數(shù)字電路課程設(shè)計---多路智能競賽搶答器設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： </p><p>　　題 目: 多路智能競賽搶答器設(shè)計

2、 </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　優(yōu)先編碼器 74LS148</p><p>　　RS鎖存器 74LS279</p><p>　　顯示譯碼器 74LS47</p><p>　　定時芯片 555</p>

3、<p>　　計數(shù)器 74LS192 74LS90 </p><p>　　與門 74LS08</p><p>　　或門 74LS32</p><p>　　與非門 74LS00</p><p>　　七段數(shù)碼管 、蜂鳴器、電容電阻若干 </p><p>　　要求

4、完成的主要任務(wù):</p><p><b>　　基本功能</b></p><p>　　①設(shè)計一個智力競賽搶答器，可以同時供8名選手或8個代表隊參加比賽，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。</p><p>　　②給節(jié)目主持人設(shè)置一個控

5、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。</p><p>　　③搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能。搶答開始，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，同時揚聲器給出音響提示。此外要封存輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到系統(tǒng)清零為止。</p><p><b>　　擴展功能</b></p>

6、<p>　?、贀尨鹌骶哂卸〞r搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定，檔節(jié)目主持人按下“開始”按鈕后，要求定時器立即倒計時，并在顯示器上顯示，同時揚聲器發(fā)出短暫聲響，聲響持續(xù)0.5S左右。</p><p>　?、趨①愡x手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　?、廴绻〞r搶答時間

7、已到，去沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封存輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　7.4： 理論設(shè)計</p><p>　　7.5～7.6：安裝調(diào)試或仿真</p><p>　　7.7： 撰寫報告</p&g

8、t;<p>　　7.9： 答辯</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 2011年 7月 1日</p><p>　　系主任簽名： 2011年 7 月 1 日</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

9、lt;p>　　1. 多路智能競賽搶答器原理與設(shè)計1</p><p>　　1.1搶答器原理1</p><p>　　1.2總體方案設(shè)計1</p><p>　　1.3電路原理設(shè)計2</p><p>　　1.3.1 八路搶答電路設(shè)計2</p><p>　　1.3.2定時電路設(shè)計5</p><

10、;p>　　2. Multisim仿真與制作12</p><p>　　2.1搶答仿真12</p><p>　　2.2定時搶答仿真14</p><p>　　2.3仿真結(jié)果分析16</p><p>　　2.4總電路圖17</p><p>　　3. 結(jié)與體會18</p><p><

11、;b>　　4.元件清單19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p>　　1. 多路智能競賽搶答器原理與設(shè)計</p><p><b>　　1.1搶答器原理</b></p><p>　　搶答器基本原理框圖如下圖1-1所示：</p>&

12、lt;p>　　搶答者按下?lián)尨鸢粹o后，啟動鎖存電路，鎖存最先搶答者搶答成功的狀態(tài)，并阻止其他選手的搶答。譯碼顯示電路將搶答的結(jié)果譯碼顯示出來。清零按鈕按下后，電路復(fù)位回初始狀態(tài)后，可以進(jìn)行下一輪的搶答。</p><p><b>　　1.2總體方案設(shè)計</b></p><p><b>　　第一種方案：</b></p><p&

13、gt;　　第一種方案流程圖如下圖1-2所示：</p><p>　　搶答按鈕連接控制電路，搶答開始，有選手按下?lián)尨鸢粹o后，控制電路是鎖存器鎖存各個搶答路的電平高低，從而鎖存了第一位搶答者的搶答信號，同時切斷其他搶答者的搶答信號，阻止其他選手的搶答。編碼器將搶答結(jié)果譯成二進(jìn)制數(shù)送給下一級譯碼顯示電路，譯碼顯示電路顯示搶答成功者的號碼。</p><p>　　聲響電路可以發(fā)出提醒聲響，定時電路有定

