課程設(shè)計--數(shù)字式搶答器的設(shè)計與實現(xiàn) (2)

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè)計題目：數(shù)字式搶答器的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　班 級：計算機0902</p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p&g

2、t;<p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　設(shè)計時間: 2011年7月</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字式競賽搶答器主要由74 系列集成電路組成，主要包括（譯碼器，計數(shù)器等組合或時序邏輯電路）。電路上電后再搶答前，由主持人進行系統(tǒng)復(fù)位，確定搶答允許時間

3、。主持人發(fā)出搶答命令同時按下啟動定時開關(guān)。搶答者聽到搶答命令后，通過各自的按鈕開關(guān)輸入搶答信號。數(shù)字搶答器具有數(shù)字顯示搶答者序號功能，同時配有聲、光報警功能，并且有搶答序號鎖定功能。對犯規(guī)搶答者（包括提前搶答和超時搶答）除有聲、光報警外，還有顯示搶答犯規(guī)者序號功能。系統(tǒng)設(shè)計完后還要進行軟件仿真，要有仿真電路圖，仿真過程，和仿真結(jié)果。之后要進行安裝調(diào)試，然后通過測得方波波形進行故障分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞

4、：譯碼器、計數(shù)器、方波。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　概述</b></p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p><

5、b>　　2.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　2.2 設(shè)計要求</b></p><p>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　3.1 方法論證</b></p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計</b></p>

6、<p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明</p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)原理及工作原理</p><p>　　3.3 單元電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1 單元電路工作原理</p><p>　　3.3.2 元件參數(shù)選擇</p><p>　　第4章 軟件仿真</p><

7、p><b>　　4.1 仿真電路圖</b></p><p><b>　　4.2 仿真過程</b></p><p><b>　　4.3 仿真結(jié)果</b></p><p>　　第5章 安裝調(diào)試</p><p>　　5.2 安裝調(diào)試過程</p><p

8、><b>　　5.3 故障分析</b></p><p><b>　　第6章 結(jié)論</b></p><p>　　第7章使用儀器設(shè)備清單</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　收獲、體會及建議</b></p

9、><p><b>　　第1 章 概述</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計中，通過數(shù)字式搶答器的設(shè)計與實現(xiàn)，讓我們更深刻的理解與運用中、小規(guī)模數(shù)字集成電路的工作原理及使用方法，同時掌握數(shù)字式搶答器的設(shè)計與調(diào)試方法。本次設(shè)計的主要內(nèi)容為：電路上電后在搶答前，由主持人進行系統(tǒng)復(fù)位，確定搶答允許時間。主持人發(fā)出搶答命令同時按下啟動定時開關(guān)。搶答者聽到搶答開始命令后，通過各

10、自的按鈕開關(guān)輸入搶答信號。數(shù)字搶答器具有數(shù)字顯示搶答者序號功能。同時配有聲、光報警，并且有搶答序號鎖定功能。對犯規(guī)搶答者（包括提前搶答和超時搶答）除有聲、光報警外，還有顯示搶答犯規(guī)者序號功能。在設(shè)計中包括：【1】 理論設(shè)計部分?！?】 模擬仿真部分?！?】 安裝調(diào)試部分。理論設(shè)計部分需要獨立完成系統(tǒng)的原理設(shè)計、畫出電路圖并說明各部分電路的工作原理；模擬仿真部分則需根據(jù)理論設(shè)計用multisim7在計算機上進行仿真，驗證所設(shè)計方案的正確性

11、。并且分析電路的工作原理，寫出方針報告；安裝調(diào)試部分包括實現(xiàn)給定的數(shù)字式搶答器，進行單元測試和系統(tǒng)分析，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，排除故障并分析記錄系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因。最后是本次課程設(shè)計的總結(jié)。</p><p>　　第2 章 課程設(shè)計任務(wù)及要求</p><p><b>　　2.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　電路上電后在搶答前，由主持人進行系統(tǒng)

12、復(fù)位，確定搶答允許時間。主持人發(fā)出搶答命令同時按下啟動定時開關(guān)。搶答者聽到搶答開始命令后，通過各自的按鈕開關(guān)輸入搶答信號。數(shù)字搶答器具有數(shù)字顯示搶答者序號功能。同時配有聲、光報警，并且有搶答序號鎖定功能。對犯規(guī)搶答者（包括提前搶答和超時搶答）除有聲、光報警外，還有顯示搶答犯規(guī)者序號功能。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計要求</b></p><p>　　完成原

