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智能抢答器数电课程设计

智能抢答器数电课程设计

设计内容与设计要求 一、设计内容: 1.设计一个可容纳 8 组代表队参赛的智力抢答器,每组设一个抢答按钮, 按钮的编号与选手的编号相对应。 2. 抢答器具有第一信号鉴别及数据锁存功能。主持人将设备复位(清零) 后,发出抢答指令,当第一组参赛者触动按钮时,该组指示灯亮。此后,其他 组别触动按钮无效。 3. 设计一个用数码管显示 1~8 组中最先抢答组别的电路。 4. 抢答器具有定时 30S 抢答的功能, 当主持人发出抢答指令后开始减计时, 并用显示器显示时间。当抢答时间到,蜂鸣器鸣叫发出报警信号,并封锁输入电 路,禁止选手超时抢答。 5.设计一个犯规判别电路,并用指示灯显示。 6.设置记分显示电路,每组预置 100 分,答对 1 次加 10 分,答错 1 次减 10 分。 7.功能扩展(自选) 二、设计要求: 1.思路清晰,给出整体设计框图和总电路图; 2.单元电路设计,给出具体设计思路和电路; 3.写出设计报告;

主要设计条件 1. 在实验楼南楼的四楼“综合实验室”和“电子实验室”调试。 2. 提供调试用实验箱和电路所需元件及芯片。

说明书格式 1. 课程设计封面; 2. 任务书; 3. 说明书目录; 4. 设计总体思路,基本原理和框图(总电路图) ; 5. 单元电路设计(各单元电路图) ; 6. 安装、调试步骤; 7. 故障分析与电路改进; 8. 总结与体会; 9. 附录(元器件清单) ; 10.参考文献; 11.课程设计成绩评分表

进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料。 星期二:总体电路设计和分电路设计。 星期三:(电路仿真)修改方案。 星期四 : 上午:电路仿真,确定设计方案,拟订调试方案或安装电 路; 下午:画出调试电路图,安装电路。 星期五整天:安装、调试电路。 第二周星期一~二: 安装、调试电路。

星期三下午:验收电路、归还器件。 星期四~五: 写设计报告,打印相关图纸。 星期五下午:带设计报告书进行答辩,整理实验室及其它事情。

参 考 文 献 1. 《电子线路设计、实验、测试》 (第二版) 华中理工大学出版社-------谢自美 主编 2. 《新型集成电路的应用》---------电子技术基础课程设计 华中理工大学出版社 3. 《电子技术基础实验》 高等教育出版社-------------陈大钦 主编 4. 《电子技术课程设计指导》 高教出版社-------------------彭介华 主编 梁宗善 主编

目录
1.设计任务目的及要求???????????????????????1 1.1 设计目的 ??????????????????????????1 1.2 设计要求??????????????????????????1 2.工作原理及设计方案????????????????????????1 2.1 原理框图???????????????????????????2 2.2 设计方案???????????????????????????2 2.3 总电路图???????????????????????????4 3.单元电路设计???????????????????????????5 3.1 抢答器电路功能介绍??????????????????????5 3.1.1 抢答器电路?????????????????????????5 3.2 定时时间电路功能介绍?????????????????????6 3.2.1 定时电路??????????????????????????6 3.3 控制电路和报警电路??????????????????????6 3.4 计分电路???????????????????????????7 4.把人抢答器仿真????????????????????????8 5.安装、调试及故障分析???????????????????????9 6.总结与体会 ???????????????????????????10 7.附录 ??????????????????????????????11 8.参考文献 ????????????????????????????11

1 设计任务目的及要求 1.1 设计目的
通过课程设计,对数字逻辑的基本内容有进一步的了解,特别是时序逻辑电 路的设计。能把上学期学到的数字逻辑理论知识进行实践,操作。在提高动手能 力的同时对常用的集成芯片有一定的了解,在电路设计方面有感性的认识。而且 在进行电路设计的时候遇到问题,通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。 在经过课程设计后, 更明白数字逻辑电路设计的一般方法,以及在遇到困难怎么 排除问题。

