四路數(shù)字搶答器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p><b>　　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?</b></p><p>　　二、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容4</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)及原理5</b></p&

2、gt;<p>　　3.1 總體方案設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1.1 設(shè)計(jì)思路5</p><p>　　3.1.2 總電路框圖5</p><p>　　3.2 各模塊設(shè)計(jì)方案及原理說明6</p><p>　　3.2.1 搶答電路6</p><p>　　3.2.2 倒計(jì)時(shí)電路9</p>

3、;<p>　　四、實(shí)驗(yàn)小結(jié)·.............................................................................................................12</p><p>　　五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析12</p><p>　　六、收獲、體會和建議22</p>

4、<p><b>　　附錄14</b></p><p><b>　　1.總電路圖14</b></p><p>　　2. 元件引腳圖15</p><p>　　3.元器件清單17</p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)18</b></p><

5、p><b>　　摘要</b></p><p>　　搶答器作為一種工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。本設(shè)計(jì)以四路智力競賽搶答器為基本概念，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),用數(shù)字、模擬電子器件設(shè)計(jì)具有擴(kuò)充功能的搶答器。該搶答器的設(shè)計(jì)利用Multisim11完成了原理圖設(shè)計(jì)和電路仿真，具有數(shù)字顯示、計(jì)時(shí)顯示、編碼譯碼功能，應(yīng)用效果良好。</p><p>　　關(guān)鍵詞:　電子設(shè)

6、計(jì)；數(shù)字電子技術(shù)；搶答器；仿真</p><p><b>　　四路數(shù)字搶答器</b></p><p><b>　　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　通過四路數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生回顧所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握組合電路、時(shí)序電路、編程器件和任意集成電路的綜合使用及設(shè)計(jì)方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸

7、發(fā)器、計(jì)數(shù)器、單脈沖觸發(fā)器、555電路、譯碼/驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用方法，熟悉掌握時(shí)序電路的設(shè)計(jì)方法。達(dá)到數(shù)字實(shí)驗(yàn)課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容</b></p><p>　　四人搶答器，每人一個(gè)搶答按鈕，并顯示搶答者臺號。</p><p>　　主持人功能：發(fā)出搶答指令，系統(tǒng)清零，預(yù)置限時(shí)時(shí)間。</p

8、><p>　　電路具有時(shí)間顯示功能和限時(shí)功能。在限時(shí)內(nèi)，有人搶答，顯示電路停止工作。若限時(shí)時(shí)間到，未有搶答，也停止工作。</p><p>　　聲響功能：當(dāng)發(fā)出搶答信號或限時(shí)時(shí)間到，發(fā)出持續(xù)2～3秒的單音或雙音音響以作提示。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)及原理</b></p><p>　　3.1 總體方案設(shè)計(jì)</

9、p><p>　　3.1.1 設(shè)計(jì)思路</p><p>　　①本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可選擇使用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時(shí)還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。</p><p>　?、诋?dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶

10、答者的組別。</p><p>　?、墼谥鞒秩藳]有按下開始搶答按鈕前，參賽者的搶答開關(guān)無效；當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，此時(shí)，若有組別搶答，顯示該組別并使搶答指示停止表示“已有人搶答”并且蜂鳴器響；當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到，仍無組別搶答，則計(jì)時(shí)指示停止表示“時(shí)間已到”，此時(shí)蜂鳴器響。主持人清零后開始新一輪搶答。、</p><p>　　3.1.2 總電路框圖</p><p>　　圖

11、 3-1總電路框圖</p><p>　　3.2 各模塊設(shè)計(jì)方案及原理說明</p><p>　　3.2.1 搶答電路</p><p>　　此部分電路主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)4路選手搶答并進(jìn)行鎖存，同時(shí)有相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和數(shù)碼顯示。</p><p>　　使用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS297 來完成。該電路主要完成兩個(gè)功能：一是分

12、辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?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(guān)S 置于"清除"端時(shí)，RS 觸發(fā)器的 R、S 端均為0，4 個(gè)觸發(fā)器輸出置0，使74LS148 的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端＝ 0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S 置于"開始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時(shí)（如按下S1），74LS14

