数字八路抢答器及方波三角波正弦波转换器.docx
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数字八路抢答器及方波三角波正弦波转换器
课程设计说明书
课程设计名称：
电子课程设计
课程设计题目：
数字八路抢答器
学院名称：
信息工程学院
专业：
班级：
学号：
姓名：
评分：
教师：
2013年11月30
电子课程设计
2013－2014学年第1学期 第1周－3周
题目
数字八路抢答大器
内容及要求
1同时供8位选手参赛；
2主持人控制清零和抢答器开始；
3抢答器具有数据锁存和显示功能
4抢答器具有定时（30S倒计时）抢答的功能
5提前抢答和超时抢答无效。
6依据题库，用Protel完成电路原理图的绘制和pcb版的制作
7完成方波-三角波-正弦波转换器电路的设计和仿真
进度安排
1.布置任务、查阅资料、选择方案：
2天；
2.各个任务的具体电路的设计和仿真：
2天；
2.领元器件、制作、焊接：
2天
3．调试：
2天
4.验收：
0.5天
学生姓名：
同组人：
指导时间2013年9月10日～2011年9月25日
指导地点：
综合楼
中506室
任务下达
2013年9月10日
任务完成
2013年9月25日
考核方式
1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√ 4.其它□
指导教师
陈琼
系（部）主任
王忠华
摘要
随着生活水平的提高，人们的娱乐生活也越来越丰富，各类比赛也随之增多，节目的互动竞赛要求也越来越高，对抢答器的要求也就越高，尤其是多人抢答显现出的公平、公正、公开深入人心。
为了满足各种竞赛的需要，本次设计制作了一个智力竞赛抢答器，该抢答器可以同时供8名选手参加比赛。
具体用到的器件是利用74LS系列芯片设计一个八路抢答器，八路抢答器由主体电路与扩展电路组成。
用八个开关来控制高低电平，利用优先编码电路（74ls148芯片），选中其对应的编号，因为优先编码电路无法锁存电平，因此，利用锁存器（74ls279芯片）锁存刚输入的电平，之后，封锁输入电路，利用译码电路（74ls48芯片）将锁存器输出的电平翻译出来后，在共阴数码管上显示出开关所控制的数字选号。
抢答器电路和主持人复位键组成主体电路。
通过555定时电路将秒脉冲产生的信号来控制定时电路（74ls192芯片），利用译码电路（74ls48芯片）将定时电路的电平翻译出来，在显示器上输出实现倒计时功能，并由主持人复位键同步控制，共同构成扩展电路。
利用面包板经过排版、布线、调试等工作后数字抢答器成形。
关键字：
抢答器倒计时电路定时器555芯片
目录
前言4
第一章系统组成及工作原理5
1.1系统组成5
1.2工作原理6
第二章电路的设计及仿真7
2.1电路的设计7
2.1.1抢答器电路7
2.1.2秒脉冲电路10
2.1.3倒计时控制电路11
2.1.4扩展功能12
2.2数字抢答器仿真图13
第三章电路调试与故障排除14
3.1电路安装14
3.2电路调试14
3.3故障排除14
3.4结果分析15
第四章电路改进与展望16
4.1计分器16
4.21-8显示器17
4.3其它改进及扩展17
第五章总结与心得体会18
参考文献19
附录一数字抢答器电路原理图（multisim）20
附录二函数信号发生器仿真图21
附录三函数信号发生器仿真结果22
附录四Protel电子制作23
附录五元器件清单25
致谢词26
前言
随着社会不断的发展，电子技术也得到了飞速的发展，各种电子产品的质量也得到了质的突飞猛进。
其中的抢答器也由以前的简单、功能单一的电路，变为现在复杂、实现功能多的电子产品。
市场上有各种形式的抢答器，但其价格昂贵，在工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛，抢答积分器是必要设备。
在我校举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
因此，为了解决这个问题，本次设计制作了一个八路抢答器，该逻辑电路抢答器可以作为裁判员，满足小型竞赛的要求，既可以节省成本，又可以锻炼自己的实践动手能力。
第一章综述系统的组成以及抢答电路、定时电路和秒脉冲电路三大模块等基本工作原理；第二章从数字电路的设计角度和multisim的仿真图详细阐述了抢答器电路、秒脉冲电路、倒计时控制电路和扩展功能；第三、四章综合介绍电路安装、调式以及故障的排除的基本方法，电路的改进与展望，对八路抢答器提出了更高的要求和改进。
第五章总结了为期三周的课程设计实验与心得体会。