1.2 设计要求
我选择的课程任务是设计一个 8 位数字抢答器。 设计要求包括: 1. 设计一个可容纳 8 组代表队参赛的智力抢答器, 每组设一个抢答按钮, 按钮的编号与选手的编号相对应。 2. 抢答器具有第一信号鉴别及数据锁存功能。主持人将设备复位(清零) 后,发出抢答指令,当第一组参赛者触动按钮时,该组指示灯亮。此后,其他 组别触动按钮无效。 3. 设计一个用数码管显示 1~8 组中最先抢答组别的电路。 4. 抢答器具有定时 30S 抢答的功能, 当主持人发出抢答指令后开始减计时, 并用显示器显示时间。当抢答时间到,蜂鸣器鸣叫发出报警信号,并封锁输入电 路,禁止选手超时抢答。 5.设计一个犯规判别电路,并用指示灯显示。 6.设置记分显示电路,每组预置 100 分,答对 1 次加 10 分,答错 1 次减 10 分。

2 工作原理及设计方案
抢答器是为竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路,竞赛 者可以分为若干组,抢答时各组对主持人提出的问题要在最短的时间内做出判 断,并按下抢答按键回答问题。当第一个人按下按键后,则在显示器上显示该组

的号码,同时电路将其他各组按键封锁,使其不起作用。回答完问题后,由主持 人将所有按键恢复,重新开始下一轮抢答。抢答器具有定时抢答功能,且一次抢 答的时间可以由主持人设定(如,30 秒) 。当主持人启动"开始"键后,定时器进行 减计时。 参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显 示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。如果定 时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统通过一个指示灯报警并禁止抢答, 定时显示器上显示 00。 因此要完成抢答器的逻辑功能,该电路至少应包括输入开关、数字显示、判 别组控制以及组号锁存等部分。

2.1 原理框图

图一 原理框图

2.2 设计方案
整体的电路可以分为两部分, 一个是抢答电路, 第二部分是定时, 报警电路。 1 .抢答的部分:抢答器供 8 名选手比赛,分别用 8 个按钮 S0 ~ S7 表示。通 过管脚分配把按钮分配到实验版上的拨动开 SW0 到 SW7 关, 让每个选手拨动开 关后产生相应的信号。不同的选手拨动按钮发出信号通过 74LS148 编码器进行 编码, 编码后输出信号进行下一步的译码和锁存。设置一个系统清除和抢答控制 开关 S,开关由主持人控制。通过管脚分配把开关 S 分配到相应一个拨动开关

SW16。该开关联系到一个相应的线路,这个线路通过与非门连接其他信号,从 而达到清零的功能。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮,锁存相应的 编号,并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。74LS279 具 有锁存功能, 可以在一个选手按下按钮后进行锁存,其他的选手不能在在有选手 抢答后再进行抢答。锁存相应的编号时,由于编码器编的是从 0 到 7,如果 0 号 选手抢答,与清零的时候可能造成混淆,所以要加上加法器,对编码器的 0 到 7 都加上 1。加法器是使用用 74LS192,加 1 后在就可以在数码显示管上显示 1 到 8 的号码。 2. 定时抢答功能,和报警部分:一次抢答的时间由主持人设定(如,30 秒) 。 当主持人启动"开始"键后,定时器进行减计时。74LS192 具有减法功能,通过使 用 74LS192 可以对设定的时间进行自减。 74LS192 进行工作的时候需要给定秒脉 冲。 同时 74LS192 结合 74LS47 可以对所设定的抢答时间和选手抢答的时间显示 出来。参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器 上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。选手进行抢 答,通过编码器,锁存器,加法器,译码器,显示出来。当某个选手抢答有效, 通过 74LS148 编码器的 GSN 端口连接到控制清零端的与非门就可以进行禁止其 他选手的抢答,同时把该选手的号码显示在数码管上,同时通过 74LS148 编码 器的 GSN 端口可以停止 74LS192 的脉冲,从而让脉冲停止,达到显示抢答时间 的效果。若定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统通过一个指示灯报警 并禁止抢答,定时显示器上显示 00。当时间到的时候,减法器 74LS192 的十位 的 LDN 端口发出一个高电平,在这个端口上连接上一个显示灯,作为报警用。 同时减法器 74LS192 的十位的 BON 端口会发出一个低电平, 可以连接到脉冲上, 让脉冲停止输到加法器上,那么数码管显示的是 00。

