數(shù)電課程設(shè)計(jì) 八路搶答器.doc

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數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 八路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì) 專 業(yè): 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí): 2012級(jí)1班 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)老師: 電子通信與物理學(xué)院 日 期: 2015 年 1 月 10 日 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 1設(shè)計(jì)要求 在當(dāng)代社會(huì)中企業(yè)、學(xué)校和電視臺(tái)等單位常舉辦各種智力競(jìng)賽,搶答記分器是必要設(shè)備。過去在舉行的各種競(jìng)賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會(huì)因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性。人們于是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來規(guī)范比賽。因此，為了克服這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計(jì)出很多的搶答器，從最初的簡(jiǎn)單搶答按鈕，到后來的顯示選手號(hào)的搶答器，再到現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在一天天的趨于完善不但可以用來倒計(jì)時(shí)搶答，還兼具報(bào)警等等功能，有了這些更準(zhǔn)確地儀器使得我們的競(jìng)賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。在這一背景下本文利用74LS系列芯片設(shè)計(jì)了一種有效、便捷的八路數(shù)字搶答器。 設(shè)計(jì)要求如下：利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)一個(gè)八路搶答器，允許八路參加，并具有鎖定功能，用LED顯示最先搶答的隊(duì)號(hào)碼，系統(tǒng)設(shè)置外部清除鍵，按動(dòng)清除鍵，LED顯示器自動(dòng)清零滅燈。數(shù)字顯示功能：數(shù)字搶答器定時(shí)為30S，啟動(dòng)開啟鍵以后要求Ⅰ)定時(shí)開始；Ⅱ)揚(yáng)聲器要短暫報(bào)警；Ⅲ)發(fā)光二極管亮燈；如果在30S內(nèi)搶答有效,計(jì)時(shí)結(jié)束，30S內(nèi)搶答無效，發(fā)光二極管燈滅。 2 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次描述的八路搶答器功能指標(biāo)為：設(shè)計(jì)一個(gè)能支持八路搶答的智力競(jìng)賽搶答器；主持人按下開始搶答的按鍵后，有短暫的報(bào)警聲提示搶答人員搶答開始且指示燈亮表示搶答進(jìn)行中；在開始搶答后數(shù)碼管顯示30秒倒計(jì)時(shí)；有搶答人員按下?lián)尨疰I后，在數(shù)碼管上顯示搶答成功人員的編號(hào)，倒計(jì)時(shí)暫停，同時(shí)后續(xù)搶答人員的搶答將無效；當(dāng)主持人再次按下按鍵回到復(fù)位狀態(tài)，倒計(jì)時(shí)的數(shù)碼管保持顯示30，顯示人員編號(hào)的數(shù)碼管滅，指示燈滅。 本次設(shè)計(jì)的電路由包括搶答電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路在內(nèi)的三部分電路組成。搶答電路由按鍵、鎖存器、優(yōu)先編碼器、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器等器件組成；定時(shí)電路由555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、鎖存器、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)等器件組成；報(bào)警電路由蜂鳴器、單穩(wěn)態(tài)脈沖觸發(fā)芯片等器件組成。 3 總體設(shè)計(jì) 3.1原理分析 3.1.1工作原理簡(jiǎn)介 如圖2.1所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由搶答電路、計(jì)時(shí)電路和報(bào)警電路三部分組成。搶答電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。計(jì)時(shí)電路完成計(jì)時(shí)功能。其工作原理為，當(dāng)開始搶答的開關(guān)沒有閉合時(shí)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開關(guān)置于"開始搶答"狀態(tài)，宣布"開始"搶答。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答只須主持人將開關(guān)斷開后閉合。 3.1.2搶答器工作過程 主持人開關(guān)撥到“開始搶答”狀態(tài)，會(huì)有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計(jì)時(shí)（預(yù)設(shè)30s搶答時(shí)間），如有選手搶答，顯示其號(hào)數(shù)并停止倒計(jì)時(shí)，只有第一個(gè)按搶答的選手有效。如倒計(jì)時(shí)期間，主持人想停止倒計(jì)時(shí)可以隨時(shí)將開關(guān)撥到“準(zhǔn)備”狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人撥回"開始搶答"進(jìn)入下次搶答計(jì)時(shí)。如果主持人將開關(guān)撥到“開始搶答”狀態(tài)，而此時(shí)有人按了搶答按鍵則搶答無效，不會(huì)顯示其號(hào)碼。 3.1.3主要元器件功能介紹 （1）8D鎖存器74LS373 74LS373為三態(tài)輸出的8 D鎖存器。引腳說明：D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端，OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效），Q0～Q7 輸出端。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，Q0～Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 （2）優(yōu)先編碼器74LS148 74LS148 為 8 線－3 線優(yōu)先編碼器。將 8 條數(shù)據(jù)線（0－7）進(jìn)行 3 線(4-2-1)二進(jìn)制（八進(jìn)制）優(yōu)先編碼，即對(duì)最高位數(shù)據(jù)線進(jìn)行譯碼。