本次课设运用74系列芯片，采用74LS148芯片锁存，采用74LS279芯片编码，采用74LS48芯片译码，NE555产生脉冲，数码管显示号码。
从课程设计的开始到结束都得到了我的老师陈琼教授的细心指导；作者以深切的感激之情铭记着老师的教诲，愿继续努力做好以后的工作，以谢师恩。
报告中一定还会有许多不尽如人意之处，恳请老师批评指正。
2013年11月30日
第一章系统组成及工作原理
1.1系统组成
根据设计任务及要求，将系统分为三大模块：
抢答电路、定时电路、秒脉冲电路。
抢答电路部分完成抢答功能，即开始抢答后，当选手按下抢答键时，能显示选手编号，同时封锁电路，禁止其他选手抢答。
定时电路主要功能是完成定时抢答，即主持人启动“开始”键后，定时器自动减时，并在显示器上显示当前时间。
参赛选手只能在设定时间内抢答。
八路抢答器由主体电路与扩展电路组成。
抢答器电路和主持人复位键组成主体电路，可预置时间的定时电路、时钟产生电路和时序控制电路等几个模块与主持人复位键同步控制电路，共同构成扩展电路。
1.秒脉冲发器
用555时钟电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波。
2．译码显示电路
译码显示电路是由74LS48译码器和共阴极七段数码管LED显示器组成，通过计数器的输出加到译码器的输入，从而实现共阴极七段LED显示器递减的计数功能。
3．编码电路
编码电路由74LS148构成，受选手按钮及译码器电路输出控制。
4．锁存电路
锁存电路由四片74LS279构成，由编码器74LS148及主持人控制。
5．辅助时序电路
控制电路要完成以下功能：
“直接清零”开关时，要求计数器灭灯。
闭合“启动”开关时，计数器应完成置数功能，显示器显示30秒字样，计数器开始进行递减计数。
当“暂停/连续”开关处于“暂停”位置时，计数器继续累计计数。
当计数器递减数到零时，计数器保持零状态不变并封锁输入电路。
1.2工作原理
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；当主持人将开关置于“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作，定时器倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答器完成，当定时时间到，却没有选手作答，显示器显示“00”并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答当选手在定时间内按动抢答键时，抢答器需要完成以下四项工作：
1、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，然后又译码显示电路编号。
2、控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次抢答。
3、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。
4、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。
第二章电路的设计及仿真
2.1电路的设计
本设计包括：
抢答器电路、倒计时电路、秒脉冲电路。
设计框图如图2.1所示：
图2.1数字抢答器设计框图
2.1.1抢答器电路
该数字抢答器电路实现了用显示译码电路将抢答队号显示在数码管上，选用74LS48作为显示译码器，选用LED数码管作为显示单元电路。
一个74LS48和一个LED数码管连接成一个74LS48驱动电路，数码管可从0---9显示，以此来检查数码管的好坏。
74LS48是一个用于驱动共阴极LED数码管显示器的七段译码器。
74LS48引脚图如图2.2所示，功能表如表1所示，译码显示电路仿真图如图2.3所示：
图2.274LS48引脚图
表174LS48七段译码器功能表
（输入信号为0100时）（输入信号为0111时）
图2.3译码显示电路仿真图
抢答器电路完成两个功能：
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；优先编码器既在同一时间内，当有多个输入信号请求编码时，只对优先级别高的信号进行编码的逻辑电路，称为优先编码器，本设计选用74LS148优先编码器。
二是：
禁止其他选手按键操作无效，工作过程：
