多功能数字电路抢答器（定时抢答犯规抢答multisim仿真）.doc

课 程 设 计 报 告学生姓名:雷光远于金艳学号：学 院:电气工程学院班 级:电气工程及其自动化题 目:多路抢答器的设计指导教师： 邢晓敏 职称: 讲师 2010年 7 月 15 日一 设计要求（1）抢答开始时，由主持人按下复位开关清除信号，用发光二极管作为输出显示信号标志。（2）当主持人宣布“抢答开始”后，先按键者相应的发光二极管点亮；（3）有人按键被响应的同时，应有信号发出去锁住其余几个抢答者的电路，不再接收其它信号，直到主持人再次清除信号为止。当达到限定时间时，发出声响以示警告。（4）在电路中设计一个计时功能电路，要求计时电路按秒显示，最多时限为1分钟，当时间显示一旦到达59秒，下一秒系统自动取消抢答权，信号被自动清除，抢答重新开始。亦可倒计时显示。（5）至少4路信号抢答设计。二 设计原理及框图1、设计原理图 二极管显示电路锁存器译码显示锁存器抢答按钮优先编码电路译码电路犯规报警 电 路控制电路主持人控制开关秒脉冲产生电路译码显示译码电路定时电路2、该抢答器所实现功能：A抢答时间30S倒计时，当倒计时到达最后十秒而没有人抢答时，系统自动报警，蜂鸣器断续发出声音，当倒计时到达00时，倒计时停止，封锁其他选手的抢答信号输入。B成功抢答数码管显示对应选手编号，对应选手发光二极管点亮，抢答倒计时停止，同时封锁其他选手的按键输入。C成功抢答后，主持人按动抢答/答题开始键，进行60S答题倒计时，同时封锁按键对倒计时电路，抢答数码管显示电路，发光二极管点亮电路的输入；在当倒计时到达最后十秒而没有人抢答时，系统自动报警，蜂鸣器断续发出声音。D若主持人清零后未按动抢答/答题开始键时，有选手抢答，即犯规抢答时，对应选手的红色发光二极管闪烁警告选手，显示编号数码管闪烁选手编号，蜂鸣器断续发出声音从而提示主持人有选手犯规抢答。3、工作原理通电后，主持人将清零开关按下并弹起，编码器处于工作状态，编号显示器显示并闪烁0，定时器显示00；主持人将“时间调整”开关拨到30S，然后按下并弹起“开始抢答/开始答题”按键，定时器显示30S并开始倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断，编号锁存，编号显示，对应选手的发光二极管亮。如果主持人未按“开始抢答”按键，而有选手按动抢答按钮即犯规抢答时，数码管闪烁选手编号，蜂鸣器报警，对应选手的发光二极管闪烁以提示并警告选手。当一轮抢答之后，定时器停止，禁止二次抢答，定时器显示剩余时间。当选手成功抢答后，主持人将“时间调整”开关拨到60S,然后按下并弹起“开始抢答/开始答题”按键，开始答题倒计时，同时封锁抢答电路，当到达最后十秒时，扬声器发声提示。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清零”和“开始抢答/开始答题”按键。三 器件说明型号或大小 数目芯片74LS47 3个 74LS192 2个 74LS148 1个 74LS279 1个 74LS00 2个 74LS11 1个555定时器 1个74LS175 1个74LS32 1个74LS08 3个74LS04 2个电容10F 1个0.1 F 1个 电阻10 K 2个510 10个1 K 4 个15 K 2个68 K 1个其他单刀单掷开关 6个单刀双掷开关 1个共阳数码管 3个发光二极管（绿） 5个发光二极管（红） 4个1) 74LS148编码器图1 74LS148逻辑图74LS148芯片的功能表输入输出EII0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I72 1 0 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 00X X X X X X X 00 0 0 0 10X X X X X X 0 10 0 1 0 10X X X X X 0 1 10 1 0 0 10X X X X 0 1 1 10 1 1 0 10X X X 0 1 1 1 11 0 0 0 10X X 0 1 1 1 1 11 0 1 0 10X 0 1 1 1 1 1 11 1 0 0 100 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1 74LS148功能表2) 74LS279图2 74LS279引脚图输入1 2 输出Q0 0 00 X 1X 0 11 1 01 1 11110不改变 74LS279 锁存器功能表3) 74LS192加减计数器图3 