數(shù)電課程設(shè)計--四人智力競賽搶答器

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目的2</b></p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)與要求2</p><p><b>　　1、設(shè)計任務(wù)2</b></p><p><b>　　2、設(shè)計要求2</b><

2、/p><p>　　三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計3</p><p><b>　　1、設(shè)計方案3</b></p><p><b>　　2、系統(tǒng)框圖3</b></p><p><b>　　3、方案比較4</b></p><p><b>　

3、　方案14</b></p><p><b>　　方案2:4</b></p><p><b>　　方案3：4</b></p><p>　　4、單元電路設(shè)計及元器件選擇4</p><p><b>　　（1）搶答電路4</b></p><p&

4、gt;<b>　?。?）定時電路7</b></p><p><b>　?。?）報警電路9</b></p><p>　?。?）時序控制電路10</p><p>　?。?）元器件列表12</p><p>　　5、四路搶答器總電路圖13</p><p>　　四、設(shè)計過程中

5、的問題和解決辦法13</p><p>　　五、設(shè)計成品的優(yōu)點與不足14</p><p><b>　　六、心得體會14</b></p><p><b>　　七、實物圖15</b></p><p><b>　　1、正面15</b></p><p>

6、<b>　　2、反面16</b></p><p><b>　　四人智力競賽搶答器</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目的</b></p><p>　　1.掌握四人智力競賽搶答器電路的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。</p><p>　　2.熟悉數(shù)字集成電路的設(shè)計和使用方法。&

7、lt;/p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　1、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。 用數(shù)字顯示搶答倒計時間，由“9”倒計到“0”時，無人搶答，蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時，數(shù)碼顯示選手組號，同時蜂鳴器響1秒，倒計時停止。</p&

8、gt;<p><b>　　2、設(shè)計要求</b></p><p>　　(1)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>　　(2)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>　　(3)搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯

9、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，并在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。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</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，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時間，若無人搶答，倒計時結(jié)束時，揚聲器響，音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間（9秒）內(nèi)搶答有效，搶

10、答成功，揚聲器響，音響持續(xù)1秒，同時定時器停止倒計時，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>　　(6)可用石英晶體振蕩器或者555定時器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈

11、沖信號，作為定時計數(shù)器的CP信號。</p><p>　　三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計</p><p><b>　　1、設(shè)計方案</b></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，并且暫停搶答時間的倒計時，同時用LED數(shù)碼

12、管把選手的所剩搶答時間顯示出來。</p><p>　　在選手按鍵搶答成功后或者搶答時間倒計時為零的時候都有1秒鐘的報警以提醒主持人和選手。搶答的有效時間設(shè)定9秒，報警響聲持續(xù)1秒。</p><p>　　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)，編號顯示器顯示“0”，定時器顯示設(shè)定時間“9”；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。選手在定時時

13、間內(nèi)搶答時，搶答器完成該功能：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、倒計時鎖定、揚聲器提示。倒計時電路的數(shù)碼管顯示剩余時間，另一個數(shù)碼管顯示選手編號。</p><p>　　如果在搶答時間內(nèi)沒有選手搶答，則倒計時電路數(shù)碼管顯示數(shù)字“0”，另一數(shù)碼管也顯示“0”，即1至4號選手都沒有搶答。同時音響電路給出1秒音響提示。</p><p>　　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。

14、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><b>　　2、系統(tǒng)框圖 </b></p><p>　　當主持人宣布開始，定時電路開始秒脈沖電路的作用而進行倒記時，并通過譯碼器在顯示器中顯示。</p><p>　　當選手首先按某一開關(guān)鍵時，可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息，同時為防止

15、其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。</p><p>　　若有多個開關(guān)同時按下時，則在它們之間存在著隨機競爭的問題，結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。</p><p><b>　　如圖1：</b></p>&

16、lt;p><b>　　圖1系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　3、方案比較</b></p><p>　　方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出，用74ls190完成倒計時電路，用一個555產(chǎn)生時鐘信號提供給搶答電路，再接一個分頻器，把分頻后的時鐘信號接給倒計時電路。</p><p>

