八人智力競(jìng)賽搶答器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、許昌學(xué)院電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目名稱： 八路智力競(jìng)賽搶答器 專 業(yè)： 電氣信息類 班 級(jí)： 10級(jí)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(bào)告設(shè)計(jì)的八路智力競(jìng)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(shí)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(hào)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(jì)的搶答器在選手輸入信號(hào)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(jí)之分，真正做到比賽的公平公正性。編碼后的信號(hào)經(jīng)過加法器

2、后輸出合適的的二進(jìn)制碼，再經(jīng)過顯示譯碼器的作用，驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示搶答選手的編號(hào)。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(jì)的搶答器運(yùn)用74HC175上升沿D觸發(fā)器記錄第一個(gè)搶答人的狀態(tài)；運(yùn)用十三輸入與非門74HC133控制觸發(fā)器的工作，從而使第一個(gè)搶答者的狀態(tài)保持，而其他人無法再搶答；運(yùn)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(jìn)制數(shù)；最后采用BCD-顯示譯碼器7448驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示選手編號(hào)。電路中需要的時(shí)鐘信號(hào)由555多諧振蕩電路實(shí)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(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器目錄前言

3、3第1章 設(shè)計(jì)思路和總體框架圖41.1 系統(tǒng)總體框圖41.2 設(shè)計(jì)思路4第2章 單元電路設(shè)計(jì)52.1搶答電路設(shè)計(jì)52.1.1電路簡(jiǎn)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(jì)82.2.1電路設(shè)計(jì)分析82.3時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)102.3.1 設(shè)計(jì)分析102.3.2 工作原理10第3章 實(shí)物制作133.1實(shí)物介紹133.2 焊接過程15第4章 總結(jié)16參考文獻(xiàn)17元器件清單18完整電路原理圖19前言目前無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，智力搶答類的娛樂節(jié)目以其知識(shí)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(píng)，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(shí)間有限，先按搶答器者獨(dú)占先機(jī)，這種情況總是扣人心弦，讓觀眾和選手都心動(dòng)不已。激動(dòng)之后，大家有沒有想過節(jié)目中搶答用的電路時(shí)如何實(shí)現(xiàn)的嗎？選手限時(shí)搶答，誰先搶答就會(huì)在其前面的LED屏上限時(shí)，同時(shí)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(jìng)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(huì)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(shí)現(xiàn)方式多種多樣，并逐漸趨向于易于擴(kuò)展、可靠性好、集成度高、制造費(fèi)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(jì)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(jìn)行各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，最后完成了八路智力競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)，同時(shí)制作出了簡(jiǎn)易的實(shí)物以供實(shí)踐演示。第1章 設(shè)計(jì)思路和總體框架圖1.1 系統(tǒng)總體框圖 1.2 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)的搶答器運(yùn)用74HC175上升沿D觸發(fā)器記錄第一個(gè)搶答人的狀態(tài)；運(yùn)用十三輸入與非門74HC133控制觸發(fā)器的工作，從而使第一個(gè)搶答者的狀態(tài)保持，而其他人無法再搶答；運(yùn)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(jìn)制數(shù)；最后采用BCD-顯示譯碼器7448驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示選手編號(hào)。電路中需要的時(shí)鐘信號(hào)由55

6、5多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)。 如框圖所示，當(dāng)選手進(jìn)行搶答時(shí)，觸發(fā)器會(huì)將最先按搶答器的選手信號(hào)鎖存起來，不會(huì)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(duì)編號(hào)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(hào)。主持人可以通過控制觸發(fā)器“清零”從而使整個(gè)系統(tǒng)初始化。第2章 單元電路設(shè)計(jì)2.1搶答電路設(shè)計(jì)2.1.1電路簡(jiǎn)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)搶答的要求，即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)選手搶答后其他選手再按搶答器對(duì)其不影響，本次設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào)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(gè)結(jié)果同時(shí)鐘信號(hào)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(shí)LED的負(fù)極為高電平，保持熄滅狀態(tài)，此時(shí)74HC133輸出端與時(shí)鐘信號(hào)同步，一旦有人搶答時(shí)，八個(gè)LED燈有一個(gè)亮，74HC133一輸入端變成低電平，使輸出端變?yōu)椤?”，時(shí)鐘信號(hào)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(jī)會(huì)。 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(dá)到項(xiàng)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(gè)輸入狀態(tài)沒有優(yōu)先級(jí)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(shí)鐘信號(hào)的作用的分析。當(dāng)電路中沒有搶答信號(hào)時(shí)，十三輸入與非門74HC133的選手信號(hào)輸入端都為高電平。時(shí)鐘信號(hào)輸入端為80kHz 500kHZ的方波，有效電壓為5V。多余的三個(gè)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(shí)鐘信號(hào)波形為Clk，當(dāng)沒有搶答信號(hào)時(shí)，輸出波形圖為Q。 Q=（Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（Clk）=Clk在t 時(shí)刻加入搶答信號(hào)后輸出波形為Q*。例如當(dāng)一號(hào)選手第一個(gè)搶答時(shí)，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(jì)中起到的邏輯功能。2.2數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)2.2.1電路設(shè)計(jì)分析為了將鎖存的信號(hào)顯示在數(shù)碼管上，需要將8個(gè)高低電平信號(hào)編譯成二進(jìn)制碼，在通過顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示?？紤]到經(jīng)過觸發(fā)器后信號(hào)不受優(yōu)先級(jí)的影響，可以利用優(yōu)先編碼器74HC148對(duì)Q1Q8進(jìn)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(dòng)，相應(yīng)的真值表如下表2.2.1所示，AD為二進(jìn)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(duì)應(yīng)管腳。 一旦輸入和輸出對(duì)應(yīng)不上，就不發(fā)