13、理圖設(shè)計、模擬仿真，按要求完成設(shè)計報告。</p><p><b>　　1.理論設(shè)計部分</b></p><p>　　【1】獨立完成系統(tǒng)的原理設(shè)計。說明系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，應(yīng)達到技術(shù)指標，進行方案論證，確定設(shè)計方案。</p><p>　　【2】畫出電路圖，說明各部分電路的工作原理，初步選定所使用的各種器件的主要參數(shù)及型號，列出元器件明細表。</

14、p><p><b>　　2.模擬仿真</b></p><p>　　【1】根據(jù)理論設(shè)計用multisim 7在計算機上進行仿真。驗證所設(shè)計方案的正確性。</p><p>　　【2】分析電路的工作原理，寫出仿真報告。</p><p><b>　　3.安裝調(diào)試部分</b></p><p&g

15、t;　　【1】實現(xiàn)給定的數(shù)字式搶答器，進行單元測試和系統(tǒng)調(diào)試。</p><p>　　【2】若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，排除系統(tǒng)故障，分析并記錄系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因，并將此部分內(nèi)容寫在報告中。</p><p>　　4.寫出課程設(shè)計總結(jié)報告</p><p><b>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1

16、方案論證</b></p><p>　　在設(shè)計中，先規(guī)劃處系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，然后對各個單元電路進行設(shè)計與分析，最后將各個單元電路組裝在一起，進行安裝調(diào)試，如遇到故障，則要進行故障分析，直至整個系統(tǒng)無故障，能安全、可靠的運行。</p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明</

17、p><p><b>　　圖3.1 結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　說明：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關(guān)撥到“開始”狀態(tài)，并宣布“開始”搶答工作。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答完成；優(yōu)先判斷、編號鎖定、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示時間。如果再次搶答必須由主持人再次操

18、作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)原理圖及工作原理</p><p>　　圖 3.2 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　工作原理：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關(guān)撥到“開始”狀態(tài)，并宣布“開始”搶答工作。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答完成；優(yōu)先

19、判斷、編號鎖定、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示時間。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)。</p><p>　　3.3 單元電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1單元電路工作原理</p><p>　　3.3.1.1 搶答器電路</p><

20、p>　　工作原理：當電路接上電源后，整個電路都處于工作狀態(tài)．當主持人開關(guān)打開時，電路處于清零狀態(tài)．此時，各個觸發(fā)器的Q非端輸出都為１，假設(shè)芯片編碼器74LS148處于工作狀態(tài)，此時，輸入的都是高電平，而兩輸出使能端EO和GS的輸出狀態(tài)分別為0和１，GS端與個JK觸發(fā)器的JK端相連，即各輸入端均為1，所以只要當R端為無效電平“1”時，同時有效脈沖邊沿過來時觸發(fā)器就能翻轉(zhuǎn)。當主持人閉合開關(guān)，宣布可以搶答后，主線燈亮，此時電路為可搶答狀

21、態(tài)，當選手按下開關(guān)時，CP脈沖由高電平變?yōu)榈碗娖剑从幸粋€有效地脈沖邊沿過來，觸發(fā)器發(fā)生反轉(zhuǎn)，此時Q端為1，同時對應(yīng)的燈亮，Q非端輸出為0，此時74LS148的其中一個輸入端輸入信號“0”，OE與GS發(fā)生翻轉(zhuǎn)，OE=1，GS=0。使得觸發(fā)器的JK輸入端輸入“0”，就算其他選手把開關(guān)合上，其對應(yīng)的觸發(fā)器也不會翻轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.3.1.2 顯示電路</p><p>　　工作原理：

22、當其中一個選手按下?lián)尨鹌骱螅?4LS148編碼器其中一個輸入端為0，例如，當1號選手按下開關(guān)，則Q1輸入為0，此時Q6Q5Q4Q3Q2Q1為111110，輸出Y2Y1Y0為110經(jīng)過74LS48譯碼器為001,則在七段數(shù)碼管上顯示“1”</p><p>　　表3.1 74LS148芯片真值表</p><p>　　表3.2七段數(shù)碼管真值表</p><p>　　3.3.

