數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)-智力競(jìng)賽搶答器

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在各種智力競(jìng)賽場(chǎng)合，搶答器是必不可少的最公正的用具。</p><p>　　通過本學(xué)年的《數(shù)字電路技術(shù)》的學(xué)習(xí)我們知道了它的原理其實(shí)是比較簡(jiǎn)單的，主要就是通過四D觸發(fā)器74LS175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng)控制選手的搶答情況，再通過邏輯電路將輸入開關(guān)、脈沖及輸出LED燈、數(shù)碼管和揚(yáng)聲器連接起來即可。 電路

2、由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成，主體電路主要由74LS175，即4D觸發(fā)器來構(gòu)成搶答鎖存器，由主持人來控制74LS175的清零端。當(dāng)清零端為高電平“1”時(shí)，選手開始搶答，最先按鍵的選手相應(yīng)的LED發(fā)光二極管發(fā)光，并且揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時(shí)，由3個(gè)Q及門電路組成的鎖存電路來控制其他選手再按鍵時(shí)不再起作用。 擴(kuò)展電路主要包括秒脈沖發(fā)生電路和定時(shí)電路，并且在設(shè)計(jì)中加入了報(bào)警電路，以提示選手和觀眾。</p><p>　　經(jīng)

3、Proteus仿真軟件驗(yàn)證搶答器原理圖無誤，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三人智力競(jìng)賽搶答器、74LS175、脈沖、鎖存器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3</p><p>　　2 設(shè)定系統(tǒng)方案3</p><p>　　3單

4、元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇4</p><p>　　3.1 搶答電路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.2 定時(shí)電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　4完整的電路圖及電路的工作原理10</p><p>　　4.1完整電路圖10</p><p>　　4

5、.2 工作原理10</p><p><b>　　5 心得體會(huì)11</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　附錄13</b></p><p><b>　　三人智力競(jìng)賽搶答器</b></p>

6、<p><b>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)一個(gè)供三人參賽的搶答器，能準(zhǔn)確分辨、記錄第一個(gè)有效按下?lián)尨疰I者，稍后的其他人按下開關(guān)則無效。搶答器具有顯示功能，即選手按動(dòng)按鈕，相應(yīng)的LED發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。 </p><p>　?。?）主持人沒有宣布搶答開始時(shí)，搶答不起作用。主持人宣布搶答開始時(shí)，按“開始”鍵，

7、搶答開始，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)；</p><p>　?。?）計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)采用倒計(jì)數(shù)的方式，以加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)氣氛，增加緊迫感。若預(yù)定時(shí)間內(nèi)無人搶答，自動(dòng)給出信號(hào)停止搶答，以免冷場(chǎng)。倒計(jì)數(shù)定時(shí)器的時(shí)間可以隨意預(yù)置；電路具有回答問題時(shí)間控制功能，要求回答時(shí)間小于等于100秒（顯示為99到0），當(dāng)達(dá)到限定時(shí)間時(shí)，發(fā)出聲響以示警告。</p><p><b>　　2 設(shè)定系統(tǒng)方案</b>&

8、lt;/p><p>　　電路大致可以由四個(gè)功能模塊組成：以4D觸發(fā)器74LS175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng)電路部分，脈沖產(chǎn)生電路部分，倒計(jì)時(shí)顯示電路部分，報(bào)警電路部分。在4D觸發(fā)器構(gòu)成的搶答鎖存器中，由主持人來控制74LS175的清零端。當(dāng)清零端為高電平“1”時(shí)，選手開始搶答，最先按鍵的選手相應(yīng)的LED發(fā)光二極管發(fā)光，并且揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時(shí)，由三個(gè)非Q及門電路組成的鎖存電路來控制其他選手再按鍵時(shí)不再起作用，這時(shí)搶答無

9、效。</p><p>　　在脈沖產(chǎn)生電路部分中，用555定時(shí)器予以實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值最后得到符合要求的脈沖，因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變電阻電容微調(diào)頻率，取代了用分頻器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分頻，從而使電路簡(jiǎn)單了。</p><p>　　在倒計(jì)時(shí)顯示電路部分中，由計(jì)數(shù)器74LS192，數(shù)碼管顯示器組成。利用74LS192計(jì)數(shù)器作為倒計(jì)時(shí)的芯片，當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢粹o時(shí)，74LS192被置初始值，搶答時(shí)間開始