14、時搶答功能，并能顯示倒計時的時間。</p><p>　　該方案滿足設(shè)計的功能要求，但是用鎖存器鎖存搶答結(jié)果這一思路有缺陷，就是可能有兩個選手搶答時間間隔很小，兩路的搶答信號同時鎖存了起來，導(dǎo)致編碼器編碼出錯，下一級譯碼顯示電路不能顯示搶答結(jié)果。</p><p><b>　　第二種方案：</b></p><p>　　第一種方案流程圖如下圖1-3所

15、示：</p><p>　　第二種方案的原理和第一種方案基本一樣，只是在第一種方案上做了改進(jìn)，在鎖存器和搶答按鈕之間增加了優(yōu)先編碼器，避免了多路的搶答信號同時被鎖存，編碼器編碼出錯，下一級譯碼顯示電路不能顯示搶答結(jié)果的情況。</p><p>　　綜合兩種方案，故選擇第二種方案。</p><p><b>　　1.3電路原理設(shè)計</b></p&

16、gt;<p>　　1.3.1 八路搶答電路設(shè)計</p><p>　　該部分用到的芯片有74LS47、74LS279、74LS148，其引腳圖和邏輯圖如下：</p><p>　　74LS47的電路符號和引腳圖如下圖1-4：</p><p>　　74LS47的邏輯圖如下圖1-5：</p><p><b>　　圖1-5<

17、;/b></p><p>　　74LS279的引腳圖和邏輯圖如下圖1-6：</p><p>　　74LS148的引腳圖如下圖1-7：</p><p><b>　　圖 1-7</b></p><p>　　74LS148的邏輯圖如下圖1-8：</p><p>　　電路原理圖如下圖1-9：<

18、/p><p>　　電路搶答部分選用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS297 來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S置于“斷開”時，RS觸發(fā)器的 R端均置0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端引腳5電平為0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開

19、關(guān)S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，2Q2=1，BI/RBO =1，七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，DCBA=0101，經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，2Q2＝1，使74LS148 優(yōu)先編碼引腳5工作標(biāo)志端EI＝１，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148的 此時由于仍為2Q2＝1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端引腳5

20、電平為1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。</p><p><b>　　圖1-9</b></p><p>　　1.3.2定時電路設(shè)計</p><p>　　該部分用到的芯片除74LS47外、還用到74LS192、74LS90、L

21、M555。74LS192引腳圖如下圖1-10：</p><p>　　74LS192的邏輯圖如下圖1-11：</p><p>　　74LS90的引腳圖和邏輯圖如下圖1-12：</p><p>　　定時芯片LM555引腳圖如下圖1-13：</p><p><b>　　圖 1-13</b></p><p&g

22、t;　　另外用到的或門芯片74LS32，或門芯片74LS08，或非門芯片74LS00引腳圖如下：</p><p>　　秒脈沖的產(chǎn)生電路如圖1-17所示，由LM555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成。</p><p><b>　　脈沖頻率計算：</b></p><p>　　如右邊電路圖，R15=10k，</p><p>　　R16=6

23、8k，C1=10uF，</p><p>　　f=1/0.7×（10k+2×68k）×10×10-6≈1S。</p><p>　　周期1S的時鐘脈沖經(jīng)右圖的U12A（74LS00）和U12D(74LS00)送到74LS192的4引腳（DOWN），使74LS192減計數(shù)，達(dá)到倒計時的效果。U12A（74LS00）或非門的另一個輸入端接秒十位74LS19

24、2的13引腳（BO）。</p><p>　　如果定時搶答時間已到而沒有選手搶答，13引腳（BO）輸出低電平，LM555的時鐘脈沖不能通過U12A（74LS00），74LS192由于沒有時鐘脈沖輸入，停止減計數(shù)，時間顯示靜止不動。</p><p>　　如果中途有選手搶答，U2B（74LS279）的13引腳（2Q2）輸出高電平，經(jīng)U12C(74LS00)反向成低電平0輸入U12D(74LS00

