抢答器设计(共25页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上5.抢答器电路设计一.设计目的1.进一步熟悉和掌握数字电子电路的设计方法和步骤2.进一步将理论和实践相结合 3.熟悉和掌握仿真软件的应用二、设计任务（内容）(1)可容纳八组参赛的数字式抢答器。(2)电路具有第一抢答信号的鉴别与保持功能。 (3抢答优先者声光提示。 (4)回答计时与计分。三、设计要求1完成全电路的理论设计 2参数的计算和有关器件的选择 3对电路进行仿真4撰写设计报告书一份；A3 图纸至少1张。报告书要求写明以下主要内容（1）总体方案的选择和设计 （2）各个单元电路的选择和设计 （3）仿真的过程的实现参考资料1彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育

2、出版社2孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计M. 北京：高等教育出版社3梁宗善. 电子技术基础课程设计M. 武汉：华中理工大学出版社4张玉璞，李庆常. 电子技术课程设计M. 北京：北京理工大学出版社5谢自美.电子线路设计实验测试（第二版）M.武汉：华中科技大学出版社目录13551014155.计分电路设计156.整体电路的仿真与调试177.仿真时的问题与解决20212222一、设计任务和要求在智力竞赛时，常常需要选手反应快，限时抢答。本次设计利用中小规模数字集成电路，设计多路抢答器，实现限时和计分功能。多路优先抢答器功能要求：基本功能：1.涉及一个八路竞赛抢答器，可同时供8名参赛选手

3、抢答用，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是J1、J2、J3、J4、J5、J6、j7、j8.2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编码显示数码管灭灯）和开始。3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编码立即锁存并在LED数码管上显示出选手的编号。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零。4.计分系统分别对应八位选手，选手每答对一题，则连通开关加一分，然后断开开关。扩展功能：1.参赛选手在规定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显

4、示选手编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清零。2如果规定抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统封锁抢答电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00，同时报警电路会响，禁止答题指示灯会亮，直到关闭报警开关为止。二、设计方案的选择与论证根据设计要求将八路抢答器分为主电路和扩展电路两部分。主电路完成基本的抢答功能，即：开始抢答后，当选手按动抢答按钮后，能显示选手的编号，同时能封锁抢答电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成限时及报警功能以及计分过程。比赛开始时，节目主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，编码显示器灭灯，限时显示器上显示限定时间。当节目主持人宣布“抢答开

5、始”并将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，限时器开始倒计时。若限定时间到，却没有选手抢答时，报警电路报警，指示灯亮起，并封锁输入电路禁止选手超时抢答。若选手在限定时间内按动抢答按钮，抢答器需完成以下工作：1.优先编码器电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；2.指示灯亮起，提醒节目主持人注意；3.控制电路对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；4.控制电路使限时器停止工作，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。当选手将问题回答完毕时，主持人操作控制开关，是系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。八路优先抢答器

6、的工作过程：主持人按动开始抢答的按钮后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器再经过数据锁存器，此时已限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示管，将最先抢答的选手的编号显示出来，并同时使指示灯亮起，至此完成了抢答功能。如果无人抢答，30秒减计数器减到00，会使到时指示灯亮，且有报警声。八路优先抢答器设计总体方框图如图1所示。三、电路设计计算与分析1.抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，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。因此选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成以上功能。74LS

7、148是八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器出于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一个为有效电平时，GS才有效。因此可以根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。编码器在电路中的功能是判断抢答者的编号。 其引脚图和逻辑功能表分别如图2和表1所示。 图2 74LS148管脚图表1 74LS148功能表74LS279是由4个RS锁存器组成，且均为与非门构成的RS锁存器。其中S和S

8、有两个输入端，和S均为相与的关系。本设计中，将S和S连在一起共同控制输出。其引脚图和真值表（注：R、S不能同时有效，否则输出不能确定）分别如图3和表2所示。图3 74LS279管脚图 表2 74LS279真值表 74LS283为快速进位四位二进制全加器。全加器可完成两个4 位二进制字的加法。每一位都有和（）的输出，第四位为总进（C4）。本加法器可对内部4 位，进行全超前进位，在10ns之内产生进位项。这种能力给系统设计者在经济性上提供局部的超前性能，且减少执行行波进位的封装数。它的管脚图如图4所示。图4 74LS283管脚图 A1、A2、A3、A4为四位二进制加数A输入端，B1、B2、B3、B

9、4为四位二进制加数B输入端,CO为低位片进位输入端，C4为向高位片进位输出，SUM-1、SUM-2、SUM-3、SUM-4为本位和输出端。74LS48为七段显示译码器。该集成译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。BI/RBO为灭灯输入，当BI=0时，所有字形熄灭。LT为试灯输入，当LT=0且RBO=1时，显示字形为8，常用于检测自身的好坏。RBI为动态灭灯输入，当LT=1，RBI=0且输入均为0时，输出均为低电平，数码管“灭零”。译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极数码管。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。其管脚图和逻辑表分别如图5和表3

10、所示。 图5 74LS48管脚图表3 74LS功能表数码显示管分为共阴极和供阳极两种。它们是由若干个发光二极管组成显示的字段。当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光，控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符。共阴极数码显示管是将所有发光二极管的阴极连在一起，公共端3，8接低电平，当某个字段的阳极接高电平时，对应的字段就点亮。它的管脚图和内部结构图分别如图6和图7所示。图6 数码显示管管脚图 图7 数码显示管内部结构图 根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如图8所示。图8 抢答电路图2.限时电路设计设计要求抢答器具有限时功能，将一次抢答的时间设置为30S。设计中选用十进制同步加/减