10、倒計(jì)時(shí)，并通過74LS48編碼器將即時(shí)時(shí)間進(jìn)行編碼，并送到數(shù)碼管，顯示此時(shí)的時(shí)間。假如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無人搶答，即搶答時(shí)間為0時(shí)，則計(jì)數(shù)器停止倒計(jì)時(shí)，將鎖存器鎖存，禁止選手搶答，搶答時(shí)間數(shù)碼管顯示為0，蜂鳴器鳴叫一秒；假如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有人搶答，則計(jì)數(shù)器停止倒計(jì)時(shí)，將鎖存器鎖存，禁止選手搶答，搶答時(shí)間停止倒計(jì)時(shí)，蜂鳴器鳴叫0.5秒，與此同時(shí)，回答時(shí)間開始倒計(jì)時(shí)，并通過74LS48編碼器將即時(shí)時(shí)間進(jìn)行編碼，并送到數(shù)碼管，顯示此時(shí)的時(shí)間，若規(guī)定時(shí)

11、間內(nèi)選手沒有回答完，則計(jì)數(shù)器停止倒計(jì)時(shí)，回答時(shí)間數(shù)碼管顯示為0，蜂鳴器鳴叫一秒。</p><p>　　在報(bào)警電路部分中，由555定時(shí)器和電阻電容接合成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生所需要的脈沖，然后接入蜂鳴器構(gòu)成。</p><p>　　3單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇</p><p>　　3.1 搶答電路設(shè)計(jì)</p><p>　　搶答電路的功能有兩個(gè)：一

12、是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，用LED發(fā)光二級(jí)管顯示表示；二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此，選用4D觸發(fā)器74LS175、四輸入端與非門74LS20和六組反相器74LS04以及LED燈顯示電路完成上述功能。</p><p>　　74LS175是常用的四上升沿D觸發(fā)器集成電路，里面含有4組D觸發(fā)器，可以用來構(gòu)成寄存器，搶答器等功能部件。當(dāng)清除端MR為低電平時(shí)，輸出端Q為低電平。在時(shí)鐘CP上

13、升沿作用下，Q與數(shù)據(jù)端D相一致。當(dāng)CP為高電平或低電平時(shí)，D對(duì)Q沒影響。其引腳圖及真值表如下圖所示。</p><p>　　圖1 74LS175的引腳圖</p><p>　　表1 74LS175真值表</p><p>　　根據(jù)各芯片功能及搶答器的功能要求，搶答器電路如下所示</p><p><b>　　圖2 搶答器電路<

14、/b></p><p>　　工作原理：圖2三個(gè)按鈕為三位選手的搶答開關(guān)，單刀開關(guān)為主持人控制開關(guān)。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于清零狀態(tài)，即閉合時(shí)，清除端MR為低電平，輸出端Q為低電平，于是LED燈滅，此時(shí)搶答電路不工作。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于開始狀態(tài)，MR為高電平，74LS175的Q經(jīng)四輸入與非門(U3:A)輸出接入到搶答按鈕左邊的公共端，按鈕右邊經(jīng)反相器接到74LS175的輸入端D，并且同時(shí)接到四輸入與非門（U3：

15、B)，再經(jīng)兩個(gè)反相器延時(shí)接到74LS175的時(shí)鐘CLK端，搶答器處于等待工作狀態(tài)。 </p><p>　　若有選手（假設(shè)為1號(hào)選手）按動(dòng)搶答開關(guān)（即按下按鈕①瞬間），此時(shí)74LS175的輸入端D0為高電平，74LS175的時(shí)鐘CLK由低電平變?yōu)楦唠娖剑谏仙氐淖饔孟?，輸出端Q0與輸入端D0一致，即為高電平，1號(hào)對(duì)應(yīng)的LED燈亮。同時(shí)，由于Q0為低電平，與非門（U3：A）輸出為高電平，將按鈕的公共端變?yōu)楦唠娖?，?/p>

16、此時(shí)按鈕①還處于閉合狀態(tài)，則與非門（U3：B）輸出為低電平，使CLK變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)74LS175處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號(hào)不會(huì)被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。答題結(jié)束后，主持人開關(guān)置于清零狀態(tài)，LED燈滅，一但恢復(fù)初始狀態(tài)，以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.2 定時(shí)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)要求搶答器具有定時(shí)功能，且節(jié)目主持人

17、根據(jù)搶答題的難易程度，可設(shè)定一次搶答的時(shí)間（設(shè)為10s）和回答的時(shí)間（設(shè)為60秒）。設(shè)計(jì)中選用十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，74LS192是具有置數(shù)和清零功能，其引腳圖和邏輯圖如圖4所示，功能表如表2所示。</p><p>　　圖3 74LS192引腳圖和邏輯圖</p><p>　　P0、P1、P2、P3——置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；</p><p>　