74LS192引脚图74LS192功能表              输入     输出MRD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0 1 × × ×××××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1  1××××    加计数 0 1 1 ××××    减计数74LS192功能表4) 74LS175清零时钟输入输出工作模式CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q0×××××0000异步清零11D2D3D4D1D2D3D4D数码寄存11××××保持数据保持10××××保持数据保持5) 74LS47功能或数字输 入输 出显示字型 a b c d e f g灭 灯试 灯动态灭零× ×0 ×0 0× × × ×× × × ×0 0 0 00（输入）101 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1灭灯8灭灯01234567891 11 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 111111111110 0 0 0 0 0 11 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 01 0 0 1 0 0 00 1 0 0 1 0 01 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 00123456789 74LS47的功能表四 设计过程(1)抢答数码显示电路的设计该部分主要完成三个功能：一是分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。选用优先编码器74ls148、RS锁存器74LS279可以完成上述功能，所组成的电路图如下所示。这个电路的工作原理：当主持人控制开关space置于“清零”端时，RS触发器的R非端均为0，4个触发器输出（Q4-Q1）全部置0，使74ls148的BI的非=0，显示器灯灭：74ls148的选通输入端EI非为0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人把开关space置于“开始”时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号，当有选手将键按下时（比如按下s4），74ls148的输出Y2Y1Y0的非=011，GS的非=0，经RS锁存后，Q3Q2Q1=100,经74LS47译码，七段数码显示4,同时Q4=1，Q4高电平接74ls148的选通输入端EI非，禁止其输入，从而达到封锁其他选手抢答的目的。图4（2） 抢答提示、犯规抢答警告电路的设计该部分主要完成三个功能：一是分辨选手按键的先后，通过4D锁存器74LS175电路锁存抢答信号，并点亮对应选手的发光二极管；二是禁止其他选手按键操作，三是在主持人按动清零键而为按动开始抢答按键时，若有选手按动抢答按键，对应选手的另外一只发光二极管闪烁以示警告。选用4D锁存器74LS175，四2输入与非门74LS00，四2输入与门74LS08，六2输入非门74LS04，三3输入与门74LS11这些芯片与发光二极管可以完成上述功能，其中四2输入与非门74LS00搭接基本RS触发器，四2输入与门74LS08，六2输入非门74LS04、三3输入与门74LS11和74LS08搭接四输入与非门。所组成的电路图如下所示。这个电路的工作原理过程：当抢答按键按下后，按键输出低电平信号，经非门后为高电平，在时钟脉冲作用下，高电平信号从74LS175的输入引脚传送到对应的输出Q引脚，并点亮对应发光二极管；此外，四个Q非端接四输入与非门输入端，其对应输入引脚为低电平，输出则为高电平，经非门后为低电平，此信号接74LS175脉冲控制与门，封锁74LS175脉冲的输入，从而封锁抢答信号的输入，这样便在某一选手抢答后封锁了其他选手的抢答信号输入。若在主持人按完清零键而为按动开始抢答按键时，两个与非门搭接的基本RS触发器Q输出端为高电平，此信号与秒脉冲信号接两输入与门U30，这样，便选通了秒脉冲输入，与门U30的输出端输出秒脉冲，此输出端分别和74LS1754Q、3 Q 、2Q、1Q相与，然后分别接对应选后的犯规抢答发光二极管。