數(shù)電課程設(shè)計(jì)---8路智力競(jìng)賽搶答器

1、<p><b>　　機(jī)械與電氣工程學(xué)院</b></p><p><b>　　《數(shù)字電子技術(shù)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué)

2、 號(hào)： </b></p><p><b>　　班 級(jí)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　8路智力競(jìng)賽搶答器</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b><

3、;/p><p><b>　　1.1基本功能</b></p><p>　　（1）設(shè)計(jì)一個(gè)智力競(jìng)賽搶答器，可同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)參加比賽，其編號(hào)分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。</p><p>　?。?）給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來(lái)控

4、制系統(tǒng)的清零（編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　?。?）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能。搶答開始，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出音響提示 此外．要封鎖輸人電路，禁止其他選手搶答，并將優(yōu)先搶答選手的編號(hào)—直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p><b>　　1.2 擴(kuò)展功能</b></p

5、><p>　　（1）搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間長(zhǎng)度可以由主持人設(shè)定（如30 s）。當(dāng)節(jié)目主持人啟動(dòng)“開始”鍵后，要求定時(shí)器立即減計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的音響，音響持續(xù)時(shí)間為0.5 s左右。</p><p>　?。?）參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答，搶答有效；有效搶答結(jié)束定時(shí)器停止工作．顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p

6、><p>　?。?）如果定時(shí)搶答的時(shí)間已到，卻沒(méi)有選手搶答，本次搶答無(wú)效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后做無(wú)效搶答，時(shí)間顯示器上顯示00。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　定時(shí)搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體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)

7、，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；擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。</p><p>　　圖1- 1定時(shí)器總體框圖 </p><p>　　圖1所示的定時(shí)搶答器的工作過(guò)程是：接通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定的時(shí)間；當(dāng)節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說(shuō)一聲“搶答開始”，同時(shí)將控制開關(guān)撥到“開始”位置，揚(yáng)聲器發(fā)

8、出音響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)開始。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手在超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，搶答器要完成以下四項(xiàng)工作：</p><p>　?。?）優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路顯示編號(hào)；</p><p>　　揚(yáng)聲器發(fā)出短暫音響，提醒節(jié)目主持人注意。</p><p

9、>　?。?）控制電路要對(duì)輸人編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答。</p><p>　?。?）控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間．并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問(wèn)題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)．使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下—輪搶答。</p><p><b>　　3 電路設(shè)計(jì)</b></p><p&g

10、t;<b>　　3.1 搶答電路</b></p><p>　　搶答電路的功能有兩個(gè)：—是能分辨選手按鍵的先后，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(wú)效。</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　選用優(yōu)先編碼器74LS148和八D鎖存器74LS573（或74LS373

11、）可以完成上述功能。通過(guò)74LS573可以一次性鎖存八個(gè)信號(hào)輸入的功能，將八個(gè)搶答的信號(hào)送給它2~9的八個(gè)輸入管腳，再將它19~12的八個(gè)管腳接74LS148的優(yōu)先編碼信號(hào)輸入的八個(gè)管腳，最后通過(guò)優(yōu)先編碼器的GS端經(jīng)相應(yīng)門電路處理后接鎖存器的鎖存端進(jìn)行鎖存。74LS573管腳與功能如圖3-1所示。</p><p>　　圖3- 174LS573管腳與功能</p><p><b>

12、　　方案二：</b></p><p>　　選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能，其電路組成如圖3-2所示。</p><p>　　圖3- 2搶答器電路</p><p>　　其工作原理是：當(dāng)主持人的控制開關(guān)處于“清除”位置時(shí)，RS觸發(fā)器的端為低電平，輸出端（4Q～1Q）全部為低電平，于是74LS48的＝0，顯示器滅燈；74

13、LS48的選通輸入端＝0， 74LS48處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到“開始”位置時(shí)，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時(shí)處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端、··· 、輸人信號(hào)。當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下S5，74LS148的輸出＝000，＝0，經(jīng)RS鎖存器后，CTR＝1，B＝1，74LS279處于工作狀態(tài)； 4Q3Q2Q＝101，經(jīng)74LS48譯碼，顯示器顯示“5”。此外，CT

