数字电子技术课程设计报告多路数字式竞赛抢答器的设计与制作.pdf

目录 1、设计目的.-1-2、设计任务及内容要求.-1-2.1 设计要求.-1-2.2 实现功能.-2-3.系统总体设计及参数计算.-3-3.1 系统的总体框图.-3-3.2 系统工作原理.-4-3.3 系统各部分模块设计.-5-3.3.1抢答器的主体电路设计.-5-3.3.2定时电路设计.-6-3.3.3报警电路的设计.-9-4、完整的模拟仿真电路图.-10-5、设计总结与体会.-10-6、参考文献.-11-1-1、设计目的 在电视和学校中我们会经常看到一些智力抢答的节目，如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。在数字电路设计的过程中具体的目的如下：（1）掌握集成编码器、译码驱动器、可逆计数器、RS 锁存器、单稳态触发器及其门电路的工作原理与使用方法；（2）设计制作一个可供六组参赛的数字式竞赛抢答器，每组设置一个抢答按钮，要求具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能，具有计分及计时功能，设置犯规报警电路。2、设计任务及内容要求 2.1 设计要求 1）六组参赛者在进行抢答时（用 6 组 LED 代表），当抢先者按下面前的按钮时，抢答器能准确地判断出抢先者，并以声、光为标志。要求声响、光亮时间为 9 秒后自动熄灭。2）抢答器应具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其他各组进行抢-2-答。3）抢答器应具有限时（抢答时间、回答问题时间）的功能。限时档次分别为 30 秒、60 秒、90 秒；时间到时应发出声响。同时，时间数据要用数码管显示出来。4）抢答者犯规或违章时，应自动发出警告信号，以提示灯光闪为标志。5）系统应具有一个总复位开关 2.2 实现功能 设计一个抢答器，可同时供 6 个选手参加比赛，编号分别是：1、2、3、4、6、6，各用一个按钮，按钮的编号与选手编号相对应，分别为 S1、S2、S3、S4、S5、S6。给节目主持人设置一个控制开关 S0，用来控制系统的清零（选手编号显示灯灯灭）和抢答的开始。抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动按钮，编号立即锁存，选手相应显示灯亮，同时扬声器给出响应提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。抢答提示：当主持人按钮弹起时，即抢答开始，扬声器会响应短暂时间提示选手可以抢答。有选手抢答时，扬声器也会给出响应提示提醒主持人注意。当倒计时时间到时，还没有选手抢答，扬声器给出响应提示，由主持人来关闭响应并倒计时复位。-3-倒计时功能：由主持人根据题的难易程度设置抢答时间，当倒计时到时显示数据“00”并锁存此数据，同时扬声器给出响应提示。锁存选手抢答的时间并显示的功能：抢答开始后，若有选手按动按钮，倒计时时间停止，同时显示当前选手抢答所剩余的时间，直到主持人将系统重新复位为止。本次抢答器的课程设计采用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们上学期学完的数字电子技术课程联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义。本次设计中用了一些成型电路，如 4D 锁存器、NE555 标准秒脉冲电路、编码译码显示电路等。3.系统总体设计及参数计算 3.1 系统的总体框图 -4-图 1 3.2 系统工作原理 接通电源后，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。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，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，同时编号对应的提示灯亮；控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。主持人控制总开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。-5-3.3 系统各部分模块设计 3.3.1 抢答器的主体电路设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用 4D 锁存器及与非门电路可以完成上述功能，其电路组成如图 2 所示。其工作原理是：抢答互锁电路由 74ls147 编码器，基本 RS 触发器，74LS138 译码器组成。四个开关分别由四组队员控制，如图中，一号队抢答按下开关，由编码器编码 001，由于反码输出则输出 110，经过基本 RS 触发器，对反码译为原码，此时 148 译码器 GS 端产生低电平，表示输出允许，并输入到基本 RS 触发器中，则第一个触发器 Q1 输出高电平，回到编码器 IE0 端，禁止输入信号，实现锁存功能，其他队无法继续抢答。此时由 138 译码器译码，相应的产生低电平信号输出给发光二极管，使其导通，发光二极管亮实现抢答显示功能。