数字抢答器课程设计.docx
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数字抢答器课程设计
目录
1设计任务与要求1
1.1设计目的1
1.2设计要求1
1.3数字式抢答器的使用步骤和要求1
2总体设计思路及方案比较2
2.1设计原理2
2.2方案的比较与选择2
2.3总体框图3
2.4根据框图设计出电路原理图：
（见附录1）3
3单元电路设计3
3.1报警电路:
3
3.2时序控制电路4
3.3抢答电路:
5
3.4定时电路:
6
3.5译码显示电路7
3.6锁定电路:
9
4组装与调试10
4.1元件测试与分析10
4.2连接电路11
5元器件清单12
6心得体会12
7附页13
附录1原理图13
附录2PCB图14
附录3装配图15
数字抢答器课程设计
1设计任务与要求
1.1设计目的
掌握译码器、十进制加/减计数器的逻辑功能和工作原理，设计可预置时间的四路电路；分析与设计时序控制电路。
画出四路抢答器的整机逻辑电路图，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。
并能对其在电路中的作用进行分析。
另外还要掌握电路原理和分析电路设计流程，每个电路的设计都要有完整的设计流程。
1.2设计要求
1、所设计的数字抢答器可供四路抢答者使用，其中一路按规定优先抢答时具有互锁排他的功能。
2、具有数字显示优先抢答者的序号功能，同时配有声、光报警功能。
3、对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除用声、光信号报警外，还要显示犯规者序号的功能。
4、抢答器要有30秒和60秒二级定时功能。
5、抢答器要有复位和起动的功能。
1.3数字式抢答器的使用步骤和要求
1、电路上电后要使用前，必须进行系统复位。
2、抢答主持人确定抢答允许时间30秒或者60秒，用开关确定。
3、抢答主持人发出抢答器命令后同时搬起起动定时开关。
4、抢答者听到抢答开始命令后要通过面前的按钮开关输入抢答信号。
2总体设计思路及方案比较
2.1设计原理
工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时，扬声器给出声响提示。
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、扬声器提示。
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。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
2.2方案的比较与选择
方案一：
采用CD40175四D触发器，CD4511，CD4081四2输入与门各1个电阻开关，二级管若干，构成枪答器，本电路工作原理也利用开关与二级管结合做编码用。
同时在按钮按下的时候也发出一个脉冲到CD40175的CP输入端，使其输出在CP脉冲下翻转，利用四D触发器的四个（Q反）经CD4081与门后控制CD40175的CP脉冲使其电路锁住封锁按键禁止抢答。
倒计时电路采用CD4510与CD4511配合。
方案二：
自行设计抢答器.自行设计制作的抢答器针对性强,并且还可以兼顾实用性,可靠性以及经济成本的合理性.适当的时候还可以发挥个人的设计思路,在设计中改进,在改进中设计.针对我们毕业设计课题,采用自行设计的方法还可以检查我们所学知识的掌握能力,锻炼我们的动手能力.
方案三：
数显抢答器用CMOS集成电路制作，由触发器，编码器，显示译码器，音响电路，555时基电路等组成。
用七段数码管显示抢答者的组别号码，并有声音指示已有人抢答，有人抢答后能自动闭锁其他各电路输入，使其他组再按开关时失去作用.