25、)的其中一端，使時鐘脈沖不能通過U12D(74LS00)，74LS192由于沒有時鐘脈沖輸入，停止減計數(shù)，時間顯示靜止不動。</p><p>　　本設(shè)計增加了可設(shè)定定時長短的電路，由兩片74LS90構(gòu)成的加計數(shù)器，電路如下圖1-18。.</p><p><b>　　圖 1-18</b></p><p>　　J10為清零按鈕，按下后74LS90的

26、R01、R02、R91、R92置低電平，兩個74LS90清零。</p><p>　　J1為加時間按鈕，按下后給U14(74LS90)的14引腳（INA）下降沿，計數(shù)加一。此時支持人的S1處于停止?fàn)顟B(tài)，U19和U10的11引腳（LOAD）為低電平，QA~QD分別等于U13和U14的QA~QD，數(shù)碼管顯示的是正在設(shè)定的時間是多少。</p><p>　　S1撥到開始狀態(tài)后，LOAD置高電平，U9

27、和U10從開始前顯示的時間開始倒計時。S1再次撥到停止位時，時間復(fù)位到原來設(shè)定的時間數(shù)。</p><p>　　定時電路總的電路圖如下圖1-19所示：</p><p><b>　　圖 1-19</b></p><p>　　該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192減法計數(shù)電路、74LS48譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即

28、相關(guān)電路組成。兩塊74LS192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)置數(shù)由兩個74LS90構(gòu)成的計數(shù)器實現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管DPY_7-SEG 上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如

29、果沒有人搶答，且倒計時時間到時， 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。</p><p>　　聲響電路如下圖1-20所示，主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121和蜂鳴器組成。</p><p>　　蜂鳴器接上電源就能發(fā)出聲音，相比于使用揚聲器而言，省去了音頻振蕩電路，使電路更加簡單可靠。其中R18=100K、C15=10uF，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)后的暫態(tài)持續(xù)時間大約是0.5

30、S，也就是蜂鳴器持續(xù)發(fā)出聲響時間是0.5S。</p><p>　　SN74121引腳圖和邏輯圖如下圖1-21：</p><p><b>　　圖 1-21</b></p><p>　　SN74121的5引腳（B）接S1的一端，當(dāng)S1撥向開始后，5引腳（B）電平變高電平，有一個上升沿，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。</p><p&

31、gt;　　U18A(74LS08)輸出端接SN74121的3引腳（A1），輸入端接U3(74LS148)的14引腳（GS），搶答開始后，SN74121的5引腳（B），4引腳（A2）為高電平，當(dāng)有選手按下按鈕后，U3(74LS148)的14引腳（GS）輸出一個負(fù)脈沖，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。與門U18A(74LS08)起到時延的作用，保證電路的時序的正確性，使電路能正常工作。</p><p>　　SN74121

32、的4引腳（A2）接秒十位的74LS192的13引腳（BO），沒有選手搶答時，當(dāng)定時搶答時間到時， SN74121的5引腳（B），3引腳（A1）為高電平，秒十位的74LS192的13引腳（BO）輸出低電平，使SN74121的4引腳（A2）有一個下降沿，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。</p><p>　　電路圖中的DCD_BARGRAPH作用是仿真時能看到蜂鳴器兩端電壓的高低，用于辨別蜂鳴器是否發(fā)出聲音。</p&

33、gt;<p>　　搶答器用的是七段共陽的數(shù)碼管，其原理圖和引腳圖如下圖1-22：</p><p><b>　　圖 1-22</b></p><p>　　2 Multisim仿真與制作</p><p><b>　　2.1搶答仿真</b></p><p>　　1.主持人開關(guān)S1置于停止位時

34、，按下其中一個搶答按鈕。效果截圖如下圖2-1：</p><p>　　可以看到支持人把S1停止位，選手搶答無效，數(shù)碼管保持滅燈。</p><p>　　2.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個搶答按鈕J2，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-2：</p><p><b>　　圖 2-2</b></p><p>

35、　　數(shù)碼管顯示“2”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時間約0.5S。</p><p>　　3.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個搶答按鈕J5，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-3：</p><p><b>　　圖 2-3</b></p><

