8路數(shù)字搶答器 課程設計報告

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1、武漢理工大學《八路數(shù)字搶答器》課程設計說明書 學 號： 012080932XXXX 課 程 設 計 題 目 八路數(shù)字搶答器 學 院 信息工程學院 專 業(yè) 通信工程 班 級 通信0803 姓 名 David 指導教師 付琴 2010年 7月 9日 課程設計任務書 學生姓名： David 專業(yè)班級： 通信0803 指導教師： 付琴 工作單位： 信息工程學院 題 目： 八路數(shù)字搶答器

2、 初始條件：要求對數(shù)字電路里555電路的運用有所了解，同時熟悉計數(shù)電路和譯碼電路的運用，還要能夠運用Multisim軟件進行電路的仿真。 要求完成的主要任務: 1． 運用數(shù)字電路設計一個能夠滿足特定要求的八路搶答器 2． 繪制電路原理圖并進行仿真，要求在報告中畫出正確的波形。 3． 按照所畫的原理圖，在仿真的基礎上焊接實物并進行調(diào)試。 時間安排： 編 號 任 務 時 間 1 查資料 、原理圖設計 3天 2 仿真電路并修改 3天 3 實物焊

3、接與調(diào)試 5天 4 報告撰寫 2天 5 答辯 1天 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄 課程設計任務書 2 摘要 4 Abstract 5 一、實驗目的 6 二、設計要求與內(nèi)容 6 三、設計及原理 7 3.1 總體方案設計 7 3.1.1 設計思路 7 3.1.2 總電路框圖 7 3.2 各模塊設計方案及原理說明 8 3.2.1 搶答電路 8 3.2.2

4、倒計時電路 12 四、電路仿真 14 4.1 搶答電路 14 4.2 倒計時電路 17 五、實驗結(jié)果及分析 20 六、收獲、體會和建議 22 附錄 25 1.總電路圖 25 2. 元件引腳圖 26 3.元器件清單 28 主要參考文獻 29 摘要 搶答器作為一種工具，已經(jīng)廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。本設計以八路智力競賽搶答器為基本概念，從實際應用出發(fā),利用電子設計自動化( EDA)技術,用數(shù)字、模擬電子器件設計具有擴充功能的搶答器。該搶答器的設計利用Multisim11完成了原理圖設計和電路仿真，具有數(shù)字顯示、

5、倒計時顯示、編碼譯碼功能，應用效果良好。 關鍵詞:　電子設計自動化；數(shù)字電子技術；搶答器；仿真 Abstract Responder is a tool that has been widely used in various intelligence and knowledge competitions occasions. The design to eight-way quiz Responder basic concepts, from the practical application, the use of electronic

6、 design automation (EDA) technology, with digital, analog electronics design extension of the answering device. The design of the Responder use Multisim11 completed the schematic design and circuit simulation, with digital display, countdown shows, coding and decoding functions, with good results.

7、 Key words: EDA; digital electronic technology; Responder; Simulation 八路數(shù)字搶答器 一、實驗目的 通過八路數(shù)字搶答器的設計實驗，要求學生回顧所學數(shù)字電子技術的基礎理論和基礎實驗，掌握組合電路、時序電路、編程器件和任意集成電路的綜合使用及設計方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器、單脈沖觸發(fā)器、555電路、譯碼/驅(qū)動電路的應用方法，熟悉掌握時序電路的設計方法。達到數(shù)字實驗課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。 二、設計要求與內(nèi)容 在許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，

8、通常設置一臺搶答器，通過數(shù)顯、燈光或音響等多種手段指示出第一搶答者。 （1）設計制作一個可容納8組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設置一個搶答按鈕供搶答者使用。 （2）電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能。在主持人系統(tǒng)發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答開關，則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的組別，同時指示燈(發(fā)光二極管)亮。此時，電路應具備自鎖存功能，使別組的搶答開關不起作用。 （3）若超時仍無人搶答，則報警指示燈熄滅。 三、設計及原理 3.1 總體方案設計 3.1.1 設計思路 ①本題的根本任務是準確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可選擇使用觸發(fā)器或鎖存器等

9、。在得到第一信號之后應立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號應該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。 ②當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答者的組別，也可以用發(fā)光二極管直接指示出組別。 ③在主持人沒有按下開始搶答按鈕前，參賽者的搶答開關無效；當主持人按下開始搶答按鈕后，開始進行30秒倒計時，此時，若有組別搶答，顯示該組別并使搶答指示燈亮表示“已有人搶答”；當計時時間到，仍無組別搶答，則計時指示燈滅表示“時間已到”，主持人清零后開始新一輪搶答。、 3.1.2 總電路框圖 圖 3-1總電路框圖 3.2 各模塊設計方