2.3 总电路图
图二 智能抢答器整机电路图

3 单元电路设计 3.1 抢答器电路功能介绍
设 计 电 路 见 图 3.1.2 所 示 。 电 路 选 用 优 先 编 码 器 74LS148 和 锁 存 器 74LS279 来完成。该电路主要完成两个功能:一是分辨出选手按键的先后,并 锁存优先抢答者的编号, 同时译码显示电路显示编号(显示电路采用七段数字数 码显示管);二是禁止其他选手按键,其按键操作无效。工作过程:开关 S 置 于"清除"端时,RS 触发器的 R、S 端均为 0,4 个触发器输出置 0,使 74LS148 的优先编码工作标志端(图中 5 号端)=0,使之处于工作状态。当开关 S 置于 "开始"时, 抢答器处于等待工作状态, 当有选手将抢答按键按下时 (如按下 S5) , 74LS148 的输出经 RS 锁存后,CTR=1,RBO(图中 4 端) =1,七段显示电路 74LS48 处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外,CTR=1,使 74LS148 优先编码工作标志端(图中 5 号端)=1,处于禁止状态,封锁其他 按键的输入。当按键松开即按下时,74LS148 的 此时由于仍为 CTR=1,使优 先编码工作标志端为 1,所以 74LS148 仍处于禁止状态,确保不会出二次按键 时输入信号,保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将 S 开关重新 置“清除”然后才可能进行。

3.1.1 抢答器电路

图三

抢答器电路图

3.2 定时时间电路功能介绍
原理及设计:该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减 计数器 74LS192 减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电 路组成。具体电路如图 3.2.2 所示。两块 74LS192 实现减法计数,通过译码电 路 74LS48 显示到数码管上,其时钟信号由时钟产生电路提供。74192 的预置数 控制端实现预置数, 由节目主持人根据抢答题的难易程度, 设定一次抢答的时间, 通过预置时间电路对计数器进行预置,计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按 键弹起后,计数器开始减法计数工作,并将时间显示在共阴极七段数码显示管 DPY_7-SEG 上,当有人抢答时,停止计数并显示此时的倒计时时间;如果没 有人抢答,且倒计时时间到时, 输出低电平到时序控制电路,控制报警电路报 警,同时以后选手抢答无效。

3.2.1 定时电路

图四 定时电路图

3.3 控制电路和报警电路
由 555 芯片构成多谐振荡电路 ,555 的输出信号再经三极管放大 ,从而推 动扬声器发声 控制电路包括时序和报警两个电路 ,如图所示。控制电路需具有 以下几个功能主持人闭合开关扬声器发声 ,多路抢答器电路和计时电路进入正 常状态; 参赛者按键时 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作; 抢答时间 到 ,无人抢答 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作由功能表可以看出,

要使电路实现倒计时(减法)功能,应使 CR=0,PE 非=1,CP+=1,CP-=CP。 可用 CR 端接电平开关来控制计时器的工作与否。 声响显示电路需要在两种情况下做出反应:一种是当有参赛者按下抢答开关时, 相应电路的发光二极管亮, 同时推动输出级的蜂鸣器发出声响;第二种情况是当 裁判员给出“请回答”指令后,计时器开始倒计时,若回答问题时间到达限定的 时间,蜂鸣器发出声响。 声响电路由两部分组成:一是由门电路组成的控制电路,二是三极管驱动电路。 门控电路主要由或门组成,它的两个输入,一个来自抢答电路各触发器输出 Q 非的与非,他说明只要有一 Q 非为低电平,就使该与非门输出为高电平通过或 门电路驱动蜂鸣发生器;另一个来自 计时系统高位计数器的借位信号 QB,它说明计时电路在 30 秒向 29 秒,28 秒,??2 秒,1 秒,0 秒倒计时再向 30 秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲 经反相器得到一个高电平。这个高电平信号也能使蜂鸣器发声。

3.4 计分电路
八路智力抢答器计数模块由 74LS192(计数/锁存/译码/驱动) 、四段 LED 数码及

控制逻辑组成。

输入
MR 1 0 0 0 P3 P2 P1 P0 Q3 0 d

输出
Q2 0 c Q1 0 b Q0 0 a

×
0 1 1

× ×

× ×
1

×
d

×
c

×
b

×
a

× ×

× ×

× ×

× ×

加计数 减计数

1

74LS192 功能表

4 八人抢答器仿真
按照总体电路图在仿真软件 EWB 上一一选择芯片并进行连接,然后启动开关 观察。下面,我们分两部分对设计出的电路进行 EWB 仿真。我们将各部分电路在 EWB 上连接好后,为各个电阻和电容选取适当值,为各个开关设置好适当的键盘 打开数值(例如,为某一开关设为 1 连接,则启动 EWB 仿真按钮后,在键盘上按 1 则此开关就由断开状态变为连接状态)然后打开 EWB 的开关,即可根据显示器 上显示的数字以及小灯泡的亮灭情况来判断电路设计是否成功。

