數(shù)字式競賽搶答器 數(shù)電課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　數(shù)電課程設(shè)計報告</b></p><p>　　題目：數(shù)字式競賽搶答器 </p><p><b>　　學院：</b></p><p><b>　　專業(yè)班級：</b></p><p><b>　　姓名：</b&g

2、t;</p><p><b>　　學號</b></p><p>　　指導老師： </p><p>　　2013 年5 月 20日</p><p><b>　　設(shè)計題目</b></p><p><b>　　數(shù)字式競賽搶答

3、器</b></p><p><b>　　2、設(shè)計要求</b></p><p>　　1）給主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　　2）4名選手編號為：1，2，3，4。各有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號對應(yīng)，也分別為1，2，3，4。</p><p>

4、　　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，該選手編號立即鎖存，搶答顯示器上顯示該編號，同時揚聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。</p><p>　　4）搶答器具有定時（9秒）搶答的功能。當主持人按下開始按鈕后，定時器開始顯示倒計時間，若無人搶答，倒計時結(jié)束時，揚聲器響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間（9秒）內(nèi)搶答有效，搶答成功，揚聲器響持續(xù)1秒，同時定時器停止倒計時

5、，搶答顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　　5）如果搶答定時已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警（音響持續(xù)1秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。</p><p><b>　　設(shè)計方案</b></p><p>　　3.1 各功能方案選擇

6、</p><p>　　搶答器具有鎖存、定時、顯示和報警功能。即當搶答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計時，同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計時到時的時候都有報警以提醒主持人和選手。搶答時間設(shè)定9秒，報警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅

7、燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：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)開關(guān)。</p><p>　　1）搶答功能實現(xiàn)方案</p><p>　　方案一：用一片四D

8、觸發(fā)器74LS175和四輸入2或非門CD4002實現(xiàn)。四D觸發(fā)器輸出經(jīng)四輸入或非門到四路搶答按鍵開關(guān)，加到觸發(fā)器的四個輸入端，同時經(jīng)四輸入或非門和反相器作為四D觸發(fā)器的時鐘信號，四D觸發(fā)器清零端經(jīng)上拉電阻接電源，同時經(jīng)過清零控制開關(guān)到地。電路簡單成本低，稍加擴展就能達到實用化。</p><p>　　方案二：用一片八線-三線八進制優(yōu)先編碼器74LS148、四SR觸發(fā)器74LS279和七段譯碼器74LS48實現(xiàn)四路搶

9、答功能。</p><p>　　雖然方案一的電路簡單能夠滿足要求，但是由于需要4個4D觸發(fā)器，接線繁瑣，增加了電路設(shè)計與仿真的難度；而方案二的電路較簡單，更容易實現(xiàn)。所以我決定采用方案二。</p><p><b>　　定時功能實現(xiàn)方案</b></p><p>　　方案一：采用555定時器。</p><p>　　方案二：采用

10、石英晶體振蕩器。</p><p>　　雖然采用石英晶體振蕩器可產(chǎn)生高精度的秒脈沖，但因為方案一的555電路相對較簡單，更容易實現(xiàn)，所以我決定采用方案一。</p><p><b>　　顯示功能實現(xiàn)方案</b></p><p>　　采用74LS48加上共陰極數(shù)碼管比較容易實現(xiàn)。</p><p>　　4）報警功能實現(xiàn)方案<

11、;/p><p>　　采用有源蜂鳴器，并與三極管、電阻、電解電容搭配比較簡單。</p><p>　　3.2 單元電路設(shè)計</p><p><b>　　整體電路流程圖</b></p><p>　　由電路流程圖可以看出，數(shù)字搶答器電路主要分為三個部分：搶答電路、定時電路以及報警電路。</p><p><

12、;b>　　2）搶答電路</b></p><p>　　搶答器控制電路要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定最先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示選手編號；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無效。</p><p>　　工作原理：該搶答控制電路的工作原理為：當主持人控制開關(guān)處于“清除”時，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強制清零，輸入的搶答信號無效。當主持人將開關(guān)撥

13、到“開始”時，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號和借位信號與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當沒人搶答時，搶答信號為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當一有人搶答時，搶答信號為高電平，并和U2的輸出信號和借位信號與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個上升沿，使得搶答信號經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過譯碼器74LS48譯碼，把相應(yīng)的信號顯示在數(shù)碼管上。另外，當選手松

14、開按鍵后，D觸發(fā)器的Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復原來狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準確性。當選手回答完畢，主持人控制開關(guān)S是搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。</p><p>　　74LS148的真值表74LS279的真值表</p><p&