10、案及原理說明 3.2.1 搶答電路 此部分電路主要完成的功能是實現(xiàn)8路選手搶答并進行鎖存，同時有相應發(fā)光二極管點亮和數(shù)碼顯示。 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"清除"端時，RS 觸發(fā)器的 R、S 端均為0，4 個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148 的優(yōu)先編碼工作標志端＝ 0，使之處于工作狀態(tài)。當開關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

11、時（如按下S5），74LS148 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=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標志端＝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CTR＝1，使優(yōu)先編碼工作標志端＝1， 5 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。只要有一組選手先按下?lián)尨鹌?，就會將編碼器鎖死，不再對其他組進行編碼。通過74LS48譯碼器使搶答組別數(shù)字顯示0-7。如有再次搶答需由主持人將S 開關重新置

12、“清除”然后再進行下一輪搶答。 原理圖如下： 圖 3-2 搶答模塊原理圖 RS觸發(fā)器： 1. 保持狀態(tài)。當輸入端接入==1的電平時，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。即==1時，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 2. 置0狀態(tài)。當=1，=0時，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)。 3. 置1狀態(tài)。當=0、=1時，如果觸發(fā)

13、器現(xiàn)態(tài)為=0、=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=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。 & & Q Q G1 G2 R S S R R S Q Q R S Q 置0 置1 保持 4. 不定狀態(tài)。當==0時，無論觸發(fā)器的原狀態(tài)如何，均會使=1，=1。當脈沖去掉后，和同時恢復高電平后，觸發(fā)器的新狀態(tài)要

14、看G1 和G2兩個門翻轉(zhuǎn)速度快慢，所以稱==0是不定狀態(tài)，在實際電路中要避免此狀態(tài)出現(xiàn)?；綬S觸發(fā)器的邏輯圖、邏輯符號和波形圖如圖1-7所示。 （a）邏輯圖 (b) 邏輯符號 (c) 波形圖 圖 3-3 基本SR觸發(fā)器 輸 入 輸 出 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0

15、0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

16、1 0 1 表 3-1 74LS148真值表 4LS148的輸入端和輸出端低電平有效。~是輸入信號，~為三位二進制編碼輸出信號，＝1時，編碼器禁止編碼，當＝0時，允許編碼。是技能輸出端，只有在＝0，而~均無編碼輸入信號時為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在＝0而~的其中之一有信號時，＝0。~各輸入端的優(yōu)先順序為：級別最高，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，此時輸出只按編碼，＝000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計算機控制系統(tǒng)中，當有多個外設申請中斷時，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級別高的設備先編碼。 圖 3-4 譯碼顯示電路 二

17、進制譯碼器是將輸入的二進制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有n位，代碼組合就有2n個，當然可譯出2n個輸出信號。 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)動七段字形的七個信號，常見產(chǎn)品型號有74LS48、74LS47等。 字符顯示器：分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。7

18、4LS47譯碼驅(qū)動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，公陰極接地，7個陽極a~g由相應的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。 3.2.2 倒計時電路 原理圖如下： 圖 3-5 倒計時模塊原理圖 該部分主要由555 定時器秒脈沖產(chǎn)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

19、7 段數(shù)碼管即相關電路組成。完成的功能是當主持人按下開始搶答按鈕后，進行30s倒計時，到0s時倒計時指示燈亮。當有人搶答時，計時停止。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(chǎn)生電路提供。74LS192 的預置數(shù)控制端實現(xiàn)預置數(shù)30s，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)碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，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。 圖 3-6 555定時器連接圖

20、 由555定時器和三極管構(gòu)成報警電路。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)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。 控制輸入信號為經(jīng)過編碼的搶答選手的信號，當有人在有效時間內(nèi)搶答時，定時時間到時無人搶答時，輸入信號為高電平，報警電路發(fā)出報警信號；反之，輸入信號為低電平時，報警器不工作。 將連接好的555定時器的輸出端接在示波器上，呈現(xiàn)如下符合要求的方波。 圖3 -7 555定時器輸出波形 四、電路仿真 4.1 搶答電路 第2路搶答器搶答后的顯示，同時發(fā)光二極管指示燈發(fā)

21、光，如下圖： 圖 4-1 搶答電路仿真 CTR端的示波器波形： 如圖，撥動開關后，CTR上跳，有人搶答時，CTR下跳 圖 4-2 CTR端仿真曲線 4.2 倒計時電路 倒計時開始后開始計數(shù)，同時倒計時指示燈亮直到倒數(shù)到0秒熄滅，如下圖： 圖 4-3 倒計時電路仿真 在BO1和BO2端放置示波器，波形如圖： 計時器個位減到0時，BO1出現(xiàn)一個下跳；計時器十位減到0時，BO2出現(xiàn)一個下跳