本电路采取方案三
2.3总体框图
采用CMOS集成电路制作，由触发器,编码器，显示译码器，显示器，音响电路等组成，可供4人抢答，用七段数码管显示抢答者的组别号码，而且有声音指示已有人抢答，有人抢答后能自动闭锁其他各电路输入，使其他组再按开关时失去作用。
其组成框图和电路图如下：
2.4根据框图设计出电路原理图：
（见附录1）
3单元电路设计
3.1报警电路:
由555定时器和三极管构成的报警电路。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
如图
3.2时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。
工作原理是：
主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。
当定时时间到时，则"定时到信号"为0，=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
3.3抢答电路:
优先判决电路俗称抢答器。
它主要由输入开关、判决器、灯光显示电路及音响电路等部分组成。
如图
（一）是由74LS175型四上升沿D触发器等器件组成的四人抢答电路。
输入开关和灯光显示由数字逻辑实验箱中的并行逻辑开关和高低电平逻辑信息指示器提供。
74LS175四D触发器、74LS20四输入二与非门和二输入四与非门组成判别器。
时钟脉冲为1kHz。
74LS175它的清零端CLD和时钟脉冲CLK是四个D触发器共用的。
74LS175外线排列如图
（二）
图
（一）
图
（二）
3.4定时电路:
对于定时电路我们采用555时基电路，该电路结构简单，定时方便，应用十分广泛，该电路由R1_1、R2_2、C1_1和按键开关S组成负脉冲电路，当电路处于稳态时，触发输入2端处于高电平，电容C1_1两端电位相等且为电源电压。
每当按下S，C1_1的一端接地，由于电容两端不能突变，使2端电位在S按下的瞬间突变为低电平，然后随着C1充电（充电时间常为1mS），2端电位升高，即产生一个负脉冲，使定时器触发并在一定时间内工作一次；当放开按键时，C1_1通过R1_1、R2_1放电，回到C1_1两端电位相等并等于电源电压的状态。
电路中R3_3、Rp、C2_2为定定时原件，该定时器的时间可设定为1-111S连续调节。
要准确调节时间应计算Rp，然后把Rp调节到该值处，接入电路再精确调节
3.5译码显示电路
由专用频道数显译码器CD4511，电阻R10，数码显示管LT5547组成。
译码器的逻辑功能是将每一个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号，是编码器的反操作。
数码管可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动，所以使用译码器将BCD编码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD编码表示的数值。
CD4511真值表:
输 入
输 出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
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8
X
0
1
X
X
X
X
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消隐
0
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0
0
消隐
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1
X
X
X
X
锁 存
锁存
1.数显抢答器的仿真电路图如图2-2所示。
图中U2为蜂鸣器，通过双击蜂鸣器可自己设置其工作电压及功率。
IC3A为四输入或门。
2.画原理图时应注意元器件在电子工作平台的布局要合理，疏密适当，输入输出关系清楚，而且原理图应比较美观。
3.
（2）显示抢答器的仿真过程
4.接通仿真开关，激活电路，按R键，使S5闭合并断开，观察数码管的显示数字，并试听蜂鸣器发声情况（此时数码管应不显示任何数字，蜂鸣器不响）。
5.先按A键，S1闭合并断开，其他开关不动，此时数码管显示数字“1”，蜂鸣器鸣响，再分别按B键、C键、D键，如数码管显示的数字不变（仍为“1”），说明电路具有自动闭锁功能。
按R键，数码管不显示数字，蜂鸣器不响。
6.分别按B键、C键、D键，重复以上步骤，观察数码管显示的数字并试听蜂鸣器鸣响情况。
先按B键时数码管应显示“2”，先按B键时应显示“3”，先按C键应显示“4”。
7.将CD4069的输出端断开，将S1、S2、S3、S4的公共端接至电源，重复以上步骤，此时会发现电路没有闭锁功能，复位后按A键，数码管显示“1”，再按B键，显示“3”。
8.如果蜂鸣器不响，数码管会显示数字，双击蜂鸣器。
查看蜂鸣器设置的工作电压是否合适（可能蜂鸣器工作电压设置得过高，可设置为8V或9V或更低电压）。
9.由于触发器的直接置“1”端和直接置“0”端不能同时起作用，因此在仿真过程中，S1，S2，S3，S4不能闭合，操作过程要注意。
10.仿真分析
11.数显抢答器的仿真电原理图
12.从元器件库中调出各个元器件，放在电子工作平台上，显示蓝色的器件为真实的元器件，黑色显示为虚拟元器件，双击虚拟元器件后可更改其、数值不，而真实元器件只能进行替换。
从库中调出的开关操作键为空格键，双击后将其改为其他键。
数码管用“SEVEN-SEG-DISPLAY”。
CMOS集成电路调用库中电源为10V的集成电路。
3.6锁定电路:
存电路是由四个由下降沿触发的触发器和一个74LS148优先编码器组成的．．清零后，各触发器输入都为低电平，其反向输出为高电平，且都输送到74LS148中，这时，74LS148的输出使能端GS为高电平，并且高电平信号都送到各触发器的JK端，根据JK触发器的工作原理可知，JK同时为高电平且处于工作状态时，只要CP端有触发信号时就会触翻转．当清零端输入高电平时，所有的触发器处于工作状态，这时如果有一个触发器触发翻转，其输出就为１，反向输出端则为０．低电平输送到74LS148，编码器编码，其GS输出为低电平，输送到各触发器的JK端，此时，即使其它触发器再有触发信号，也不会发生翻转．
在有的设计方案中,主要的锁存是通过一个六输入的与非门实现的.就是把各触发器的Q非端连到一个六输入的与非门中,因为清零后,各Q非端的输出都是高电平,经与非门后,输出就为低电平,再令其反向,就成了高电平,输送到各触发器的JK端,当有一抢答后,其Q非端就会由高电平翻转为低电平,由与非门的逻辑功能可知,有一端输入为零,其输出就为1,再经反相器后就变为零,这样同样也实现的锁存功能.
