數電課程設計---8路智力競賽搶答器

1、<p><b>　　機械與電氣工程學院</b></p><p><b>　　《數字電子技術》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學

2、 號： </b></p><p><b>　　班 級： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　8路智力競賽搶答器</b></p><p><b>　　1 設計任務與要求</b><

3、;/p><p><b>　　1.1基本功能</b></p><p>　　（1）設計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽，其編號分別是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>　?。?）給節(jié)目主持人設置一個控制開關，用來控

4、制系統(tǒng)的清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　?。?）搶答器具有數據鎖存和顯示功能。搶答開始，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數碼管上顯示選手的編號，同時揚聲器發(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—直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p><b>　　1.2 擴展功能</b></p

5、><p>　?。?）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間長度可以由主持人設定（如30 s）。當節(jié)目主持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示，同時揚聲器發(fā)出短暫的音響，音響持續(xù)時間為0.5 s左右。</p><p>　?。?）參賽選手在設定的時間內搶答，搶答有效；有效搶答結束定時器停止工作．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

6、><p>　?。?）如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后做無效搶答，時間顯示器上顯示00。</p><p><b>　　2 設計原理</b></p><p>　　定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時

7、，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答；擴展電路完成定時搶答的功能。</p><p>　　圖1- 1定時器總體框圖 </p><p>　　圖1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設定的時間；當節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時將控制開關撥到“開始”位置，揚聲器發(fā)

8、出音響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時開始。當定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手在超時后搶答。當選手在定時時間內按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作：</p><p>　?。?）優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼電路顯示編號；</p><p>　　揚聲器發(fā)出短暫音響，提醒節(jié)目主持人注意。</p><p

9、>　　（2）控制電路要對輸人編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答。</p><p>　?。?）控制電路要使定時器停止工作，時間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。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關．使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下—輪搶答。</p><p><b>　　3 電路設計</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：—是能分辨選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。</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74LS573可以一次性鎖存八個信號輸入的功能，將八個搶答的信號送給它2~9的八個輸入管腳，再將它19~12的八個管腳接74LS148的優(yōu)先編碼信號輸入的八個管腳，最后通過優(yōu)先編碼器的GS端經相應門電路處理后接鎖存器的鎖存端進行鎖存。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：當主持人的控制開關處于“清除”位置時，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)，此時鎖存電路不工作。當主持人將開關撥到“開始”位置時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端、··· 、輸人信號。當有選手將鍵按下時（如按下S5，74LS148的輸出＝000，＝0，經RS鎖存器后，CTR＝1，B＝1，74LS279處于工作狀態(tài)； 4Q3Q2Q＝101，經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不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準確性。當優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關S，使搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。</p><p><b>　　最終方

15、案：</b></p><p>　　經過對比以上兩種搶答電路，我們最終選擇實驗室有所有現成芯片方案二（在最后的方案里對方案二也進行了修改）。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絡標號，如“RBO”、“A0” 、“A1” 、“A2”等。</p><p>　　完整電路原理圖請看附錄。</p><p>　　圖3- 3搶答電路

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

17、t;p>　　圖3-4中的8個按鈕現實中用1個八位撥碼開關代替，簡化材料的同時又更加貼近真實搶答過程中選手會一直按著按鈕的這種情況的模擬。如果電路中再增加一個74LS83到優(yōu)先編碼器與顯示譯碼器之間，實現二進制碼的加一操作可以使數碼管從1~8數碼的顯示可更加貼近真實搶答中的顯示內容，同時可以去掉圖3-4中的與門。本電路中的與門為對搶答時“0”信號的特殊處理，避免搶答時“0”號按鈕按下而數碼管中不顯示“0”的情況。</p>

18、<p>　　74LS148是有八個輸入端，三個輸出端的優(yōu)先編碼器，它的功能是判斷搶答選手的編號。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，用以驅動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設有多個輔助控制端，以增強器件的功能。七段顯示譯碼器一般與七段數碼顯示器相連，共同構成四輸入

19、端的數碼顯示電路。共陰極數碼顯示器的功能表如表3-2所示</p><p>　　表3-2共陰極數碼顯示器的功能表</p><p><b>　　3.2 定時電路</b></p><p>　　節(jié)目主持人根據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間長度，通過預置時間電路對計數器進行預置。主持人按鍵電路如圖3-7所示?，F選用十進制同步加／減計數器74LS1

20、92進行設計，計數器的時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定時器減計數電路</p><p>　　在現實調試中兩個74LS192的第5管腳同時接5V高電平才能使計數器正常減計數。不然會發(fā)生無法借位的情況。</p><p>　　圖3-5中74LS192輸入所用的“0”、“1”的邏輯開關，在實際電路中使用一側接地的

21、撥碼開關代替。撥碼開關導通時，輸入為“0”；撥碼開關斷開時，輸入為“1”（TTL懸空的輸入默認為高電平）。</p><p>　　表3-474LS192的功能表</p><p>　　圖3- 6定時器1秒脈沖發(fā)生電路</p><p>　　555定時器構成一個多諧振蕩器，產生一個周期接近1秒方波信號從第3管腳輸出。而接一個與非門是為了對方波信號整型。555定時器的振蕩