13、8 的輸出經(jīng)RS 鎖存后，CTR=1,RBO =1, 七段顯示電路74LS48 處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=001,經(jīng)譯碼顯示為“1”。此外，CTR ＝1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端＝１，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí)，74LS148 的 此時(shí)由于仍為CTR＝1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端＝1， 1 所以74LS148 仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時(shí)輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。只要有一組選手先按下?lián)尨?/p>

14、器，就會將編碼器鎖死，不再對其他組進(jìn)行編碼。通過74LS48譯碼</p><p>　　圖 3-2 搶答模塊原理圖</p><p><b>　　RS觸發(fā)器：</b></p><p>　　1. 保持狀態(tài)。當(dāng)輸入端接入==1的電平時(shí)，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)=1、=0，則觸發(fā)器次態(tài)=1、=0；若基本SR觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)=0、=1，則觸發(fā)器次態(tài)=0、=1。

15、即==1時(shí)，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。</p><p>　　2. 置0狀態(tài)。當(dāng)=1，=0時(shí)，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=1、=0，因=0，會使=1，而=1與=1共同作用使端翻轉(zhuǎn)為0；如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，同理會使=0，=1。只要輸入信號=1，=0，無論基本SR觸發(fā)器的輸出現(xiàn)態(tài)如何，均會使輸出次態(tài)置為0態(tài)。</p><p>　　3. 置1狀態(tài)。當(dāng)=0、=1時(shí)，如果觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=

16、1，因=0，會使G1的輸出端次態(tài)翻轉(zhuǎn)為1，而=1和=1共同使G2的輸出端=0；同理當(dāng)=1、=0，也會使觸發(fā)器的次態(tài)輸出為=1、=0；只要=0、=1，無論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)如何，均會將觸發(fā)器置1。</p><p>　　4. 不定狀態(tài)。當(dāng)==0時(shí)，無論觸發(fā)器的原狀態(tài)如何，均會使=1，=1。當(dāng)脈沖去掉后，和同時(shí)恢復(fù)高電平后，觸發(fā)器的新狀態(tài)要看G1 和G2兩個(gè)門翻轉(zhuǎn)速度快慢，所以稱==0是不定狀態(tài)，在實(shí)際電路中要避免此狀態(tài)出現(xiàn)。

17、基本RS觸發(fā)器的邏輯圖、邏輯符號和波形圖如圖1-7所示。</p><p>　?。╝）邏輯圖 (b) 邏輯符號 (c) 波形圖</p><p>　　圖 3-3 基本SR觸發(fā)器</p><p>　　表 3-1 74LS148真值表</p><p>　　4LS148的輸入端和輸出端低電平有

18、效。~是輸入信號，~為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，＝1時(shí)，編碼器禁止編碼，當(dāng)＝0時(shí)，允許編碼。是技能輸出端，只有在＝0，而~均無編碼輸入信號時(shí)為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在＝0而~的其中之一有信號時(shí)，＝0。~各輸入端的優(yōu)先順序?yàn)椋杭墑e最高，級別最低。如果＝0（有信號），則其它輸入端即使有輸入信號，均不起作用，此時(shí)輸出只按編碼，＝000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有多個(gè)外設(shè)申請中斷時(shí)，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級別高的設(shè)備先編碼</p

19、><p>　　二進(jìn)制譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應(yīng)輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有n位，代碼組合就有2n個(gè)，當(dāng)然可譯出2n個(gè)輸出信號。</p><p>　　顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動(dòng)七段字形的七個(gè)信號，常見產(chǎn)品型號有74LS48、74LS47等。</p><p>　　字符顯示器：分

20、段式顯示是將字符由分布在同一平面上的若干段發(fā)光筆劃組成。電子計(jì)算器，數(shù)字萬用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而LED數(shù)碼顯示器是最常見的。通常有紅、綠、黃等顏色。LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.5~3V，驅(qū)動(dòng)電流為幾十毫安。圖1-3是七段LED數(shù)碼管的引線圖和顯示數(shù)字情況。74LS47譯碼驅(qū)動(dòng)器輸出是低電平有效，所以配接的數(shù)碼管須采用共陽極接法；而74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。數(shù)碼管常用