23、1.3 報警電路</p><p>　　工作原理：報警電路由兩個555定時器構(gòu)成。由圖中可以看到,接上電源后,當信號輸入為高電平時,第一個555連接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出為低電平,處于穩(wěn)定狀態(tài),這時,右邊的多諧振蕩器的復(fù)位輸入為低電平,所以其輸出也為低電平.揚聲器不發(fā)音.當信號輸入為低電平時,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā),處于暫穩(wěn)態(tài),此時其輸出為高電平,輸入到多諧振蕩器的復(fù)位端,多諧振蕩工作,輸出為頻率為1.2KHz的脈沖波

24、形.這樣揚聲器就會以1.2KHz的頻率發(fā)出間歇式聲響。要求持續(xù)2~3秒，可調(diào)節(jié)電阻和電容實現(xiàn)。假設(shè)t=3s，電阻分別為20k、273k、0.61k、2.4k，電容分別為100pf、100pf、0.22uf、0.01uf。</p><p>　　3.3.1.4 定時電路</p><p>　　工作原理：定時電路由兩片74LS160構(gòu)成，其本身為十進制同步計數(shù)器，真值表如下所示：</p>

25、;<p><b>　　表3.3</b></p><p>　　當有效脈沖邊沿過來時，有兩片74LS160構(gòu)成的31進制加計數(shù)器，當片1輸出為0001，片二輸出為1100，即轉(zhuǎn)換為十進制時是30，此時片1Q0輸出和片二Q0、Q1輸出經(jīng)過三輸入與非門后為“0”，使片1的CET、CEP輸入為0，片1停止工作，所以數(shù)碼管顯示30。</p><p>　　3.3.1.

26、5 秒脈沖發(fā)生電路</p><p>　　工作原理：由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器經(jīng)過調(diào)整電阻電容能改變秒沖周期。當R1=15K，R2=68K，C1=10uF時，T=1s。</p><p>　　3.3.2元件參數(shù)選擇</p><p>　　元器件名稱 </p><p>　　開關(guān)

27、 </p><p>　　74LS148 </p><p>　　74LS48 </p><p>　　74LS192

28、 </p><p>　　74LS160 </p><p>　　74LS126 </p><p>　　CD4023BCM </p&g

29、t;<p>　　DM7402N </p><p>　　555定時器 </p><p>　　揚聲器 </p><p>　　電容

30、 </p><p>　　七段數(shù)碼顯示器 </p><p>　　燈泡 </p><p><b>　　第4章 軟件仿真</b></p><p>

31、;<b>　　4.1 仿真電路圖</b></p><p>　　4.1.1搶答器電路</p><p><b>　　圖4.1搶答器電路</b></p><p><b>　　4.1.2顯示電路</b></p><p><b>　　圖4.2顯示電路</b><

32、/p><p><b>　　4.1.3報警電路</b></p><p><b>　　圖4.3報警電路</b></p><p><b>　　4.1.4定時電路</b></p><p><b>　　圖4.4 定是電路</b></p><p>

33、　　4.1.5秒脈沖發(fā)生電路</p><p>　　圖4.5 秒脈沖發(fā)生電路</p><p><b>　　4.2 仿真過程</b></p><p>　　在測試好整個電路后，先將開關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間：再將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。若是主持人開關(guān)并未置“開始”，此時進行搶答，此

34、次在規(guī)定時間內(nèi)進行搶答，看指示燈的的亮暗情況及警鈴是否響。按后再將開關(guān)撥到”清零“狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器設(shè)定時間，再將開關(guān)值”開始“狀態(tài)，之后，先不搶答，等已過了定時器設(shè)定的時間后，在進行搶答，觀察指示燈的的亮暗情況及警鈴是否響。然后再將開關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間：先不將開關(guān)值“開始“狀態(tài)，進行搶答，觀察指示燈的的亮暗情況及警鈴是否響。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶

35、答器完成：優(yōu)先判斷，編號鎖存，編號顯示，揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止，禁止二次搶答，定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)。</p><p><b>　　4.3 仿真結(jié)果</b></p><p>　　仿真過程中，沒有錯誤，所有的可能都進行了仿真，都出現(xiàn)了對應(yīng)的正確的結(jié)果。</p><p><b

36、>　　第5章 安裝調(diào)試</b></p><p>　　5.1 安裝調(diào)試過程</p><p>　　1．在調(diào)試搶答器主電路時，主電路對于搶答按鍵的輸入不能鎖存且一上電74ls148的EI端就跳變?yōu)楦唠娖芥i存芯片，致使74ls48譯碼輸出給數(shù)碼管為0。</p><p>　　2．調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)倒計時到0的時候不能停止。</p><p>