18、　Q0、Q1、Q2、Q3——計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　MR————————清零端；</p><p>　　PL————————置數(shù)端；</p><p>　　CPU ———————加法計(jì)數(shù)CP輸入；</p><p>　　CPD ——————減法計(jì)數(shù)CP輸入；</p><p>　　TCU ———————進(jìn)位輸出端；

19、</p><p>　　TCD ———————借位輸出端。</p><p>　　表2 74LS192功能表</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要兩片74LS192構(gòu)成100進(jìn)制減計(jì)數(shù)器。由功能真值表可知，只需將個(gè)位74LS192的借位輸出端TCD與十位74LS192的CPD即可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制減計(jì)數(shù)。值得注意的是，要使其實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)，CPU端口必須接高電平。本課程設(shè)

20、計(jì)采用四片74LS192，其中兩片控制搶答時(shí)間，另外兩片控制回答時(shí)間。</p><p>　　計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖5所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號(hào)就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。</p><p>　　因?yàn)橹芷跒橐幻?，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時(shí)間分別是：</p><p>　　t1=R7×C

21、2×ln2≈0.7（R7×C2） </p><p>　　t2=(R6+R7)×C2×ln2≈0.7(R6+R7)C2 </p><p>　　所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R6+R7)C2] </p><p>　　我們采用的電阻和電容值分別是：R6=15KΩ，R7=68KΩ，C

22、2=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。</p><p>　　由以上集成芯片設(shè)計(jì)的定時(shí)電路如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 定時(shí)電路</b></p><p>　　工作原理：首先主持人根據(jù)題的難易程度改變撥碼開關(guān)DSW1-4的狀態(tài)，從而改變74LS192的輸入端D3D2D1D0的電平來確定搶答時(shí)間（假定為10秒）和回答時(shí)間（假定為

23、60秒），555構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路為計(jì)時(shí)電路提供脈沖。搶答開始前主持人閉合開關(guān)，74LS192的置數(shù)端PL為低電平有效，處于置數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時(shí)時(shí)間。搶答開始，主持人打開開關(guān)，搶答計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，555產(chǎn)生的秒脈沖與十位74LS192借位輸出端（其初始狀態(tài)為高電平）以及搶答按鈕公共端的反相信號(hào)相與。計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)至00，十位74LS192借位輸出端為低電平，計(jì)數(shù)器停止工作，產(chǎn)生報(bào)警。計(jì)時(shí)期間有人搶答，搶答減計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，搶答顯

24、示器上顯示此刻時(shí)間，同時(shí)，回答計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)至00，計(jì)數(shù)器停止工作，產(chǎn)生報(bào)警。</p><p><b>　　3.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由555定時(shí)器和電阻電容構(gòu)成的報(bào)警電路如圖6所示。圖中555定時(shí)器用來構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。</p><p>　　圖6 具有微分環(huán)節(jié)的555單穩(wěn)態(tài)電路</p>

25、<p>　　工作原理:由于外界觸發(fā)脈沖Ui加了進(jìn)來，電路Uo由低電平變?yōu)楦唠娖降皆俅巫優(yōu)榈碗娖竭@段時(shí)間就是暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間Tw計(jì)算如下：</p><p>　　顯然，改變定時(shí)元件R或C即可改變延時(shí)時(shí)間Tw。我們采用的電阻和電容值分別是：R=91KΩ，C=10uf, 滿足上式，來產(chǎn)生1秒的延時(shí)時(shí)間；和R=47KΩ，C=10uf,來產(chǎn)生0.5秒的延時(shí)時(shí)間。3端的輸出信號(hào)接揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器為

26、0時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出1秒的聲音；當(dāng)有選手搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的聲音。</p><p>　　4完整的電路圖及電路的工作原理</p><p><b>　　4.1完整電路圖</b></p><p>　　控制電路將搶答、定時(shí)電路進(jìn)行連接后，構(gòu)成了搶答器電路的整體設(shè)計(jì)，總電路圖如圖7所示</p><p><b>　　圖

27、7 完整電路圖</b></p><p><b>　　4.2 工作原理</b></p><p>　　下面介紹四路智力競(jìng)賽搶答器的使用原理。</p><p>　　首先是各個(gè)選手分別對(duì)應(yīng)的按鈕編號(hào)是①、②、③，搶答后選手對(duì)應(yīng)的LED燈被點(diǎn)亮，揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的響聲。</p><p>　　然后是主持人對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)