芯片管腳：0－7 編碼輸入端(低電平有效)，EI 選通輸入端(低電平有效)，A0、A1、A2 三位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)即編碼 輸 出 端(低電平有效)，GS 片優(yōu)先編碼輸出端即寬展端(低電平有效)，EO 選通輸出端，即使能輸出端。 （3）數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器74LS48 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器。引腳：A0－A3為譯碼地址輸入端，BI/RBO為消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）LT為燈測(cè)試輸入端（低電平有效），RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效），Ya－Yg段輸出。當(dāng)A0-A3輸入0到15時(shí)，段輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示響應(yīng)的數(shù)字。 （4）74LS192十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器 74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。 LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出， BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。 3.2電路設(shè)計(jì) 3.2.1搶答電路設(shè)計(jì) 搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼74LS148和8D鎖存器74LS373可以完成上述功能，其電路組成如圖2.2所示。 其工作原理是：當(dāng)主持人控制開關(guān)S9處于斷開狀態(tài)時(shí)，74LS373的鎖存控制端為高電平不鎖存，Q隨數(shù)據(jù)D而變。此時(shí)8輸入與非門74LS30的輸出為低電平。同時(shí)由于開關(guān)S9斷開，數(shù)碼管的共陰極為高電平，這樣就不會(huì)在未搶答狀態(tài)下顯示號(hào)碼了。而此時(shí)74148的輸入為八個(gè)高電平輸出為三個(gè)高電平如果不加控制經(jīng)7448譯碼輸出后會(huì)在數(shù)碼管上顯示數(shù)字7。這里把8輸入與非門74ls30的輸出接到7448的滅燈控制端BI/RBO，抑制數(shù)碼管顯示。當(dāng)開關(guān)S9被閉合時(shí)，進(jìn)入搶答狀態(tài)。這時(shí)雖然開關(guān)S9閉合使或門74S32的一個(gè)輸入端為0，但由于8輸入與非門的輸出仍為0所以74LS373的鎖存控制端仍為1，不會(huì)阻止數(shù)據(jù)的通過。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)按鍵按下時(shí)，74LS30的輸出變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)由于開關(guān)S9以閉合使得或門74S32的兩個(gè)輸入都為低電平，則鎖存器373的鎖存控制端ENG變?yōu)榈碗娖?，鎖存此時(shí)的Q值。理論上該值只有一個(gè)為低電平，其余為高電平，為低電平的那個(gè)即為搶答的成功的那個(gè)。這時(shí)對(duì)74148來說就有了有效輸入（某個(gè)輸入端變?yōu)?），優(yōu)先編碼得到一個(gè)數(shù)字作為7448的輸入在數(shù)碼管上顯示出來。這樣就完成了從搶答到顯示的工作。 3.2.2定時(shí)電路設(shè)計(jì) 定時(shí)電路主要實(shí)現(xiàn)30秒倒計(jì)時(shí)的功能。該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS19構(gòu)成的減法計(jì)數(shù)電路、74LS4譯碼電路和2個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，進(jìn)行30s倒計(jì)時(shí)。當(dāng)有人搶答時(shí)，計(jì)時(shí)停止。兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)30s，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上。當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，也停止計(jì)時(shí)。 其中555定時(shí)器和兩個(gè)電阻、兩個(gè)電容構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生周期為一秒的脈沖接到74LS192的減計(jì)數(shù)端進(jìn)行每秒一次的減計(jì)數(shù)。其震蕩周期的計(jì)算公式為。在電路中取 得震蕩周期為T=(30k+27K)*470nF=1S。兩片74LS192構(gòu)成30進(jìn)制減計(jì)數(shù)器。當(dāng)收到來自555定時(shí)器的脈沖時(shí)，控制個(gè)位的74LS192就會(huì)減計(jì)數(shù)，當(dāng)它減到0再收到脈沖要繼續(xù)減的時(shí)候，其借位輸出端輸出正脈沖使十位的74LS192減一計(jì)數(shù)。開關(guān)的作用是在開關(guān)閉合時(shí)進(jìn)行預(yù)置數(shù)，把兩片74LS192分別預(yù)置位3和0。74LS373的作用這里沒有體現(xiàn)出來，它是在總的電路中用到的。它用于在成功搶答后鎖存數(shù)碼管上顯示的時(shí)間。74LS48是數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器。用于將573中鎖存的數(shù)字顯示出來。這里的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼管，其共陰極直接接地沒有像搶答電路中那樣加入按鍵控制。 圖2.3 定時(shí)電路 3.2.3報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路的作用是當(dāng)開始搶答時(shí)進(jìn)行短暫的報(bào)警提醒。由于要求是短暫的報(bào)警提醒，所以要設(shè)計(jì)一種可以產(chǎn)生單脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路，使其在某個(gè)信號(hào)刺激下產(chǎn)生單脈沖使有源蜂鳴器發(fā)聲一段時(shí)間后停止發(fā)聲。本次設(shè)計(jì)采用了一個(gè)集成的單穩(wěn)態(tài)芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)有脈沖到達(dá)時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平使蜂鳴器響進(jìn)行發(fā)聲報(bào)警。