17、　　分析：用CD4511雖然比較簡便，但實際在實現(xiàn)鎖存功能時比較繁瑣難實現(xiàn)。</p><p>　　方案2: 采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls190完成倒計時電路的功能，用晶振產(chǎn)生脈沖，經(jīng)分頻電路，接到搶答電路和倒計時電路。</p><p>　　分析：74ls190為單時鐘計數(shù)器，而且沒有異步清零端。用晶振產(chǎn)生的脈沖更加精確，但是本設(shè)計不需要很精確的時鐘秒沖信號

18、，而且用到晶振要經(jīng)過兩次不同的分頻，需要額外的兩塊芯片進行分頻，增加成本。 </p><p>　　方案3：采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls192完成倒計時電路的功能，用兩個555產(chǎn)生脈沖。</p><p>　　分析：用兩個555產(chǎn)生時鐘信號，可以單獨設(shè)置每個時鐘的頻率，而且可以避免由一個時鐘分頻到搶答電路和倒計時電路時產(chǎn)生的跳線問題。所用元件也不是很多，而且

19、可以完美實現(xiàn)題目的功能要求。</p><p>　　經(jīng)過對比3個方案的優(yōu)缺點，決定采用成本較低、跳線少、功能易實現(xiàn)的方案3。然后利用軟件multism來進行仿真調(diào)試，再進行逐步改進。</p><p>　　4、單元電路設(shè)計及元器件選擇</p><p><b>　?。?）搶答電路 </b></p><p><b>　

20、　電路如圖2所示。</b></p><p>　　該電路完成兩個功能：一、是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定。74LS175的四個輸出端Q1、Q2、Q3、Q4分別表示選手1、2、3、4的編號，經(jīng)過74LS32或門后連接到74LS47的A、B、C輸入端，完成編碼過程，同時譯碼顯示電路74LS47讓數(shù)碼管顯示選手編號；二、是要通過先搶答的選手的輸出電平信號使其他選手隨后的按鍵操作無效。</p>&

21、lt;p><b>　　圖2 搶答電路</b></p><p>　　該電路的工作原理為：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。</p><p>　　當主持人將開關(guān)撥到“開始”時，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個Q非端經(jīng)過與門U9B為高電平，再和555脈沖信號信號和借位信號經(jīng)過與門U9A仍為高電平，再

22、送到D觸發(fā)器的脈沖端。</p><p>　　當沒人搶答時，Q1、Q2、Q3、Q4都為低電平，Q1非、Q2非、Q3非、Q4非都為高電平。與門U9B輸出端為高電平，和555的方波脈沖信號相與仍為脈沖信號，送給D觸發(fā)器脈沖端。</p><p>　　當一有人搶答時（例如一號選手），D1輸入端為高電平，該信號在時鐘輸入的脈沖信號的上升沿到來時進入鎖存器，然后該選手的編號通過74LS32和47LS47

23、顯示在數(shù)碼管中。同時Q1非輸出為低電平，經(jīng)過與門U9B后仍為低電平，經(jīng)過與門U9A后使鎖存器74LS175的脈沖輸入端保持低電平，封鎖了四個輸入端的輸入，同時保持了輸出端的電平信號不變。這樣不僅使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收，而且搶答成功的一號選手的編號也被保存下來，直到主持人“清零”。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準確性。</p><p>　　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

24、下一輪搶答。 </p><p>　　四D觸發(fā)器74LS175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng)，編碼的作用是把鎖存器的輸出轉(zhuǎn)化成8421BCD碼，進而送給7段顯示譯碼器。其真值表a：</p><p><b>　　表a鎖存編碼真值表</b></p><p>　　由該表可以看出，747LS175不能直接與74LS47連接，因為Q3=1時，對應(yīng)的

25、編碼器輸入A=1，B=1。這時就通過二輸入或門74LS32使鎖存、編碼一一對應(yīng)（如圖2）。編碼器的D輸入端不需要，接地使其為0。</p><p>　　74LS175的 邏輯引腳圖與功能表 如下：</p><p>　　圖1-6 74LS175的邏輯引腳圖</p><p>　　74LS175是一個單向上升沿觸發(fā)的四D 觸發(fā)器、互補輸出，有公用的時鐘和公用的清零。時