21、型號有BS201、BS202等。圖1-4（a）是共陰式LED數(shù)碼管的原理圖，使用時(shí)，公陰極接地，7個(gè)陽極a~g由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動(dòng)。 </p><p>　　3.2.2 倒計(jì)時(shí)電路</p><p>　　該電路完成兩個(gè)功能：一是進(jìn)行計(jì)時(shí)，二是設(shè)定計(jì)時(shí)時(shí)間為30秒（脈沖信號的頻率為1Hz）。</p><p>　　由節(jié)目主持人設(shè)定一次搶答的時(shí)間（本方案中以30秒為

22、例），計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供?？深A(yù)置時(shí)間的電路選用十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體電路如圖3所示。開關(guān)S3合上，此時(shí)計(jì)數(shù)器清零，開關(guān)S3斷開，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。</p><p>　　74LS192的功能真值表：</p><p>　　CLR LOAD UP DOWND3D2D1D0Q3Q2Q1Q0</p><p>　　1

23、 ×× × ××××0000</p><p>　　0 0 × ↑ </p><p>　　0 1 ↑ 1 ××××加法計(jì)數(shù)</p><p>　　0 1 1

24、↑ ××××減法計(jì)數(shù)</p><p>　　0 1 1 1 ××××保持</p><p>　　從表可見： </p><p>　?、?CLR是清零端，且高電平有效。</

25、p><p>　　②UP 和DOWN是兩個(gè)時(shí)鐘脈沖，當(dāng)LOAD置1時(shí)，時(shí)鐘脈沖由UP端接入，且DOWN輸入高電平時(shí)74LS192處于加法計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)LOAD置1時(shí)時(shí)鐘脈沖從DOWN端輸入，且UP輸入高電平時(shí)，74LS192處于減法計(jì)數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　③CO是進(jìn)位端，BO是借位端。</p><p>　　當(dāng)60秒時(shí)間到時(shí)，Qb和Qc輸出為高電平1，經(jīng)過與非門U9

26、A后輸出低電平0，此低電平0與時(shí)鐘脈沖經(jīng)過與門U11A輸出低電平0使計(jì)時(shí)器停止工作。</p><p>　　由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖4所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其輸出信號經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時(shí)，多諧振蕩器工作，反之，電停振。</p><p>　　555的引腳對應(yīng)的關(guān)系為：</p>

27、<p>　　RST—復(fù)位，DIS—放電，THR—閥值，TRI—觸發(fā)，</p><p>　　CON—控制電壓，OUT—輸出；</p><p>　　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74LS192 減法計(jì)數(shù)電路、74LS48 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)，到0s時(shí)倒計(jì)時(shí)指示燈亮。

28、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)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，控制報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)以后選手搶答無效。 &

29、lt;/p><p>　　由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成報(bào)警電路。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo＝ 1.43／［（RI＋2R2）C］，其輸出信號經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時(shí)，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。</p><p>　　控制輸入信號為經(jīng)過編碼的搶答選手的信號，當(dāng)有人在有效時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，定時(shí)時(shí)間到時(shí)無人搶答時(shí)，輸入信號為高電平，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號；反之，輸入信

30、號為低電平時(shí)，報(bào)警器不工作。</p><p><b>　　四、實(shí)驗(yàn)小結(jié)</b></p><p>　　該搶答器實(shí)現(xiàn)的功能有：四人搶答器，每人一個(gè)搶答按鈕，并顯示搶答者臺號。</p><p>　　主持人功能：發(fā)出搶答指令，系統(tǒng)清零，預(yù)置限時(shí)時(shí)間。（30或60秒）</p><p>　　電路具有時(shí)間顯示功能和限時(shí)功能。在限時(shí)內(nèi)，

31、有人搶答，顯示電路停止工作。若限時(shí)時(shí)間到，未有搶答，也停止工作。</p><p>　　聲響功能：當(dāng)發(fā)出搶答信號或限時(shí)時(shí)間到，發(fā)出持續(xù)2～3秒的單音或雙音音響以作提示。</p><p>　　五、收獲、體會和建議</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)的電路是比較復(fù)雜的。雖然以前在模電中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸multisim軟件，熟練以

