數(shù)字電路課程設計---多路智能競賽搶答器設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　學生姓名： 專業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： 工作單位： </p><p>　　題 目: 多路智能競賽搶答器設計

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:</p><p><b>　　基本功能</b></p><p>　?、僭O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，分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。</p><p>　?、诮o節(jié)目主持人設置一個控

5、制開關，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手在設定的時間內搶答，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>　　③如果定時搶答時間

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： 理論設計</p><p>　　7.5～7.6：安裝調試或仿真</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計1</p><p>　　1.1搶答器原理1</p><p>　　1.2總體方案設計1</p><p>　　1.3電路原理設計2</p><p>　　1.3.1 八路搶答電路設計2</p><p>　　1.3.2定時電路設計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仿真結果分析16</p><p>　　2.4總電路圖17</p><p>　　3. 結與體會18</p><p><

11、;b>　　4.元件清單19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p>　　1. 多路智能競賽搶答器原理與設計</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果譯碼顯示出來。清零按鈕按下后，電路復位回初始狀態(tài)后，可以進行下一輪的搶答。</p><p><b>　　1.2總體方案設計</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。編碼器將搶答結果譯成二進制數(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>　　該方案滿足設計的功能要求，但是用鎖存器鎖存搶答結果這一思路有缺陷，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，導致編碼器編碼出錯，下一級譯碼顯示電路不能顯示搶答結果。</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，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電路原理設計</b></p&

16、gt;<p>　　1.3.1 八路搶答電路設計</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)字數(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)先編碼工作標志端引腳5電平為0，使之處于工作狀態(tài)。當開

19、關S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出經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，經譯碼顯示為“5”。此外，2Q2＝1，使74LS148 優(yōu)先編碼引腳5工作標志端EI＝１，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74LS148的 此時由于仍為2Q2＝1，使優(yōu)先編碼工作標志端引腳5

20、電平為1，所以74LS148仍處于禁止狀態(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開關重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。</p><p><b>　　圖1-9</b></p><p>　　1.3.2定時電路設計</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>　　秒脈沖的產生電路如圖1-17所示，由LM555構成的多諧振蕩器構成。</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的時鐘脈沖經右圖的U12A（74LS00）和U12D(74LS00)送到74LS192的4引腳（DOWN），使74LS192減計數(shù)，達到倒計時的效果。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>　　本設計增加了可設定定時長短的電路，由兩片74LS90構成的加計數(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處于停止狀態(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，時間復位到原來設定的時間數(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2個7段數(shù)碼管即

28、相關電路組成。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生電路提供。74192的預置數(shù)由兩個74LS90構成的計數(shù)器實現(xiàn)預置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通過預置時間電路對計數(shù)器進行預置，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，當有選手按下按鈕后，U3(74LS148)的14引腳（GS）輸出一個負脈沖，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S1置于停止位后可以設置定時時間的長短，按下其中J11，設定時間加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仿真結果分析</b></p><

40、;p>　　綜合上述仿真的結果，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>　?、谠O有一個控制開關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手在設定的時間內搶答，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)看起來也沒什么復雜性，當了解所有芯片的作用和功能的時候發(fā)現(xiàn)自己所學的知識并不是很好，理解掌握的不夠。當實際設計的時候發(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行延時，系統(tǒng)才終于正常工作。所以設計出一個能正常工作的數(shù)字電路需要大量細致的工作，考慮不同的方案，經過幾種方案的對比，最終選出最佳方案 。</p><p><b>　　4 元件清單</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&g

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