22、頻率計算公式為：</p><p>　　圖3-6中R11=15K，R12=68K，C2=10uF帶入公式得：</p><p>　　由以上計算得555電路產生的方波周期約為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，而每個搶答按鈕與提示開始搶答的信號距離不一定相等，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象。即圖3-7中D3燈滅時，選手開始搶答，同時圖3-5中數碼管顯示每秒減一個數字，直到顯示為零。</p><p><b>　　3.3 報警電路</b></p><p>　　本電路采用較為經典的蜂鳴器控制電路。當TCD3接收到低電平，PNP的三極管Q2（本電路中使用8550）飽和導通，則蜂鳴器發(fā)出聲音；

24、當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聲音報警電路</p><p>　　3.4 相關邏輯電路</p><p>　　邏輯控制電路是搶答器設計的關鍵。它要完成以下三項功能：</p><p>　?。?）主持人將控制開關SW1撥到圖3-7顯示的狀態(tài)為定時器減計數電路置數，也是搶答器總復位狀態(tài)

25、。當控制開關SW1撥到另一個位置時，搶答電路和定時電路進人正常工作狀態(tài)。</p><p>　?。?）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>　?。?）當設定的搶答時間到，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>　　根據上面的功能要求以及前面所有電路，設計的邏輯控制電路如圖3-9所示。<

26、/p><p>　　圖3- 9相關邏輯控制電路</p><p>　　圖3-9中，U2:B、U2:C、U2:D的三個與非門通過反演律組成一個或門（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.變換時應保持原函數運算順序不變

27、。</p><p>　　ii.變換運算符號的優(yōu)先順序，遵循 “先進行括號里的運算變換，再進行邏輯乘的運算變換，最后進行邏輯加的運算變換”。</p><p>　　iii.不屬于單個變量上的非號應保留不變。</p><p>　　當74LS279輸出的A0、A1、A2有信號時，則RBO為高電平，實現74LS148封鎖輸入。</p><p>　　由圖

28、3-9得邏輯函數表達式如下：</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RBO與TCD4的真值表</p><p>　　當74LS279輸出為零的二進制碼，即A0、A1、A2都為0時，不能使RBO為1，因而不能實現74LS148封鎖輸入。在本搶答器電路中對0號按鈕（搶答選手對應的0號）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就不會計數。</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仿真結果</b></p><p>　　仿真效果良好，完成所有設計要求。Proteus

31、 ISIS 7.8電路仿真原理圖如附錄所示。</p><p><b>　　6 設計體會</b></p><p>　　經過這次課程設計的學習，我確實學習了很多知識，真正的感受到了理論聯系實際的重要性，以及這之間莫大區(qū)別，到最后看著自己的結果心里還是感到很欣慰的。</p><p>　　在課程設計期間我懂得了怎樣利用網上的資源和圖書館里的資源，通過網

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。但同時也暴露出我在知識上掌握不足等缺點。其次在此次設計過程中由于我們頻繁的使用電子設計軟件如：Proteus等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時在電腦的電子設計和繪圖操作上有了進一步提高。</p><p>　　同時我深刻的體會到實際與理論有很大的區(qū)別。在我們學習的過程中不僅考驗了我們對知識的吸收和掌握，而且也考

33、驗了我們的細心和耐心。特別是在仿真過程中對參數的改進和電路圖的查找過程中，我深有體會。我認為這次實習不僅僅學習了軟件知識，還提高了我們專業(yè)素質。</p><p>　　完成這次課程設計我覺得收獲很多，不但進一步掌握了數電的知識及相關專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設計能力及動手能力。實踐是檢驗真理的唯一標準。理論知識的不足在這次實習中表現的很明顯。這將有助于我今后更加明確學習的方向，可認識到自己的不足，確定自

34、己的目標，從而更加努力的學習。只有這樣我們才能真正的去掌握它，真正的去運用它。</p><p>　　雖然只是初步學會了數字搶答器的設計，離真正掌握還有一定距離，但學習的這段日子確實令我收益匪淺，因為我有學到了課本以外的很多知識，還鍛煉了自己的動手能力。</p><p>　　作為一個電氣工程及其自動化專業(yè)的學生，我深刻體會到課程設計的重要性。我以后會更加注重這方面能力的培養(yǎng)，在學習好理論知識

35、的同時加強時間能力。</p><p>　　很高興有這樣一個鍛煉、提高自己的機會。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]閻石，《數字電子技術基礎》，高等教育出版社</p><p>　　[2]童詩白華成英，《模擬電子技術基礎》，高等教育出版社</p><p>　　

36、[3]彭介華，《電子技術課程設計指導》 ，高等教育出版社</p><p>　　[4]李海，《74系列芯片手冊》，重慶大學出版社</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]邱關源 羅先覺，《電路》，高等教育出版社</p><p><b>　　附錄：</