如果在此时有选手按动抢答按键即提前抢答时，74LS175Q对应Q端为高电平，与门U30的输出端输出的秒脉冲便被选通，输入到对应选手的犯规抢答发光二极管，使之闪烁，从而达到了在选手提前抢答的时候警告选手的目的。 图5（3）定时电路的设计该电路主要实现3个功能：对抢答时间进行30S倒计时；对答题时间进行60s倒计时，并在在答题倒计时过程中封锁抢答按键对74LS148、74LS175的信号输入。通过单刀双掷开关对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路由两片十进制同步加减计数器74LS192、译码器74LS47、共阳七段数码显示管来进行设计。其中，两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS47显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。当开始抢答按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将抢答时间显示在共阴极七段数码显示管上，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，且倒计时时间到达最后10秒时，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。当选手抢答上以后，调整时间调整单刀双掷开关至60S，再按下并弹起“开始抢答/开始答题”按键，可以实现答题倒计时。答题倒计时实现的具体过程是：通过抢答答题倒计时开关对74LS148进行清零，从而使四输入与非门输出信号为低电平，经上图非门U5后为高电平；在按动“开始抢答/开始答题”的同时，对两片74LS进行置操作，从而使BO2输出高电平，与U5输出高电平共同作用于三输入与门，选通低位74LS192秒脉冲输入，从而实现答题倒计时。在答题倒计时过程中，通过时间调整单刀双掷开关输出信号与图5中四输入与非门输出信号相或接74LS148EI非，从而在30S抢答倒计时时选通四输入与非门输出信号，在60S答题倒计时时或门输出高电平封锁74LS148按键输入；通过非门U25的输出信号接低位192脉冲控制门，从而在30秒抢答倒计时时选通秒脉冲输入，在60秒答题倒计时时封锁脉冲输入，防止在答题倒计时过程中因选手失误按动抢答按键而出现的倒计时停止现象。图6（4）报警电路的设计该部分主要实现三个功能，一是在抢答答题倒计时最后10秒启动蜂鸣器输出报警信号；二是在选手提前抢答时启动蜂鸣器输出报警信号；三十在选手提前抢答时，显示抢答选手编号的发光二极管闪烁，此闪烁信号与蜂鸣器报警信号共同提醒主持人有选手提前抢答。选用74LS47、共阳数码管、四2输入或门74LS32、四2输入或非门74LS02、四2输入与门74LS08、BJT三极管、蜂鸣器可完成上述功能。该部分电路的工作原理：抢答答题最后10秒蜂鸣器报警：与门U24引脚6接地位192 DOWN引脚，从而实现有且只有在倒计时过程中输入秒脉冲，在高位192四个输出端同时为低电平时，也即答题的最后10秒时，四输入或非门的输出端输出高电平，从而选通引脚6在倒计时过程中的脉冲输入，U24的输出端接或门，（此时没有选手提前抢答，所以与门U38的输出为低电平），或门输出端便输出秒脉冲信号，经三极管对电流进行放大，驱动蜂鸣器断续发出报警声音。选手提前抢答蜂鸣器报警：引脚7接图5与门U30输出端（在选手提前抢答时，此输出端输出秒脉冲），引脚8接图5四输入与非门输出端，在选手提前抢答时，此输出端输出为高电平，从而选通了与门U30输出端输出的秒脉冲，这样，在选手提前抢答时，与门U30的输出端便输出秒脉冲，此输出端接或门（提示没有倒计时，所以与门U24输出端为低电平），或门输出端便输出秒脉冲信号，经三极管对电流进行放大，驱动蜂鸣器断续发出报警声音。选手提前抢答显示选手编号的数码管闪烁：此处用或非门74LS02一输入端接地实现非门，引脚1接图5与门U30输出端，此输出端在主持人按动“开始抢答、答题”键之前输出秒脉冲，此秒脉冲可以点亮并熄灭数码管，从而实现数码管的闪烁；在主持人按动“开始抢答、答题”键之后为低电平，因74LS47LT、RBI、BI RBO引脚为高电平时才能点亮数码管，所以此时要点亮发光二极管，使之显示成功抢答选手的编号，则需要使之（图5与门U30输出端）接非门，从而是非门输出高电平，点亮数码管，使之显示成功抢答选手的编号。 图7（5）电路的整体设计：将上述各部分电路通过或门，非门控制门相连，便形成了整体电路图，如下图所示：五 仿真调试过程在仿真调试过程中主要遇到了一下问题：1、 在仿真过程中软件中74LS279的引脚编号与实际中的引脚编号存在差异，导致74LS279连接错误。