15、gt;　　74LS48的真值表 </p><p><b>　　3）定時電路</b></p><p>　　該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74LS192減法計數(shù)電路、74LS48譯碼電路和1個共陰7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。</p><p>　　工作原理：由555定時器產(chǎn)生時間基準信號秒脈沖。振蕩周期為10秒脈沖信號經(jīng)兩

16、級有預置功能的可逆十進制計數(shù)器74LS192對時鐘信號進行計數(shù)，當計數(shù)到達預置的時間，計數(shù)器產(chǎn)生溢出而封鎖計數(shù)脈沖，使計數(shù)器停止計數(shù)。數(shù)碼管指示時間值。主持人通過按復位鍵來進行搶答倒計時。定時9秒，把74LS192</p><p>　　對應(yīng)的9，10，1，15四個端子預置為“1001”。計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路555提供。當復位開關(guān)按下時，給74ls192一個低電平，從而開始倒計時，每來一個脈沖信號進行減計數(shù)

17、一次。當有選手搶答或借位信號時，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實現(xiàn)倒計時的停止。再按復位鍵時，再一次倒計時。</p><p>　　74LS121的真值表74LS192的真值表</p><p>　　74LS74的真值表</p><p><b>　　報警電路</b></p><p>　　

18、該電路主要由555時鐘電路（用于控制報警聲音頻率）、蜂鳴器即相關(guān)的延時電路和控制電路組成。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間，由于Proteus元件庫缺少74LS12以用74121代替仿真。</p><p>　　工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121通過信號/Ys、BO2、S控制報警與否和報警時間，555時鐘電路產(chǎn)生脈沖時鐘。在規(guī)定的時間有人搶答時，/Ys由1跳變到0，74121有狀態(tài)2，即Q輸

19、出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警，持續(xù)時間為 t秒，依據(jù)公式T=（R1+2R2）Cln2 可知當R1+2R2=100K+2*22K=144K歐姆時可得到周期為1秒的振蕩信號。如果在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，BO2由1跳變到0，74121有狀態(tài)1，Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警持續(xù)時間為1秒。</p><p><b>　　3.3 整體電路</b></p><p><

20、;b>　　3.4 元件列表</b></p><p><b>　　電路仿真</b></p><p>　　4.1 Proteus7軟件仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　頻道A接555定時器的第3個引腳即Q端，頻道B接74LS148的第5個引腳即EI端，頻道C接74LS192的第13個引腳即TCD端，頻道D接74LS74的第5個引腳即Q

21、端。</p><p>　　無搶答而超時的波形圖</p><p><b>　　超時后搶答的波形圖</b></p><p>　　3）無超時成功搶答的波形圖</p><p>　　4）成功搶答后未復位就提前搶答的波形圖</p><p>　　4.2 Lochmaster4.0洞洞板排版布線軟件仿實物焊接電路

22、板圖</p><p><b>　　總結(jié)分析</b></p><p><b>　　優(yōu)點</b></p><p>　　與標準時鐘相比計時準確，使用元件較少，電路不會太復雜。</p><p>　　B.跳線橫平豎直，并且全在非焊面，較美觀。</p><p><b>　　不足

23、</b></p><p>　　A.焊工較差，跳線較多，檢測出很多短路和虛焊的焊點，影響了整體電路性能。B.數(shù)字芯片主要為從舊板上拆下來的舊芯片，性能是否完好不明確，且LS和HC混用，發(fā)生了未知故障影響某些功能的實現(xiàn)，比如搶答后鎖存編號不能完全實現(xiàn)。C.蜂鳴器不響，表面原因是芯片74LS121的Q和反Q輸出端不能翻轉(zhuǎn)，根本原因未知。</p><p><b>　　改進&l

24、t;/b></p><p>　　可通過添加少量門控制電路來實現(xiàn)超時搶答報警功能和未計時即搶答報警功能。</p><p>　　可把74LS20 四輸入二與非門替換為74LS10三輸入三與非門，而74LS08二輸入四與門的功能可使用多出來的一個與非門與74LS04六反相器結(jié)合來代替。這樣的話就可以減少了一塊數(shù)字芯片的用量。</p><p><b>　　6

25、、心得體會</b></p><p>　　仿真與實物有差異，不可盡信不可太過依賴。</p><p>　　焊接工藝必須提高，否則后期檢修工作會較麻煩。</p><p>　　最好使用新買的芯片，如果用了有問題的舊芯片的話后果可能會很嚴重，比如燒板。</p><p>　　焊接的時候不要焊同一個點太久，否則會損壞元件。也不要重復拆焊元件，容