32、后十分順手。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，最后還是在通多次對電路的改進(jìn)，上機(jī)仿真以及接線調(diào)試，終于使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)過程中，我深刻的體會到在設(shè)計(jì)過程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過程很可能相當(dāng)煩瑣，有時(shí)花很長時(shí)間設(shè)計(jì)出來的電路還是需要重做，那時(shí)心中未免有點(diǎn)灰心，有時(shí)還特別想放棄，此時(shí)更加需要靜下心，查找原因。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你

33、的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，為我們設(shè)計(jì)的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　設(shè)計(jì)單元電路階段，這個(gè)階段可以說是考察數(shù)電書本知識的階段。所有的設(shè)計(jì)方法還有步驟在數(shù)電書上都有，而且還有例題。這個(gè)階段遇到的主要問題就是以前的知識忘記不少，所以做設(shè)計(jì)的時(shí)候要常隨手翻閱課本，等于是做了幾道數(shù)電作業(yè)題。這個(gè)階段的難度也不是很大，一般翻課本就可以找到

34、答案并解決問題。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)階段可以說是這次設(shè)計(jì)中最重要的部分，因?yàn)橐郧暗闹皇抢碚摱皇钦嬲膶?shí)體。所以說它是最重要的。實(shí)驗(yàn)階段我們遇到的問題有：對軟件不熟悉；對實(shí)驗(yàn)過程中信號的測量知識學(xué)習(xí)很少；因?yàn)楦鱾€(gè)模塊是分開做而后又組裝到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合為一個(gè)整體，部分工作能行但是接到一起就會出現(xiàn)問題）;針對以上幾個(gè)問題我們作出了以下的“對策”:軟件不熟悉，就借來參考書，一步一步的對

35、著學(xué)，而且老師給的資料上也有軟件的使用說明，所以隨著接觸的增加軟件也就越來越熟悉，這方面的問題不是太難因?yàn)橐贿吚碚撘贿厡W(xué)習(xí)正好是學(xué)習(xí)的好方法，而且也學(xué)的特別快。</p><p>　　制作過程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，電路的焊接要一步一步來，焊點(diǎn)多，走線復(fù)雜。這又要我們要靈活處理，一邊操作一邊構(gòu)思，在不影響試驗(yàn)的前提下加快進(jìn)度。</p><p>　　另外就是要熟練地掌握課本上

36、的知識，這樣才能對試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。這是應(yīng)用課本知識的大好時(shí)機(jī)。</p><p>　　總之，通過這次練習(xí)我有了很多收獲。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增強(qiáng)了動(dòng)手能力。在改進(jìn)電路的過程中，同學(xué)們共同探討，最后的電路已經(jīng)比初期設(shè)計(jì)有了很大提高。在讓我體會到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時(shí)，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。</p><p><b

37、>　　附錄</b></p><p><b>　　1.總電路圖</b></p><p><b>　　元件引腳圖</b></p><p><b>　　3.元器件清單</b></p><p>　　5V共陰數(shù)碼管 5個(gè)</p><p>　　譯碼

38、器74LS48 5個(gè)</p><p>　　RS觸發(fā)器 74LS279 2個(gè)</p><p>　　優(yōu)先編碼器74LS148 1個(gè)</p><p>　　可逆計(jì)數(shù)器74LS192 4個(gè)</p><p><b>　　555定時(shí)器 3個(gè)</b></p><p>　　2輸入與門74LS08 3個(gè)</p&

39、gt;<p>　　非門74LS00 2個(gè)</p><p><b>　　電阻若干個(gè)</b></p><p><b>　　發(fā)光二極管 2個(gè)</b></p><p><b>　　觸點(diǎn)開關(guān)4個(gè)</b></p><p><b>　　單刀雙擲開關(guān) 1個(gè)</b&

40、gt;</p><p>　　10μF電解電容 1個(gè)</p><p>　　0.01μF瓷片電容 1個(gè)</p><p><b>　　導(dǎo)線 若干</b></p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 范文兵 清華大學(xué)出版社 2007&l

41、t;/p><p>　　《數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)（第三版）》 王毓銀 高等教育出版社 2005</p><p>　　《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》 崔葛瑾 同濟(jì)大學(xué)出版社 2005</p><p>　　《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》 呂思忠、施齊云 哈爾濱工程大學(xué)出版社 2001</p><p>　　《電子線路 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 測試（第三版）》 謝自美 華中科技大學(xué)出版社