5

安装、调试及故障分析
把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。然后进行调试,在调试

的过程中可能会遇到由于逻辑门传输延时的存在而带来的竞争冒险问题 。 1. 测试使用的主要的仪器和仪表是万用表。 2. 调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源处是否有电压显示, 再用表 笔分别测试各集成块和电阻,电容的电压,注意用手背触摸一下,检查各仪器是 否发热工作。

5.1 抢答显示功能测试
按图的有关部分在实验箱上连线,将开关 A,B,C,全部处于低电平。首 先拨动开关 A,该端发光二极管亮,此时再拨动开关 B 或 C,观察其他发光二极 管的情况。

5.2 倒计时功能测试
按图的电路在实验箱上连线,计数器的输出可接发光二极管, 在 CP 作用下,观察发光二极管显示情况。通过控制 CR 端的状态,在观察发光 二极管显示情况。

5.3 声响电路功能测试
按图在实验上连线, 可将与非门可反向器的输入端分别通过实验箱上的电平 开关来控制状态,观察喇叭发声情况。

5.4 故障分析
首先,对照事先设计好的原理图仔细检查在实物中是否有接错的地方(主要 检查集成电路的引脚与导线是否出错接错和是否出现了短路),若发现有,就立 即改正。然后,用数字万用表检测实物中是否有不导通的地方,若有,应立即修 正。以防通电后不能工作,而怀疑其他地方出错。 在上一步完成的基础之上,给实物通电,进行调试。我们初次调试时,实物 的确没有工作。然而,我们对事先设计好的原理图进行仔细的研究,最后发现我 们设计的原理图有错误(在集成电路 74LS148 与锁存器之间多加了反相器), 决定 将它去掉。 经过以上的改进,终于达到了我们事先预定的目标。

6

总结与体会
本课程设计基本完成了老师的要求,能够实现两个主要功能,能够倒计时,

记分器也能加分和减分,清零。 在进行实验的时候, 遇到不少的问题。一开始不知道该使用什么芯片去 做实验,只能仔细阅读课本,熟悉芯片的功能,同时去图书馆借有关书籍,看看 哪些芯片能达到编码,译码,锁存等。经过资料的搜集,基本确定了用哪类芯片 达到哪类功能。然后就研究电路图,仔细对照真值表连接电路图,并画好电路图 草稿。画好电路图后,一开始在电脑上画好电路图后,编译也不过,存在几个错 误,慢慢检查后,是连线的错误,有几个地方是不该接在一起的,从而造成了一 个输入端有两个输入量。 在排除错误后, 经过了编译, 但是数码管完全没有反应, 检查后发现是因为在通过与非门进行清零的时候,接线错误。上面是一些问题和 解决方法, 其实遇到的问题远不止这些,不过现在回想起来都是一些很低级的错 误, 有时候是因为粗心大意造成的错误,有时候是因为没有认真看芯片的真值表 而造成的。 通过这次的课程设计,使我对数字电路有了进一步的了解,在设计抢答器、 报警器、定时器的过程中,通过翻阅资料,上网搜索等,我对各电路器件(如: 与非门,555 定时器和 LED 显像管等)及原理有了更深一层次的认识,既增强了 我的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识。在一开始的时候,很担心自己 不能完成实验, 因为这个学期的数字电子技术基础不是学得很好,造成信心不是 很足。后来也证明了我是可以完成的。在设计电路的时候,考虑的不是很全面, 以及画电路图的时候没有很细心谨慎地工作,造成了一些低级错误。所以经过课 程设计,我提高了自己的动手能力,也增强了自己的信心。同时让我知道在工作 的时候要保持细致严密的工作态度,这样会事半功倍。两周的锻炼,每天的不同 感受,我有过对知识掌握不足时的迷茫,也有过思路不清时的懊恼,但一路走来, 我却收获了知识,收获了希望和努力后的成果。

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序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

附录
名 称 数 量 (个) 74LS192N 74LS00D 74LS148 74LS04D 7404N 1K 电阻 7400N 4 管脚 LED 显示屏 4 4 1 1 2 1 8 4 1 1 1 2

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参考文献

1. 《电子线路设计、实验、测试》 (第二版) 华中理工大学出版社-------谢自美 主编 2. 《新型集成电路的应用》---------电子技术基础课程设计 华中理工大学出版社 3. 《电子技术基础实验》 高等教育出版社-------------陈大钦 主编 4. 《电子技术课程设计指导》 高教出版社-------------------彭介华 主编 梁宗善 主编


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