14、R＝1，使74LS148的端為高電平．74LSl48處于禁止工作狀態(tài)，封鎖了其他按鍵的輸人。當(dāng)選手按下的鍵松開后，74LS148的為高電平；但由于CTR維持高電平不變，所以，74LS148仍處于禁止工作狀態(tài)，其他按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問(wèn)題后，由主持人操作控制開關(guān)S，使搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。</p><p><b>　　最終方

15、案：</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)比以上兩種搶答電路，我們最終選擇實(shí)驗(yàn)室有所有現(xiàn)成芯片方案二（在最后的方案里對(duì)方案二也進(jìn)行了修改）。搶答與按鍵電路如圖3-3和圖3-4所示。為了連線方便，圖中使用了大量的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，如“RBO”、“A0” 、“A1” 、“A2”等。</p><p>　　完整電路原理圖請(qǐng)看附錄。</p><p>　　圖3- 3搶答電路

16、</p><p>　　通過(guò)Proteus ISIS 7.8仿真得圖3-2的搶答電路未能實(shí)現(xiàn)所需的搶答要求。主要為74LS279的最右邊個(gè)RS觸發(fā)器輸出Q端接74LS148的時(shí)，在電路工作狀態(tài)主持人控制開關(guān)不能實(shí)現(xiàn)“清零”后再“開始”讓搶答電路繼續(xù)工作。經(jīng)過(guò)改進(jìn)得如上圖3-3完成了搶答電路要求。RBO從圖3-9中產(chǎn)生。</p><p>　　圖3- 4搶答按鍵電路</p>&l

17、t;p>　　圖3-4中的8個(gè)按鈕現(xiàn)實(shí)中用1個(gè)八位撥碼開關(guān)代替，簡(jiǎn)化材料的同時(shí)又更加貼近真實(shí)搶答過(guò)程中選手會(huì)一直按著按鈕的這種情況的模擬。如果電路中再增加一個(gè)74LS83到優(yōu)先編碼器與顯示譯碼器之間，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制碼的加一操作可以使數(shù)碼管從1~8數(shù)碼的顯示可更加貼近真實(shí)搶答中的顯示內(nèi)容，同時(shí)可以去掉圖3-4中的與門。本電路中的與門為對(duì)搶答時(shí)“0”信號(hào)的特殊處理，避免搶答時(shí)“0”號(hào)按鈕按下而數(shù)碼管中不顯示“0”的情況。</p>

18、<p>　　74LS148是有八個(gè)輸入端，三個(gè)輸出端的優(yōu)先編碼器，它的功能是判斷搶答選手的編號(hào)。74LS148的功能表如表3-1所示。</p><p>　　表3-174LS148的功能表</p><p>　　七段顯示譯碼器7448輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個(gè)輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入

19、端的數(shù)碼顯示電路。共陰極數(shù)碼顯示器的功能表如表3-2所示</p><p>　　表3-2共陰極數(shù)碼顯示器的功能表</p><p><b>　　3.2 定時(shí)電路</b></p><p>　　節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)間長(zhǎng)度，通過(guò)預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置。主持人按鍵電路如圖3-7所示?，F(xiàn)選用十進(jìn)制同步加／減計(jì)數(shù)器74LS1

20、92進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供，具體電路如圖3-5與圖3-6所示。</p><p>　　圖3- 5定時(shí)器減計(jì)數(shù)電路</p><p>　　在現(xiàn)實(shí)調(diào)試中兩個(gè)74LS192的第5管腳同時(shí)接5V高電平才能使計(jì)數(shù)器正常減計(jì)數(shù)。不然會(huì)發(fā)生無(wú)法借位的情況。</p><p>　　圖3-5中74LS192輸入所用的“0”、“1”的邏輯開關(guān)，在實(shí)際電路中使用一側(cè)接地的