26、鐘的觸發(fā)產(chǎn)生于特定的電壓電平上，同脈沖的正躍變時間無直接關(guān)系。當CLK引腳輸入上升沿時，1D-4D被鎖存到輸出端（1Q-4Q）。不管時鐘輸入的電平是高或是低，D 輸入信號不影響輸出。清零端CLR為低電平有效，即該引腳接低電平后，四個輸入信號無效，四個輸出為為低電平。只有CLR接高電平時，74LS175才能正常工作。</p><p>　　表b 74LS175功能表</p><p>　　備注

27、：RD即仿真圖中的CLR，CP即仿真圖中的CLK。</p><p>　　鎖存電路的脈沖信號：由555產(chǎn)生的140HZ的脈沖信號，為74LS175的CLK端提供方波脈沖，使其能正常工作。</p><p><b>　?。?）定時電路 </b></p><p><b>　　如圖3。</b></p><p>

28、;　　定時9秒，把74LS192對應(yīng)的9，10，1，15四個端子預置為“1001”。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)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>　　圖3 定時電路</p><p>　　74LS192是同步十進制可逆計

29、數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。LOAD為預置數(shù)端，低電平時把輸入端置成預置數(shù)；CLR為清零端；UP為加計數(shù)端；DOWN為減計數(shù)端；BO為借位輸出（低電平輸出）；CO為進位輸出端（低電平輸出）。</p><p>　　計數(shù)器的時鐘脈沖：由秒脈沖電路555提供，其脈沖頻率為1HZ,即1秒變化一個周期。</p><p>　　它基本原理是，由于電容C的兩端的電壓不能突變，定時器的2

30、端電壓低觸發(fā)端為低電平，輸出端3為高電平。電源經(jīng)過R1、R2給電容C充電，當電容的電壓充到電源電壓的2/3時，555內(nèi)部的MOS管導通，輸出為低電平。接著電容通過R2和已經(jīng)導通的MOS管放電，當電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時，MOS管截止電容放電停止，此時電源通過R1、R2再次向電容充電，如此反復，形成震蕩，從而在3端得到時鐘脈沖源輸出。</p><p>　　圖 4 信號發(fā)生電路</p>

31、;<p>　　555產(chǎn)生的脈沖信號的周期計算公式：T=0.69*(R1+R2)* C</p><p><b>　　（3）報警電路</b></p><p>　　由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報警電路，但仿真中沒有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡稱A1）來代替仿真，如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復位信號和Q非

32、的與信號和借位信號與在一起來提供的。當其中一個信號為低電平時，使得A1得到一個下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。 </p><p><b>　　圖4 報警電路</b></p><p>　　74ls121為不可重復的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，一旦被觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)以后，再加入觸發(fā)脈沖不會影響電路的工作過程，必

33、須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后，它才接受下一個觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度由Rext和Cext的大小決定。蜂鳴器的音響為1秒，由公式tw=0.69 * Rext * Cext，設(shè)置74LS121的外接電阻和外接電容的值。</p><p>　　蜂鳴器：有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器，沒有電路板而用黑膠封閉的一種是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫

34、。必須用2K-5K的方波去驅(qū)動它。</p><p>　　另外，為了加大蜂鳴器的音量，用一個三極管驅(qū)動它。三極管接成共集電極輸出形式，電壓跟隨，增大電流。</p><p>　　（4）時序控制電路 </p><p>　　時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能： </p><p>　　主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，搶答電路和定時

35、電路進入正常搶答工作狀態(tài)。</p><p>　　2）當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 </p><p>　　3）當設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 </p><p>　　圖5 搶答與定時時序控制電路</p><p>　　根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計的時序控制電路如圖5所示

36、。 </p><p>　　工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時，74LS175的輸出 Q！=1，U9B輸出為1，借位信號為1，使U10A輸出為1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則74ls192的借位信號為1，U9A和U10A的輸出為1，使 74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能（1）的要求。當選手在定時時