11、计数器74LS192进行设计，74LS192具有置数和清零功能，其引脚图和功能表分别如图9和表4所示。图9 74LS192引脚图 表4 74LS192功能表 根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制加减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端BO与十位74LS192的CPD即可实现100进制减计数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPU端口必须接高电平。计数器的时钟由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路的提供可以有两种选择方案：方案一：用555构成的多谐振荡器构成。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电

12、路。由555定时器构成的多谐振荡器如图10所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电

13、容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。 图10 多谐振荡器振荡频率为方案二：有石英晶体振荡器提供时钟脉冲。石英振荡器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优

14、点，被应用于家用电器和通信设备中。如图11所示图11 多谐振荡器经过比较，多谐振荡器频率稳定性比石英晶体振荡器较差，而且其精确度也远没有石英晶体振荡器那么高，但是考虑到在此次电路中的实际情况，石英晶体振荡器的造价等要求高于多谢振荡器，所以采用方案一的多谢振荡器来提供时钟脉冲。如图12所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。我们设定产生的时钟脉冲的时间间隔是一秒，根据计算可以得出电阻R与电容C的关系，给定电容值，可适配解出电阻值得到如下图的电路：图12 多谐振荡器 由以上集成芯片设计的限时电路如图13所示。 图13 限时电路3.报警电路设计报警电路只是采用了一个蜂鸣器和

15、LED发光二极管构成，其电路如图14所示。图14 报警电路 4.时序控制电路设计时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成三项功能：a.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和限时电路进入正常抢答工作状态。b.当竞赛选手按动抢答健时，抢答电路和限时电路停止工作。c.当限定的抢答时间到，无人抢答时抢答电路和限时电路停止工作。本设计采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路进行连接，以实现上述功能要求，如图15所示。 图15 时序控制电路5.计分电路设计计分电路用来实现对选手答题情况的统计，故采用前文中提到过的555来设计多谐振荡电路来提供脉冲，采用两片74LS160来实现计数0-99，选手每答

16、对一题加一分。74lS160的管脚排列和功能表如图16，表5：图16 74ls160管脚排列表5 74LS160功能表计分电路整体连接图17：图17 计分电路6.整体电路的仿真与调试（1）通过控制电路将抢答、限时、报警、时序、计分电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总体电路图如图18所示。图18 抢答器整体电路（2）仿真软件的介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰

17、富的仿真分析能力。通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。（3）抢答器电路的仿真a.主持人将控制开关拨到开始位置，抢答电路和限时电路进入正常工作状态。运行结果如图19所示。图19 开始抢答电路结果图b.在在规定时间内当选手按动抢答键，抢答电路和限时电路停止工作，同时数码管显示相应选手的编号，指示灯亮起。运行结果如图20所示。 图20 7号选手抢答结果图c.在规定时间内无人抢答，抢答电路和限时电路停止工作，选手

18、再按抢答键，将不会显示编号，同时限时电路显示00，报警器报警，报警指示灯亮起。运行结果如图21所示。图21 无人抢答电路运行结果7.仿真时的问题与解决：设计按照的电路图连接器件，在仿真软件上进行调试，出现如下问题：（1） 连线问题，元器件之间不能正常连接，连线交叉过多，电路图看起来十分混乱。（2） 元件参数的计算选择不是很合理，电容、电阻的参数选择未能使输出时钟脉冲的时间达到理论要求。主要就是上述的问题，对上述问题的解决方法是：（1） 在元件之家以添加节点的方式使其正常连接，同时更改元器件放置位置，重新选择管脚连接顺序，再次布线。（2） 通过查阅资料，修改给定的电容参考值，重新计算电阻的值，多

19、次修改调试，直到到达理论值。四、设计总结与心得通过本次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电知识，加强了对重要知识点的记忆和理解，还进一步巩固了运用EDA技术相关软件，这次课设增强了我学习数电的兴趣。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

20、设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。通过这次练习我收获很多，受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。通过这次课程设计，我也发现了自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题不太全面，自己的专业知识掌握的不很牢固，所掌握的电路应用元件还不够多，我希望自己的这些不足之处在以

21、后的学习过程中能够得以改善。而且，通过这次课程设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出很好的榜样。我将在以后的学习和生活中不断提升自己！最后，还要感谢学校给我们提供这次课设的机会，感谢老师对我的指导！五、 设计元件清单74LS48 七段显示译码器 一片74LS283 四位二进制全加器 一片74LS279 RS锁存器 两片74LS148 8线-3线优先编码器 一片74lS160 同步十进制计数器 两片74LS192 十进制同步加/减计数器 两片LMC555 定时器 两片74LS12 三输入与非门 一片74LS00 二输入与门 一片74LS04 非门 三片数码显示管3个

22、发光二极管2个 蜂鸣器1个 电容、电阻、开关、电源若干六、 参考文献（1）阎石主编. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2010（2）陈光明 施金鸿,等编著.电子技术课程设计与综合实训.北京：北京航空航天大学出版社，2007（3）郭永贞主编. 数字电路实验与EDA技术. 南京:东南大学出版社,2010(4)唐赣 吴翔，等编著. Multisim10&Ultiboard10 原理图仿真与PCB设计.北京：电子工业出版社，2008（5）欧阳星明编著. 数字电路逻辑设计. 北京：人民邮电出版社，2011（6）薛鹏骞 梁秀荣，等编著.电子设计自动化技术实用教程.徐州：中国矿业大学出版社，2007专心-专注-专业