36、p>　　數(shù)碼管顯示“5”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時間約0.5S。</p><p>　　4.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個搶答按鈕J7，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-4：</p><p><b>　　圖 2-4</b></p>

37、<p>　　數(shù)碼管顯示“7”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時間約0.5S。</p><p><b>　　2.2定時搶答仿真</b></p><p>　　1.主持人開關(guān)S1置于停止位后可以設(shè)置定時時間的長短，按下其中J11，設(shè)定時間加1，按J11十次后，效果截圖如下

38、圖2-5。主持人開關(guān)S1置于開始位，定時器開始倒計時，倒計時到4秒，仿真如下圖2-6。</p><p>　　從仿真效果可以看出定時電路有倒計時的功能并且可設(shè)定定時時間長短。</p><p>　　2.沒有選手搶答，定時搶答時間已到后，仿真效果如圖2-7。</p><p>　　倒計時停止在“00”不動，DCD_BARGRAPH亮，說明倒計時到后有聲響提示。選手編號顯示數(shù)

39、碼管滅燈。如果定時搶答時間已到，去沒有選手搶答再按下其中任一個搶答按鈕，超時搶答，仿真效果如下圖2-8。</p><p>　　選手編號數(shù)碼管仍是滅燈狀態(tài)，封存了輸入電路，禁止選手超時后搶答。</p><p>　　3.倒計時到6秒時，3號選手搶答，仿真效果如下：</p><p><b>　　2.3仿真結(jié)果分析</b></p><

40、;p>　　綜合上述仿真的結(jié)果，電路具有的功能：</p><p>　?、偻瑫r供8名選手或8個代表隊參加比賽，他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕；</p><p>　　②設(shè)有一個控制開關(guān)S1，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；</p><p>　?、蹞尨鹌骶哂袛?shù)據(jù)鎖存和顯示功能。搶答開始，若有選手按動搶答按鈕，編號

41、立即鎖存，在數(shù)碼管上顯示選手的編號，同時有音響提示。封存輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到系統(tǒng)清零為止。</p><p>　?、軗尨鹌骶哂卸〞r搶答的功能，搶答的時間可以設(shè)定，S1置于開始位后，定時器立即倒計時，并在顯示器上顯示，同時發(fā)出短暫聲響，聲響持續(xù)0.5S左右。</p><p>　?、輩①愡x手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和

42、搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　?、奕绻〞r搶答時間已到，去沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封存輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。</p><p>　　整個設(shè)計既完成了基本功能部分，又完成了擴展功能部分。</p><p><b>　　2.4總電路圖</b></p>

43、<p><b>　　3 小結(jié)與體會</b></p><p>　　搶答器豐富了我們的生活，社會中本來就充滿著競爭。只是沒有很明顯的表現(xiàn)出來，八路搶答器原理也只是幾個芯片的合成體，需要我們查所用到的芯片手冊，查芯片的引腳圖，邏輯圖等資料。系統(tǒng)看起來也沒什么復(fù)雜性，當(dāng)了解所有芯片的作用和功能的時候發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的知識并不是很好，理解掌握的不夠。當(dāng)實際設(shè)計的時候發(fā)現(xiàn)自己有很多不足之處，例如芯

44、片工作的時序沒有搞好，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，后來加入了非門或者與門等門電路進(jìn)行延時，系統(tǒng)才終于正常工作。所以設(shè)計出一個能正常工作的數(shù)字電路需要大量細(xì)致的工作，考慮不同的方案，經(jīng)過幾種方案的對比，最終選出最佳方案 。</p><p><b>　　4 元件清單</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

45、t;　　[1]康華光、陳大欽、張林.電子技術(shù)基礎(chǔ).華中科技大學(xué)出版社.2002</p><p>　　[2]韓克、柳秀山.電子技能與EDA技術(shù).暨南大學(xué)出版社.2004</p><p>　　[3]陸坤、奚大順.電子設(shè)計技術(shù).電子科技大學(xué)出版社.1997</p><p>　　[4]謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試（第三版）.華中科技大學(xué)出版社.200