21、撥碼開關(guān)代替。撥碼開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入為“0”；撥碼開關(guān)斷開時(shí)，輸入為“1”（TTL懸空的輸入默認(rèn)為高電平）。</p><p>　　表3-474LS192的功能表</p><p>　　圖3- 6定時(shí)器1秒脈沖發(fā)生電路</p><p>　　555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)周期接近1秒方波信號(hào)從第3管腳輸出。而接一個(gè)與非門是為了對(duì)方波信號(hào)整型。555定時(shí)器的振蕩

22、頻率計(jì)算公式為：</p><p>　　圖3-6中R11=15K，R12=68K，C2=10uF帶入公式得：</p><p>　　由以上計(jì)算得555電路產(chǎn)生的方波周期約為1秒。</p><p>　　圖3- 7主持人按鍵與搶答指示燈電路</p><p>　　由于光比聲音在空氣中的速度快，而每個(gè)搶答按鈕與提示開始搶答的信號(hào)距離不一定相等，所以圖3

23、-7的電路中使用LED的熄滅模擬主持人按下按鈕后提示選手開始搶答的現(xiàn)象。即圖3-7中D3燈滅時(shí)，選手開始搶答，同時(shí)圖3-5中數(shù)碼管顯示每秒減一個(gè)數(shù)字，直到顯示為零。</p><p><b>　　3.3 報(bào)警電路</b></p><p>　　本電路采用較為經(jīng)典的蜂鳴器控制電路。當(dāng)TCD3接收到低電平，PNP的三極管Q2（本電路中使用8550）飽和導(dǎo)通，則蜂鳴器發(fā)出聲音；

24、當(dāng)TCD3接收到高電平（5V電源的高電平），則蜂鳴器不發(fā)出聲音。</p><p>　　圖3- 8聲音報(bào)警電路</p><p>　　3.4 相關(guān)邏輯電路</p><p>　　邏輯控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它要完成以下三項(xiàng)功能：</p><p>　?。?）主持人將控制開關(guān)SW1撥到圖3-7顯示的狀態(tài)為定時(shí)器減計(jì)數(shù)電路置數(shù)，也是搶答器總復(fù)位狀態(tài)

25、。當(dāng)控制開關(guān)SW1撥到另一個(gè)位置時(shí)，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常工作狀態(tài)。</p><p>　?。?）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。</p><p>　　（3）當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無(wú)人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。</p><p>　　根據(jù)上面的功能要求以及前面所有電路，設(shè)計(jì)的邏輯控制電路如圖3-9所示。<

26、/p><p>　　圖3- 9相關(guān)邏輯控制電路</p><p>　　圖3-9中，U2:B、U2:C、U2:D的三個(gè)與非門通過(guò)反演律組成一個(gè)或門（5、9腳懸空即為高電平）。U12:C、U12:D、U16:A的功能與前面相同。</p><p><b>　　反演規(guī)則：</b></p><p>　　i.變換時(shí)應(yīng)保持原函數(shù)運(yùn)算順序不變

27、。</p><p>　　ii.變換運(yùn)算符號(hào)的優(yōu)先順序，遵循 “先進(jìn)行括號(hào)里的運(yùn)算變換，再進(jìn)行邏輯乘的運(yùn)算變換，最后進(jìn)行邏輯加的運(yùn)算變換”。</p><p>　　iii.不屬于單個(gè)變量上的非號(hào)應(yīng)保留不變。</p><p>　　當(dāng)74LS279輸出的A0、A1、A2有信號(hào)時(shí)，則RBO為高電平，實(shí)現(xiàn)74LS148封鎖輸入。</p><p>　　由圖

28、3-9得邏輯函數(shù)表達(dá)式如下：</p><p>　　RBO=(A0+A1)+A2= A0+A1+A2</p><p>　　TCD4=RBO’= (A0+A1+A2)’</p><p>　　TCD2=(TCD4)(D0) 注：D0在圖3-4中</p><p>　　TCD3=(TCD2)(TCD)</p&