解决方案：查阅数字电子课本，复习基本RS触发器的构成，用两个与非门74LS02搭接基本RS触发器，从而实现了仿真中正确显示抢答选手编号的目的。在实物搭接过程中，选用74LS279，按照实际引脚搭接，将1SA非1SB非连在一起当做公共置位端，3SA非3SA非连在一起当做公共置位端，279输出引脚接74LS47，从而达到了正确显示抢答选手编号的目的2、 在设计犯规抢答对应选手的放光二极管闪烁，显示选手编号的发光二极管闪烁选手编号的过程中，缺乏一个在按动“抢答/答题开始”按键前为高电平，在按动“抢答/答题开始”前为高电平后为低电平的信号。解决方案：考虑到犯规抢答与主持人是否按动“抢答/答题开始”按键有关，而基本RS锁存器具有所存信号的功能，用与非门74LS00搭接基本RS触发器，其S端接清零开关的输出端，R端接“抢答/答题开始”按键的输出端。这样，开始的时候RS端均为高电平，Q端输出高电平，在按下清零开关的时候，S引脚为低电平，则Q端为高电平，当清零开关弹起时，S引脚为高电平,Q端保持上个高电平状态，于是，在主持人为按动“抢答/答题开始”按键的时候，Q端为高电平。在主持人为按下“抢答/答题开始”按键的时候，R端为低电平，Q端为低电平，当“抢答/答题开始”按键弹起后，R端为低电平，Q端则保持之前的低电平信号。这样，便获得了在按动“抢答/答题开始”按键前为高电平，在按动“抢答/答题开始”前为高电平后为低电平的信号。3、 在倒计时显示00的时候，倒计时不会停止。解决方案：因高位192显示0的时候，BO2端输出低电平，故可用此信号通过与门封锁低位192的秒脉冲输入信号。4、 在选手抢答上以后，倒计时不会停止。解决方案：因选手抢答上以后，图中四输入与非门输出端为高电平，故可用此信号接非门输出低电平封锁低位192的脉冲输入，从而实现倒计时的停止。5、选手抢答上以后，其他选手能抢答，并输出抢答信号。解决方案：a对于显示编号的数码管，因选手抢答上以后四输入与非门输出端为高电平，而74LS148选通输入端EI非为低电平有效，故可用此高电平信号接EI非，来封锁其他选手的按键输入。b对于对应选手的发光二极管亮的问题，因因选手抢答上以后四输入与非门输出端为高电平，故可用此信号接非门输出低电平来封锁74LS148的脉冲输入，从而封锁74LS148对输入信号的传递。6、 在答题倒计时过程中，选手的抢答有效，会影响答题倒计时、显示编号的数码管。解决方案：a因主持人按动“抢答/答题开始”按键后对74LS148进行清零得到的四输入与非门经非门后的高电平，此信号不能封锁74LS175的按键输入，而将单刀双掷开关拨到60S倒计时之前高位192A输入端为高电平，拨到60S时为低电平，故可用此信号来封锁74LS175的脉冲输入。这样在答题倒计时过程中选手的错误按键就不能通过74LS175改变四输入与非门经非门后的高电平，进而使答题倒计时停止的现象。b因选手因因选手抢答前四输入与非门的输出端为低电平，而抢答上以后为高电平，而将单刀双掷开关拨到60S倒计时之前开关输出为低电平，拨到60S时为高电平，74LS148的EI非端为低电平有效。故若将四输入与非门的输出端与单刀双掷开关的输出端相或接EI非，便实现了在抢答倒计时过程中四输入与非门直接接到EI非，在答题倒计时过程中四输入与非门输出高电平导致或门输出高电平，从而使74LS148的选通输入端EI非为高电平，封锁其的信号输入。7、 倒计时最后10秒和犯规抢答各需一个蜂鸣器，而只有一个蜂鸣器。 解决方案：因两个对蜂鸣器的输入信号时分时复用的，故用或门实现上述功能。将两个蜂鸣器控制信号接或门，或门输出接蜂鸣器。8、 在开始调试过程中，出现万用紧缩座上的芯片为14脚，却按照16脚接线的情况，之后每个芯片在查引脚之前首先看清它是14脚还是16脚的，然后再插线。还有在调试过程中出现了芯片忘记上电的现象，以后接每个芯片的第一步就是上电，然后再接别的线。9、 在设计过程中，出现了电路错误而不知道那里出现错误的问题。解决方案：在电路的连接阶段，出现了某个功能无法实现而不知道哪里歘先问题的现象，这种情况可以利用导线连接发光二极管检查电平的方式进行特殊点的高低电平检查，从而缩小故障范围，进而排除故障，使电路正常工作。 六 设计体会及收获（雷光远）经过了将近三周的仿真软件学习，设计仿真抢答器的电路图，实物搭接的课程设计。我学到了很多东西,主要有对数字电子基础理论知识的复习巩固、理论联系实际的理性认识和在课程设计过程中的感性认识。首先，在基础理论方面，我深刻总结、体会并且应用了几条设计原理1脉冲信号的控制。