在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)回到低電平，蜂鳴器停止發(fā)聲。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖輸入接到開關(guān)上，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖使蜂鳴器發(fā)聲。電路有TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。輸出脈沖寬度公式為。這里R取30千歐姆，C取10微法。得到約為0.2秒。當(dāng)輸入下降沿時(shí)蜂鳴器就會(huì)響0.2秒。 3.2.4總電路設(shè)計(jì) 把搶答電路、計(jì)時(shí)電路、報(bào)警電路三部分組合起來再加上一些控制電路就構(gòu)成了總電路。如圖2.5所示。當(dāng)有人搶答成功時(shí)，八輸入與非門輸出為1而U10非門7404輸出1，則與非門U9B輸出0使計(jì)時(shí)電路中的74LS373鎖存此時(shí)的時(shí)間，數(shù)碼管時(shí)間不再變化，直到斷開開關(guān)準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪搶答。開始搶答開關(guān)同時(shí)連接控制著一個(gè)指示燈，當(dāng)開始搶答時(shí)指示燈會(huì)亮；開關(guān)也連接了一個(gè)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的警報(bào)電路，開關(guān)閉合后會(huì)有一個(gè)脈沖送到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使其發(fā)出一個(gè)單穩(wěn)態(tài)脈沖驅(qū)動(dòng)蜂鳴器短暫鳴響提醒搶答人員搶答開始。當(dāng)脈沖結(jié)束后蜂鳴器停止鳴響。當(dāng)搶答結(jié)束要進(jìn)行下一次搶答前開關(guān)再次斷開，這是會(huì)同時(shí)使指示燈滅，顯示號(hào)碼的數(shù)碼管滅，顯示倒計(jì)時(shí)的兩個(gè)數(shù)碼管恢復(fù)顯示30。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成整個(gè)搶答過程。總的電路圖見 圖2.5 總電路圖 4仿真調(diào)試 4.1搶答電路仿真 仿真結(jié)果:當(dāng)“開始搶答”按鍵S9沒有閉合時(shí)，按下S0到S9進(jìn)行搶答沒有效果。當(dāng)S9閉合時(shí)，數(shù)碼管顯示S0到S9中最先按下的按鍵號(hào)。如圖2.6最先按下了S5顯示5。后按下的鍵不會(huì)改變顯示的數(shù)字?！伴_始搶答”按鍵S9斷開后，數(shù)碼管滅。 圖2.6 搶答電路仿真圖（局部） 4.2計(jì)時(shí)電路仿真 仿真結(jié)果：當(dāng)“計(jì)時(shí)開始”開關(guān)斷開時(shí)，數(shù)碼管顯示“30”。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)開始在數(shù)碼管上倒計(jì)時(shí)顯示。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)到0時(shí)停止倒計(jì)時(shí)，直到斷開開關(guān)數(shù)碼管恢復(fù)顯示30。如圖為倒計(jì)時(shí)到17秒時(shí)的效果。 圖2.7 計(jì)時(shí)電路仿真圖（局部） 4.3總電路仿真 仿真結(jié)果：當(dāng)“開始搶答”開關(guān)斷開時(shí)，計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示30，不顯示號(hào)碼，按下?lián)尨鸢存I也沒有反應(yīng)。當(dāng)“開始搶答”開關(guān)閉合時(shí)，開始30秒倒計(jì)時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲0.2秒，LED燈亮。在倒計(jì)時(shí)結(jié)束前如果如果有“搶答按鍵”按下則顯示響應(yīng)的號(hào)碼，如圖中顯示的2號(hào)搶答成功。當(dāng)30秒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，LED燈滅。 圖2.8 總電路仿真圖（局部） 5總結(jié)與體會(huì) 回顧起此次課程設(shè)計(jì)，有很多體會(huì)。從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在短短一個(gè)星期的時(shí)間里，遇到了很多困難，但也有很大的收獲。通過這次課程設(shè)計(jì)不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上沒有的知識(shí)。課程設(shè)計(jì)讓我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，才能有所成果。在設(shè)計(jì)的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己很多不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說對(duì)555定時(shí)器的原理掌握不扎實(shí)、對(duì)Multisim的一些重要使用方式不太了解等。 本次電子課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合，既考查了對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，，又考查了對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力，為今后的發(fā)展提供了一次良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。針對(duì)課設(shè)題目八路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，但通過上網(wǎng)查閱各種類似的設(shè)計(jì)，去圖書館翻閱相關(guān)設(shè)計(jì)書籍，查閱所提供的芯片功能，確定基本設(shè)計(jì)方案，又通過仿真驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可實(shí)行性，雖說比較煩雜但卻對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)電路有了基本的經(jīng)驗(yàn)。通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。 做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。 參考文獻(xiàn)： 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 第五版. 北京：高等教育出版社，2006.