29、gt;<p>　　DCLK=(CLK)(TCD3) 注：CLK在圖3-6中</p><p>　　表3-4函數(shù)RBO與TCD4的真值表</p><p>　　當(dāng)74LS279輸出為零的二進(jìn)制碼，即A0、A1、A2都為0時(shí)，不能使RBO為1，因而不能實(shí)現(xiàn)74LS148封鎖輸入。在本搶答器電路中對(duì)0號(hào)按鈕（搶答選手對(duì)應(yīng)的0號(hào)）做了特殊處理。U15:

30、B中只要TCD3=0則使DCLK不能隨著CLK的變化而變化，74LS192就不會(huì)計(jì)數(shù)。</p><p><b>　　4元器件的使用列表</b></p><p>　　表3-5元器件清單</p><p><b>　　5仿真結(jié)果</b></p><p>　　仿真效果良好，完成所有設(shè)計(jì)要求。Proteus

31、 ISIS 7.8電路仿真原理圖如附錄所示。</p><p><b>　　6 設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我確實(shí)學(xué)習(xí)了很多知識(shí)，真正的感受到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，以及這之間莫大區(qū)別，到最后看著自己的結(jié)果心里還是感到很欣慰的。</p><p>　　在課程設(shè)計(jì)期間我懂得了怎樣利用網(wǎng)上的資源和圖書館里的資源，通過(guò)網(wǎng)

32、上的資源和圖書館的資源我了解了許多電子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74LS192等。但同時(shí)也暴露出我在知識(shí)上掌握不足等缺點(diǎn)。其次在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中由于我們頻繁的使用電子設(shè)計(jì)軟件如：Proteus等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時(shí)在電腦的電子設(shè)計(jì)和繪圖操作上有了進(jìn)一步提高。</p><p>　　同時(shí)我深刻的體會(huì)到實(shí)際與理論有很大的區(qū)別。在我們學(xué)習(xí)的過(guò)程中不僅考驗(yàn)了我們對(duì)知識(shí)的吸收和掌握，而且也考

33、驗(yàn)了我們的細(xì)心和耐心。特別是在仿真過(guò)程中對(duì)參數(shù)的改進(jìn)和電路圖的查找過(guò)程中，我深有體會(huì)。我認(rèn)為這次實(shí)習(xí)不僅僅學(xué)習(xí)了軟件知識(shí)，還提高了我們專業(yè)素質(zhì)。</p><p>　　完成這次課程設(shè)計(jì)我覺得收獲很多，不但進(jìn)一步掌握了數(shù)電的知識(shí)及相關(guān)專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設(shè)計(jì)能力及動(dòng)手能力。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。理論知識(shí)的不足在這次實(shí)習(xí)中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后更加明確學(xué)習(xí)的方向，可認(rèn)識(shí)到自己的不足，確定自

34、己的目標(biāo)，從而更加努力的學(xué)習(xí)。只有這樣我們才能真正的去掌握它，真正的去運(yùn)用它。</p><p>　　雖然只是初步學(xué)會(huì)了數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)，離真正掌握還有一定距離，但學(xué)習(xí)的這段日子確實(shí)令我收益匪淺，因?yàn)槲矣袑W(xué)到了課本以外的很多知識(shí)，還鍛煉了自己的動(dòng)手能力。</p><p>　　作為一個(gè)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，我深刻體會(huì)到課程設(shè)計(jì)的重要性。我以后會(huì)更加注重這方面能力的培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)好理論知識(shí)

35、的同時(shí)加強(qiáng)時(shí)間能力。</p><p>　　很高興有這樣一個(gè)鍛煉、提高自己的機(jī)會(huì)。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]閻石，《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，高等教育出版社</p><p>　　[2]童詩(shī)白華成英，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，高等教育出版社</p><p>　　

36、[3]彭介華，《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 ，高等教育出版社</p><p>　　[4]李海，《74系列芯片手冊(cè)》，重慶大學(xué)出版社</p><p>　　[5]朱清慧張鳳蕊翟天嵩王志奎，《Proteus教程》，清華出版社</p><p>　　[6]邱關(guān)源 羅先覺，《電路》，高等教育出版社</p><p><b>　　附錄：</