)線短接等問題的發(fā)生，排除完畢后通電測試功能。第4章 總結(jié)這是我們第一次利用所學(xué)的數(shù)電知識設(shè)計電路。雖然當(dāng)初選擇的這個項目相對簡單，所需要的電路單元不多，功能不太繁瑣，但是通過這將近一個月的摸索和不斷學(xué)習(xí)，終于設(shè)計出了一個相對有個性的八路智力競賽搶答器?；叵脒@一歷程，有過激動，有過失望。從簡簡單單的強大功能的實現(xiàn)到下一步的編碼顯示；從還不知道如何產(chǎn)生時鐘信號到利用555構(gòu)成的多諧振蕩器才生合適的時鐘信號；從手中只有零零散散還不夠完整的電子元件到最簡搶答電路的焊制成功；從一字一句的敲打

18、到這篇實驗報告的完成。這是一個艱辛而又充滿驚喜的歷程。還沒有接觸過動手研發(fā)時，我從一個大三同學(xué)的口中聽說過這樣一句話：從你想做東西到真正做出東西的這種心理歷程是很坎坷的。當(dāng)初我并不同意他的看法，認(rèn)為只要理論知識掌握了就會很容易做出實物來?，F(xiàn)在再回味那句話，還真的很有同感。理論只是零散的理論而已，如何將他們有機的結(jié)合并運用到設(shè)計上來還真不是一件容易的事。只有通過不斷地理論學(xué)習(xí)和動手實踐才會明白和掌握數(shù)電中最實在的知識和技巧。電路設(shè)計過程中遇到了很多問題，比如：搶答器的觸發(fā)器不能觸發(fā)，555多諧振蕩器輸出的時鐘信號幅值不夠、頻率不夠而無法帶動整個電路，利用優(yōu)先編碼器編制的二進制碼和顯示譯碼器輸入的二進制碼不匹配，數(shù)碼管不顯示等等。通過直接求教老師和查閱課本相關(guān)資料一步步解決問題。最后概括一下這次仿真設(shè)計中的收獲吧：（1） 通過此次仿真和制作鞏固和強化了對邏輯電路、集成電路，尤其是74系列集成電路的認(rèn)識。（2） 初步嘗試和學(xué)習(xí)了具有一定功能的一般電路的設(shè)計和制作，學(xué)會了發(fā)現(xiàn)問題并通過快捷途徑解決問題的方法。（3） 通過最簡搶答電路的焊制，鍛煉和提高了電路焊接水平和靈活解決實際問題的能力。（4） 通過寫實驗報告書，掌握了一般性論文報告的寫作形式和寫作方法。參考文獻1 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社.19982 柳淳.電子愛好者入門要訣（技能篇）.中國電力出