28、清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為兩路：一路與搶答計(jì)數(shù)器的十位74LS192借位輸出端TCd相與后接到74LS175的清除端MR，當(dāng)搶答計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)至00時(shí)，十位74LS192借位輸出端為低電平，計(jì)數(shù)器停止工作，此時(shí)MR端為低電平，74LS175處于禁止工作狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)預(yù)定時(shí)間內(nèi)無人搶答，自動(dòng)給出信號(hào)停止搶答，并產(chǎn)生報(bào)警；另一路低電平與四個(gè)計(jì)數(shù)器74LS192的PL端相連，使74LS192的置數(shù)端PL為低電平有效，處于置

29、數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時(shí)時(shí)間。</p><p>　　接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時(shí)間和回答時(shí)間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)四個(gè)撥碼開關(guān)，從而改變輸入四片74LS192的四個(gè)輸入端D3、D2、D1、D0的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定搶答時(shí)間為10秒,就將搶答計(jì)數(shù)器十位的74192的D3、D2、D1、D0分別置位為0、0、0、1，而將個(gè)位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0；要設(shè)定回答時(shí)間為60秒,就將回答

30、計(jì)數(shù)器十位的74192的D3、D2、D1、D0分別置位為0、1、1、0，而將個(gè)位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0）。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到搶答計(jì)數(shù)器74LS192的LD端，使其處于高電平而開始減計(jì)數(shù)；還有一路與搶答計(jì)數(shù)器的十位74LS192借位輸出端TCd相與后接到74LS175的清除端MR，使其處于高電平而開始工作。</p>&

31、lt;p>　　當(dāng)任意一個(gè)選手搶答時(shí)，假設(shè)為①號(hào)選手按動(dòng)搶答開關(guān)，此時(shí)74LS175的輸入端D0為高電平，74LS175的時(shí)鐘CLK由低電平變?yōu)楦唠娖?，在上升沿的作用下，輸出端Q0與輸入端D0一致，即為高電平，1號(hào)對(duì)應(yīng)的LED燈亮，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的響聲，并且電路將信號(hào)鎖存，74LS175處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號(hào)不會(huì)被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。答題結(jié)束后，主持人開關(guān)置于清零狀態(tài)，LE

32、D燈滅，一但恢復(fù)初始狀態(tài)，以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。</p><p>　　若到定時(shí)部分搶答計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到00還無選手按動(dòng)按鈕的話，則搶答計(jì)數(shù)器十位74LS192的借位輸出端TCd輸出為低電平，停止計(jì)數(shù)，同時(shí)搶答不起作用，報(bào)警器報(bào)警。若有人搶答，定時(shí)部分回答計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到00還未答完的話，報(bào)警器發(fā)出1秒報(bào)警聲。</p><p>　　綜上所述，所設(shè)計(jì)的電路基本可以實(shí)現(xiàn)要求中的功能。</p&

33、gt;<p><b>　　5 心得體會(huì)</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，不僅使我有效的鞏固了本學(xué)期所學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)，還加深了我對(duì)鎖存器、邏輯電路等的理解。并且在課程設(shè)計(jì)的過程中，我了解并掌握了用Proteus軟件進(jìn)行電路仿真，使我熟練掌握了數(shù)字芯片的性能和使用，這是我在課程設(shè)計(jì)之前沒有想到的。而且，有些知識(shí)看著簡(jiǎn)單，實(shí)際運(yùn)用起來還有一定難度，這促使我在今后的學(xué)

34、習(xí)生活中勤動(dòng)手，勤仿真，將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中來。其次，本次課程設(shè)計(jì)也使我對(duì)數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，例如一個(gè)秒脈沖電路，從芯片的選擇，到電阻電容值得計(jì)算，都要求我們嚴(yán)謹(jǐn)。要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，就要選擇合適的電子元器件，設(shè)計(jì)出符合要求的電路，畢竟課本上的知識(shí)都是抽象的，只有學(xué)以致用，才能真正理解并掌握它。</p><p>　　感謝xx老師這半年來教給我們數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)，帶領(lǐng)我們做了一系列實(shí)驗(yàn)。感謝老

35、師在課程設(shè)計(jì)的過程中給予我們的幫助，感謝研究所的學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐在此期間對(duì)我的支持和鼓勵(lì)。本次課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺，知識(shí)和技能方面都得到了大幅度提升，這都將激勵(lì)我在今后的學(xué)習(xí)生活中勤動(dòng)手、勤實(shí)踐，加強(qiáng)思考和解決問題的能力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.北京：高等教育出版社，2014.</p>

36、;<p>　　[2] 李維，王啟林，李鵬.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì).大連：大連理工大學(xué)出版社，2014.</p><p>　　[3] 李哲英.電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)（數(shù)字部分）.北京：高等教育出版社，2009.</p><p>　　[4] 王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verliog HDL.北京：電子工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[5] 王小海，祁