4组装与调试
4.1元件测试与分析
CMOS集成电路CD4013、CD4511、CD4072、CD4069可用SUPERPRO系列通用编程器测试，IN4148和三极管用万用表判别极性及好坏。
蜂鸣器两端接上10V电源，峰鸣器应会响。
数码管的检测同发光二极管的检测相同，用万用表无法检测其发光情况，电源和限流电阻进行检测。
CMOS集成电路CD4013、CD4511、CD4069也可以自己在电路板上搭简单电路测试，注意不用的输入端不能悬空，如何搭接电路要根据集成块的功能而定，比如CD4013双D触发器右用如下方法检测：
直接置“1”端接地，CP、D，直接置“0”端接VDD测输出Q端应为低电平；CP、D，直接置“1”端接地，直接置“1”端接VDD，测输出Q端应为高电平；RD、SD接地，如图5-1所示，再接一次按按钮开关，触发器输出的状态变化一次。
4.2连接电路
按电路图连接电路。
先在电路板上插好各种器件。
在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时要保证各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。
指示灯的正、负极不能接反。
在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。
4.3电路调试
首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。
若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。
1）.显示电路的调试
显示电路主要是由一块74LS148和一块7448芯片以一个七段LED数码显示器组成的.在调试时,可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常.
2）锁存电路的调试
在调试锁存电路时,我们可以在各触发器的Q端接各接上一个发光二极管,接上电源,主持人开关打开,任意按下一路抢答开关,看其对应的发光二极管是否亮,然后再按其它开关,这时其它的二极管应该不发亮才算正常.
3）清零电路调试
清零是由主持人控制的.这个电路比较简单,只有一个指示灯,当主持人开关断开时,指示灯通过接地连接到各触发器的清零端,这时七段LED数码显示器应显示为0,如果不为零则电路不正常.
4）报警电路调试
调试本电路时,可以借助示波器来进行.把由555组成的单稳触发器和多谐振荡器的信号输出端分别接到示波器的两个通道上,接上电源,由示波器的波形来判断报警电路是否工作正常.
5元器件清单
边沿JK触发器4灯泡1七段LED数码显示器1
开关5二输入与非门174Ls148编码器1555定时器2电阻1474LS192编码器1
74LS175译码器1扬声器1二极管4
6心得体会
又到了一学期的课程设计了，在这样一个既痛苦又充实的时光里，我学到了一些有用的东西。
有的时候要说做一件事是很容易的，但是要做好一件事是很不容易的。
此次课程设计可以使得我把平时课堂上学的理论知识运用到实中。
通过课程设计，才发现自己有好多的地方都还很欠缺，于是就要去上网查阅或翻阅各种资料，这又提高了我学习的兴趣。
可以加深我们对的理论知识理解，为以后下一步的学习打下的基础。
无论理论上电路是画得多好,但在完成过程中都会碰到或多或少的问题,我们学会仔细讨论和分析,只有这样我们才会发现问题,才能对问题进行分析,从而解决问题。
在设计中,还学习应用了电脑模拟仿真,我觉得这也是一个学习的关键要点.在平时的学习中都是学习书上的理论知识,但我们对某个电路的实际工作情况以及其正确与否就从来没有见到过没有验证过。
在设计的时候,我们以理论为基础,可以运用一些电脑模拟软件,如ProtelDXP等,在电脑上先连好电路图进行模拟,这样可以检测出里面存在的问题,然后我们加以改正.到真正组装和调试时就能做到事半功倍了。
这一周的电子线路设计实习，留给我留下了深刻的印象.真是看着容易做起来难啊。
我相信这只是对我们的一个小小的考验，人生还有很多这样或那样的设计等着我们
7附页
附录1原理图
附录2PCB图
附录3装配图
参考文献
1.《电子线路课程设计》陈晓文
2.《电子技术基础实验与课设计》高吉祥.电子工业出版社
3.《数子电路实验与课程设计》吕思忠.哈尔滨工业大学出版社
4.《电子技术基础》康华光.北京：
高等教育出版社1999年
5.《数字电子技术》彭华林等编.长沙：
湖南大学出版社2004年
6.《电子测试技术》金唯香等编.长沙：
湖南大学出版社2004年
7.《数字电路实验一体化教程》侯建军.北京：
清华大学出版社，北京交通大学出版社2005年
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