37、;　　3．在測試報警電路的時候，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器不工作，報警功能失效。</p><p>　　4．調(diào)試計分電路時，發(fā)現(xiàn)按鍵有抖動現(xiàn)象，致使計分時按一次鍵分值變化好幾次。</p><p><b>　　5.2 故障分析</b></p><p>　　1．在調(diào)試搶答器主電路時，發(fā)現(xiàn)主電路對于搶答按鍵的輸入不能鎖存且一上電74ls148的EI端就跳變?yōu)楦唠娖芥i存

38、芯片，致使74ls48譯碼輸出給數(shù)碼管為0。</p><p>　　解決方法：反復(fù)的調(diào)試分析其電路原理，并用示波器測試輸入的電源，發(fā)現(xiàn)紋波非常之大，之后在電源輸出端并接一個220uf的電解電容和一個0.1uf的瓷片電容，再用示波器測試發(fā)現(xiàn)紋波減少很多；然后再在74ls148的使能端EI并接一個0.1uf的瓷片電容，很好的消除了開關(guān)電源帶來的紋波干擾，使搶答電路正常的工作。</p><p>　

39、　2．調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)倒計時到0的時候不能停止。</p><p>　　解決方法; 高位192顯示0的時候，BO2端輸出低電平，因此可以利用這信號與門鎖住低位192的秒脈沖輸入信號。</p><p>　　3．在測試報警電路的時候，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器不工作，報警功能失效。</p><p>　　解決方法：在通過對單穩(wěn)觸發(fā)器74ls121的測試后發(fā)現(xiàn)其能正常工作，555在121觸發(fā)后

40、3腳會有一個高脈沖輸出，說明555也能正常工作，在檢查后級推動蜂鳴器工作電路時發(fā)現(xiàn)兩個8050管腳裝反，原因是protel99里的封裝與8050的封裝不同。解決這個問題后可以報警，但是聲音很小，于是去掉了100uf的耦合電容，問題解決。</p><p>　　4．調(diào)試計分電路時，發(fā)現(xiàn)按鍵有抖動現(xiàn)象，致使計分時按一次鍵分值變化好幾次。</p><p>　　解決方法：在按鍵輸出口并接一個電容，去

41、除抖動，但是效果不佳，但是相對沒有加之前情況要好很多，對于純數(shù)字邏輯芯片，可以使用鎖存器對按鍵進行消抖，效果要比電容好得多。</p><p><b>　　第6章 結(jié)論</b></p><p>　　搶答者聽到搶答開始命令后，通過各自的按鈕開關(guān)輸入搶答信號。數(shù)字搶答器具有數(shù)字顯示搶答者序號功能。對犯規(guī)搶答者（包括提前搶答和超時搶答）除有聲、光報警外，還有顯示搶答犯規(guī)者序號

42、功能。</p><p>　　第7章 使用儀器設(shè)備清單</p><p>　　元器件名稱 數(shù)量</p><p>　　開關(guān) 9個</p><p>　　74LS148

43、 1個</p><p>　　74LS48 6個</p><p>　　74LS192 2個</p><p>　　74LS160 2個&

44、lt;/p><p>　　74LS126 1個</p><p>　　CD4023BCM 1個</p><p>　　DM7402N 1個</p><p

45、>　　555定時器 3個</p><p>　　揚聲器 1個</p><p>　　電容 20個</p><p>　　七段數(shù)碼顯示器

46、 6個</p><p>　　燈泡 7個</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　王文輝主編 《電路與電子學(xué)》（第3版）電子工業(yè)出版社 2005</p><p>　　李晶皎主編 《邏輯與

47、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》 清華大學(xué)出版社 2008</p><p><b>　　收獲、體會和建議</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計，使我在課堂上所學(xué)的知識得到了鞏固，同時又把理論知識應(yīng)用到實際當中，鍛煉了我的動手動腦能力。</p><p>　　在設(shè)計過程中，我遇到了不少的困難，例如一些芯片的功能不太清楚，要在樹上查找該芯片的具體功能、引

48、腳等。在整個設(shè)計中也出現(xiàn)很多問題，例如，設(shè)計好了但運行的結(jié)果卻不全對，這就要進行查找錯誤所在，需要一個個的對芯片進行測試分析，然后找出問題所在，在進行改進。雖然很繁瑣，但在過程中自己的確學(xué)了好多東西。</p><p>　　另外，這個過程是一個考驗人耐心與細心的過程，不能有絲毫的急躁、馬虎，要在熟練地掌握課本上的知識的基礎(chǔ)上，對整個系統(tǒng)有全面的把握，按照要求進行設(shè)計單元電路，自己的獨立思考也是很重要的。</p