22、。 圖 4-4 BO1端仿真曲線 圖 4-5 BO2端仿真曲線 五、實驗結(jié)果及分析 接通電源，開關打到預置端，倒計時數(shù)碼管顯示30。主持人撥動開關后，倒計時電路開始從30秒倒數(shù)，8路觸點開關處于待命狀態(tài)。 圖 5-1 倒計時狀態(tài) 若有選手按下所在開關（搶答），搶答電路顯示選手所在編碼（0～7），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關被鎖定，搶答無效。 圖 5-2 搶答顯示 如果30秒倒計時結(jié)束后仍無人搶答，LED燈熄滅，倒計時電路鎖定為00，搶答不再有效。 這時只需主持人重新將開關打到預置段，整個電路全部

23、回到初態(tài)。準備進行下一輪搶答。 圖 5-5 計時鎖定 六、收獲、體會和建議 這次課程設計的電路是比較復雜的。雖然以前在模電、Protel課程設計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，感覺它比Protel更靈活易用，熟練以后十分順手。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計上，在多種方案的選擇中，我們仔細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，上機仿真以及接線調(diào)試，終于使整個電路可穩(wěn)定工作。設計過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時花很

24、長時間設計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經(jīng)成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，像查找詳細的資料，為我們設計的成功打下堅實的基礎。 設計單元電路階段，這個階段可以說是考察數(shù)電書本知識的階段。所有的設計方法還有步驟在數(shù)電書上都有，而且還有例題。這個階段遇到的主要問題就是以前的知識忘記不少，所以做設計的時候要常隨手翻閱課本，等于是做了幾道數(shù)電作業(yè)題。這個階段的難度也不是很大，一般翻課本就可以找到答案并解決問題。 實驗階段可以說是這次設計中最重要的部分，因為以前

25、的只是理論而不是真正的實體。所以說它是最重要的。實驗階段我們遇到的問題有：對軟件不熟悉；對實驗過程中信號的測量知識學習很少；因為各個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，一步一步的對著學，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為一邊理論一邊學習正好是學習的好方法，而且也學的特別快。 制作過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，電路的焊接要一步一步來，焊點多，走線復雜。這又要我們要靈

26、活處理，一邊操作一邊構(gòu)思，在不影響試驗的前提下加快進度。 另外就是要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。這是應用課本知識的大好時機。 總之，通過這次練習我有了很多收獲。在摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設計思維，增強了動手能力。在改進電路的過程中，同學們共同探討，最后的電路已經(jīng)比初期設計有了很大提高。在讓我體會到了設計電路的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。 電路的改進方案 在計時電路中加入運放和蜂鳴器運放外接12V電源并單獨接地，搶答時間結(jié)束時可以發(fā)出“滴……”的聲音表示報警。

27、 附錄 1.總電路圖 圖 附1-1 電路原理圖 2. 元件引腳圖 圖 附2-3 74LS148引腳圖 圖 附2-4 74LS192引腳圖 圖 附2-2 74LS00引腳圖 圖 附2-1 74LS00引腳圖與功能表 圖 附2-6 共陰數(shù)碼管引腳圖 圖 附2-7 555定時器引腳圖 圖 附2-5 74LS48引腳圖 圖 附2-8 74LS279引腳圖 3.元器件清單 5V共陰數(shù)碼管 3個 譯碼器74LS48 3個 RS觸發(fā)器 74LS279 1個 優(yōu)先編碼器74LS148 1個 可

28、逆計數(shù)器74LS192 2個 555定時器 1個 2輸入與非門74LS00 1個 4輸入與非門74LS20 1個 10kΩ電阻 9個 1kΩ電阻4個 50kΩ電阻 1個 15kΩ電阻 1個 100Ω電阻 1個 發(fā)光二極管 2個 觸點開關8個 單刀雙擲開關 1個 10μF電解電容 1個 0.01μF瓷片電容 1個 導線 若干 主要參考文獻 《數(shù)字電子技術基礎》 范文兵 清華大學出版社 2007 《數(shù)字電路邏輯設計（第三版）》 王毓銀 高等教育出版社 2005 《數(shù)字電路實驗基礎》 崔葛瑾 同濟大學出版社 2005 《數(shù)字電路實驗與課程設計》 呂思忠、施齊云 哈爾濱工程大學出版社 2001 《電子線路 設計 實驗 測試（第三版）》 謝自美 華中科技大學出版社 2006 《Multsim9在電工電子技術中的應用》 董玉冰 清華大學出版社 2008 《數(shù)字電路及制作實例》 陳振官 國防工業(yè)出版社 2006 26