抢答部分电路图：-6-图 2 3.3.2 定时电路设计 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、74HC4511 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 5 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，如果要设置为 30s，就可以在计数器的预置数控制端输入 00110000。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上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计的剩余时间；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。秒脉冲产生电路：秒脉冲由 NE555 提供，电路的振荡周期和频率计算如下：CR212ln 2ln)(212CRRT 2ln)2(2121CRRTTT CRRCRRf)2(43.12ln)2(121210 -7-振荡频率为HZf110)68215(43.10，所以，T=1s。计数电路：十进制计数器品种很多，有十进制加法计数器、十进制减法计数器和十进可逆计数器，下面仅以 74LS192 同步十进制可逆计数器为例。介绍它的功能特点。74LS192 是属 8421BCD 码，具有双时钟脉冲输入端 CPU 与 CPD,当 CPU 为正跳沿时，进行加法计数；当 CPD 为正跳沿时，进行减法计数。此时LD=1.正向与反向计数时的预置数是单独的，当LD=0 时，可进行并行预置数据。具有独立清除端rC，当rC=1 时，可执行清零功能。具有借位输出端 BO 和进位输出端 CO。表 3 为其真值表。表 3 74LS192 十进制可逆计数器功能表 1 输 入 输 出 UCP DCP rC LD A B C D AQ BQ CQ DQ X X H X X X X X L L L L X X L L A B C D A B C D H L H X X X X 加法计数 H L H X X X X 减法计数 H H L H X X X X 保 持 译码电路：74HC4511 七段显示译码器，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。LT、BI、LE 为 3 个辅助控制端。BI 为灯灭输入端，可作为输入，输出使用。当作为输入使用。且 BI=0 时，无论其-8-他的输入端是什么电平，所有各段输出ga 均为 0，所以字形熄灭；LT 为试灯输入，当 LT=0 时，字形显示 8；动态灭零输入 LE,当LE=0,BI=LT=1 时显示字形 0，故称“灭零”。表 5 为其真值表。表 5 74HC4511BCD-七段译码器功能表 输入 输出 显示 LE BI LT D4 D3 D2 D1 Qa Qb Qc Qd Qe Qf Qg L H H L L L L H H H H H H L 0 L H H L L L H L H H L L L L 1 L H H L L H L H H L H H L H 2 L H H L L H H H H H H L L H 3 L H H L H L L L H H L L H H 4 L H H L H L H H L H H L H H 5 L H H L H H L L L H H H H H 6 L H H L H H H H H H L L L L 7 L H H H L L L H H H H H H H 8 L H H H L L H H H H L L H H 9 计时部分电路图：-9-图 3 3.3.3 报警电路的设计 采用 TTL 与非门组成单稳态触发器构成报警电路，如图 6 所示。当 5 的输入端有下降沿时，由于电容的充放电的作用，3 的输出端也会由稳态跳到暂态再跳回稳态，且 3 是由 1 跳到 0 再跳回 1，要想扬声器有短暂的声响，需要在 3 的输出端加个反相器。此报警电路可完成三部分的提示响应：抢答开始提示，选手抢答提示，倒计时时间提示。由门电路构成的单稳态的脉冲宽度的计算：RCT7.0，取R=180K,C=,输出的高电平的时间 9s，即扬声器响应大约 9s的时间。报警部分电路图：图 4 -10-4、完整的模拟仿真电路图 图 5 5、设计总结与体会 这一周的课程设计既考察了我们对数字电路知识的掌握情况,也使学过的知识得到了很好的巩固与复习，更重要的是它把原来所学的理论知识与实际的生活联系在了一起,使学习变成了一种乐趣,使知识能够更加形象具体的被掌握。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题-11-就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手设计仿真让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！希望以后还能够有像这次一样自己动手的机会。6、参考文献 电子电路试验及应用课题设计:中国科技大学出版社.数字电子技术基础:中国电力出版社 实用 555 时基电路 300 例：中国电力出版社 实用电子电路 200 例：机械工业出版社 仿真软件教程:Multisim 和 MATLAB：清华大学出版社 电子电路设计手册：科学普及出版社