37、間內(nèi)按動搶答鍵時，Q！＝0，U9B輸出為0，封鎖 CP信號，則U10A輸出為0，定時器停止倒計時處于保持工作狀態(tài)；同時,U9A的輸出為0，使74ls175鎖存 。也使U10B輸出為0，給了74ls121一個下降沿，使74LS121處于工作狀態(tài)，給蜂鳴器一個一秒的高電平，從而實現(xiàn)功能（2）的要求。當定時時間到時，則74ls192的借位信號為0，U10B輸出為0，有給了74ls121一個下降沿，使 74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒

38、的高電平。同時U9A輸出也為0，使74ls175鎖存，禁止選手進行搶答。同時，U10A輸出為0，封鎖 CP信號，使定時電路保持0狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能（3）的要求。</p><p><b>　　（5）元器件列表 </b></p><p><b>　　表1 </b></p><p>　　5、四路搶答器總電路圖 </p&

39、gt;<p><b>　　圖6 總電路圖</b></p><p>　　四、設(shè)計過程中的問題和解決辦法</p><p>　?。?）在用面包板測試電路功能時，剛開始發(fā)現(xiàn)蜂鳴器完全不響，然后上網(wǎng)找了幾個74ls121的連接電路，發(fā)現(xiàn)還是不行。然后就查看數(shù)電數(shù)，知道如何連接了。但是蜂鳴器的聲音太小了，于是又采用三極管來放大電流。終于使它發(fā)出1秒的響亮聲音。&l

40、t;/p><p>　?。?）在焊接電路的過程中，盡管已經(jīng)畫了元件分布草圖，但是依然有焊接錯漏，后來仔細檢查了一番，把一個沒接地的接上，把一個焊錯的改過來了。</p><p>　?。?）當焊完電路調(diào)試時，最大的問題出現(xiàn)了，搶答信號不能鎖存，于是我花了好幾天的時間去解決這個問題。最后我把之前的用于搶答的單刀雙擲開關(guān)換成了復位開關(guān)，就成功了。</p><p>　　五、設(shè)計成品

41、的優(yōu)點與不足</p><p>　　優(yōu)點：跳線少，看起來不亂；元器件較少，功能滿足要求。</p><p>　　不足：當沒選手搶答，定時信號到“0”時，蜂鳴器的發(fā)聲有一點延遲。</p><p><b>　　六、心得體會 </b></p><p>　　因為覺得搶答器比較有趣，所以選了它。在確定題目之后，我花了很多時間在網(wǎng)上找資

42、料，然后把其中有用的摘錄下來。后來實踐證明，充足的準備確實能帶來很多好處，減少制作中的麻煩。</p><p>　　但是就算是一個簡單的設(shè)計，也沒把握完全不遇到任何麻煩，而一次性成功。所以在焊接過程中出現(xiàn)了兩個低級的錯誤。因為有多次的焊接經(jīng)驗，所以在焊接之前都習慣畫元件的分布圖。這樣雖然會花多一些時間，但是卻能減少焊接的錯誤，并且讓跳線盡量少，使電路的器件分布，焊接等看起來更加美觀。這就是磨刀不誤砍材工的道理吧。&

43、lt;/p><p>　　這個電路是比較復雜的，所以在焊接時比較費時，耗精力。也算是對個人耐心的一種磨練吧。最后出現(xiàn)的不能鎖存信號的問題，讓我煩了好幾天。在檢查電路，確定沒有焊接錯誤之后，問題依然沒有得到解決，然后就郁悶了，有點想放棄的感覺。為了解決問題，就去找資料對比，最后把搶答開關(guān)換成復位開關(guān)，設(shè)計就成功了。真是山窮水復疑無路，柳暗花明又一村。從中，我體會到了，遇到問題時，首先要冷靜，不要心浮氣躁，然后在認真地查找

44、原因，一點一點地排查問題，最終找到解決問題的辦法。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，不僅焊接技術(shù)得到了進一步鍛煉，對各種芯片，比如74ls175，,7ls192，74ls121，74ls47，555等，都有了比較深入的了解。同時，也發(fā)現(xiàn)自己對課本知識的掌握很不足，所以課程設(shè)計也是一次讓我鞏固課本知識的實踐機會。</p><p><b>　　七、實物圖</b>&l