可用与门实现脉冲信号的控制，在某个时候封锁脉冲只需找到在这个时候之前为高电平，这个时候之后为低电平的信号，然后将之与脉冲相与，便得到了在特定时刻以后出现的脉冲信号。2.信号的控制：一个门的输出信号可以直接若干个门的输入端；当一个门的输入端需要几个信号来控控制时，这几个控制信号需根据逻辑关系来判断接与门、或门或其他门，也即一个输入引脚只能接一根线，不能接两根或两根以上的线。3理论与实际的联系：课本上的知识只是我们掌握一门技能的必要条件而非充分条件，如果这些知识脱离了实际，便没有了任何意义。在学习的过程中必须将理论知识应用于实践，在实践中再次学习、校验、巩固、应用这些基础知识，这样，这些理论内容才有了生命力，才能变成自己头脑中的东西。4.在设计仿真和电路的搭接调试过程中，需要分模块进行，首先设计或搭接单元电路，然后检验其正确与否，当所有单元单路设计或搭接完成后，再进行电路的整体联接，大有水到渠成的道理，这样便大大增加了设计仿真或搭接的成功率。在感性认识方面，我也学到了很多，主要有以下几个方面：1.在设计过程中要善于动脑，同时还要有耐心，最好的方案时经过长时间的思考才能得到的，要耐得住时间的折磨，不放弃，根据需要与已知条件慢慢推导，功夫不负有心人，相信自己一定能找到问题的解决方案！2.在搭接过程中这些比较繁琐的事情中，更需要我们的耐心与恒心！只要自己对原理了解透彻，就要始终坚信自己的仿真设计图，在搭接的过程中一定存在插错线，忘记上电，看错芯片，查错引脚等问题，要根据明显的线索一步一步缕出来，最终一定能找到问题所在，并成功解决在搭接过程中所遇到的问题。3.在课程设计的过程中，我体会到了团队合作的重要性，一个人的能力不管有多强，都不能特立独行，要勇于并擅于融入到团队中来，这样，这个人的力量便得到了极大的加强！办任何一件事情，团队的力量都是不可或缺的，是成功的关键因素.团队意识在以后的工作上会更为明显，更为重要！在课程设计中，我们要主动培养自己的团队合作精神，提高自己的团队合作能力！4.在学习过程中我们还存在很多不足，这都需要以后的学习和努力，这次设计基本算是满意，但其中经历了好多错误，电路功能上还存在一些不足，比如只设计了4路而没考虑到编号显示问题，在以后的学习中还需要努力提高。5.感谢老师在课程设计阶段给予的指导与帮助！在以后的学习和实践中，我一定会更加努力！（于金艳） 通过这次的课程设计，发现自己的很多不足，自己只是的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还继续提高。例如主持人按下强打键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。在电路仿真过程中，我们在主持人都按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次按下抢答键选手号码牌总是为7.经过我们的认真分析，我们找到了原因问题的所在，将点触式开关在按下后又弹起就可解决此问题。还有如设计电路时的种种困惑、电路的连接出错、芯片应用方式及引脚接线等等众多的艰难困阻啊！但幸亏有伙伴的帮助与鼓励使我跨过了一个个的门槛因此我认为挫折是一份财富，经历是一种拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。 通过这次课设使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的吗，只有把理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计的过程中遇到问题可以说的是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，同时再设计的过程中发现了自己的不足之处你对以前所学的只是理解的不够深刻，掌握的不够牢固，比如555定时器的搭接.通过这次课程设计之后，我学会了计数器的搭接、数码管的显示电路、74LS147、74LS148的适用场合。 我希望学校能多给我们一些动手操作的机会，多安排一些时间，我想我们会学到更多实践相关的知识。 此次设计由于我们的学业不精和时间等客观问题，未能使设计达到完善，还有很多的缺点，希望老师能提出改进意见，谢谢老师对我们的辛勤栽培。七 七主要参考文献1、王义军. 数字电子技术基础【M】.北京：中国电力出版社2、韩学军.模拟电子技术基础【M】.北京：中国电力出版社3、童诗白.模拟电子技术基础【M】.北京：高等教育出版社.4、阎石. 数字电子技术基础【M】.北京：高等教育出版社.5、康华光.电子技术基础【M】.北京：高等教育出版社.6、张庆双.电子元器件的选用与检测M.机械工业出版社,2002