11、正確的顯示選手的編號(hào)。 輸入輸出數(shù)字DCBAYaYbYcYdYeYfYg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111 表2.2.1實(shí)際上帶有進(jìn)位端的編碼器74HC148編碼出的二進(jìn)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(jìn)制數(shù)同“0001”相加，從而得到合適的二進(jìn)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(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)2.3.1 設(shè)計(jì)分析考慮到搶答電路中運(yùn)用到了上升沿觸發(fā)器74HC175，需要時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作，在multisim仿真中可以用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生需要的時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的搶答器主要采用555集成電路作為信號(hào)發(fā)生器。2.3.2 工作原理 555定時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器 當(dāng)LM555H定時(shí)器按圖2.2.4所示電路連接時(shí)，就構(gòu)成了自激多諧振蕩器，其中R18和R19是外接定時(shí)電阻，C2是外接定時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)算上圖設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為： 注：本次設(shè)計(jì)的搶答器輸入時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘電路輸出仿真結(jié)果第3章 實(shí)物制作3.1實(shí)物介紹由于數(shù)電仿真報(bào)告截止日期將近，且所需電子元件有限，此次實(shí)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(jiǎn)搶答器的電路實(shí)物。實(shí)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(shí)現(xiàn)“九輸入一輸出”的邏輯功能。（3）八個(gè)發(fā)光二級(jí)管，分別對(duì)應(yīng)八位選手的編號(hào)。（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(gè)集成電路結(jié)構(gòu)圖如下所示：本次焊制的實(shí)物使用前需要用杜邦線外接5V電源和80kHz 500kHz的時(shí)鐘信號(hào)。分別連接到實(shí)物右上角的引腳上。實(shí)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(jì)好各個(gè)集成電路和元件的位置和焊接順序電路的設(shè)計(jì)方案：方案一：手繪電路?？梢砸援媹D的方式構(gòu)思

16、電路。優(yōu)點(diǎn)：直接方便。缺點(diǎn)：易出錯(cuò)，電路連接無序、浪費(fèi)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(gè)元件。優(yōu)點(diǎn)：可以有效地節(jié)約時(shí)間，避免焊接出現(xiàn)錯(cuò)誤。缺點(diǎn)：如果不擅長(zhǎng)使用Altium.Designer軟件就無法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過Designer軟件，本次實(shí)物電路設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)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(duì)、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(cè)電路是否正確的焊接，避免虛焊、錯(cuò)焊、導(dǎo)線短接等問題的發(fā)生，排除完畢后通電測(cè)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(shí)設(shè)計(jì)電路。雖然當(dāng)初選擇的這個(gè)項(xiàng)目相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)月的摸索和不斷學(xué)習(xí)，終于設(shè)計(jì)出了一個(gè)相對(duì)有個(gè)性的八路智力競(jìng)賽搶答器?；叵脒@一歷程，有過激動(dòng)，有過失望。從簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的強(qiáng)大功能的實(shí)現(xiàn)到下一步的編碼顯示；從還不知道如何產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)到利用555構(gòu)成的多諧振蕩器才生合適的時(shí)鐘信號(hào)；從手中只有零零散散還不夠完整的電子元件到最簡(jiǎn)搶答電路的焊制成功；從一字一句的敲打

18、到這篇實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成。這是一個(gè)艱辛而又充滿驚喜的歷程。還沒有接觸過動(dòng)手研發(fā)時(shí)，我從一個(gè)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(shí)掌握了就會(huì)很容易做出實(shí)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(jī)的結(jié)合并運(yùn)用到設(shè)計(jì)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(dòng)手實(shí)踐才會(huì)明白和掌握數(shù)電中最實(shí)在的知識(shí)和技巧。電路設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào)幅值不夠、頻率不夠而無法帶動(dòng)整個(gè)電路，利用優(yōu)先編碼器編制的二進(jìn)制碼和顯示譯碼器輸入的二進(jìn)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(jì)中的收獲吧：（1） 通過此次仿真和制作鞏固和強(qiáng)化了對(duì)邏輯電路、集成電路，尤其是74系列集成電路的認(rèn)識(shí)。（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(jì)和制作，學(xué)會(huì)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(jiǎn)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(shí)際問題的能力。（4） 通過寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告書，掌握了一般性論文報(bào)告的寫作形式和寫作方法。參考文獻(xiàn)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(guó)電力出