开关"清除"按下时，使LED数码管不显示，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（S0—S7），经74LS148译码LED数码管显示0-7。
此外，ST’＝１，使数字锁住，处于禁止状态，封锁其他按键的输入，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”然后再进行下一轮抢答。
74LS148为优先译码器，功能表如表2所示，引脚图如图2.4所示，抢答器电路原理图如附录一所示：
表274LS148真值表
图2.474LS148优先编码器
2.1.2秒脉冲电路
倒计时电路主要完成两个功能，一是产生脉冲，这可以用555多谐振荡器和一定值得电阻、电容构成；二是置数为30s并递减，数字送译码电路经LED显示。
其秒脉冲电路和倒计时电路如下，译码电路同上。
本设计的秒脉冲由NE555多谐振荡器输出的方波提供，根据公式
T=（RA+2RB）Cln2
选择合适的电阻R和电容C的值，就能改变脉冲的周期，本方案选择电容C=10uf，RA=79kΩ，RB=33kΩ。
则T=（79k+2*33k）*10u*ln2=1s
实现输出周期为1秒的脉冲信号。
555引脚图如图2.5所示，秒脉冲电路如图2.6所示。
因为仿真系统的示波显示周期不宜过长，电路仿真时选择的原件参数与实际参数不一致。
秒脉冲产生电路图如图2.7所示以及仿真结果如图2.8所示：
.
图2.5555引脚图图2.6秒脉冲电路
图2.7秒脉冲产生仿真图
图2.8秒脉冲产生仿真结果
2.1.3倒计时控制电路
由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答时间可为0-99秒，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。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
74LS192是同步可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。
D0-D3为并行数据输入端，Q0-Q3为数据输出端，CU是加法计数脉冲输入端，CD为减法计数脉冲输入端，LD~为置数控制端，C~为进位输出端（低电平有效）B~为借位输出端（低电平有效）。
74LS192计数器功能表如表3所示，引脚图如图2.9所示，倒计时电路原理图如2.10所示：
表374LS192计数器功能表
图2.974LS192引脚图
图2.10置数电路仿真图
2.1.4扩展功能
1.抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。
当节目支持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示.
2.参加选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
3.如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示”00”。
2.2数字抢答器仿真图
由各个子模块电路和部分逻辑控制电路组成系统图，其仿真图如图2.11所示：
图2.11系统仿真图
第三章电路调试与故障排除
3.1电路安装
在组装过程中我们遇到了很多的问题，首先是对软件不熟悉，这是我第一次接触multisim软件，感觉它比较灵活易用，熟练以后十分顺手。
其次由于面包板的问题，需要将两个面包板合并在一起。
第三是整体电路的布局问题，由于整个面包板面积有限，而本次设计所用的芯片比较多，占用的面积比较大，而且芯片所接的线比较多，必须考虑怎样放置芯片才能使版面整体看上去比较有空间布线，然后芯片的管脚也必须注意，不能接错了管脚，在插拔芯片的时候尤其要注意不能把管脚给弄坏了。
图3.1数字八路抢答器系统图
图3.1数字八路抢答器系统图
3.2电路调试
调试时主要用到的仪表是直流稳压电源和万用表，开始时由于对电路不是很熟悉，调试起来很麻烦，于是逐一的检查线路，反复校对芯片的正确性，怎样都出不来结果，后来换了一组芯片，结果就出来了。
真的是偶然中的必然！
3.3故障排除
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74148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.
3.4结果分析
本系统仿真和面包板显示的结果经调试后是一致的：
接通电源后，倒计时显示时间30s，当主持人按下“开始”后，开始倒计时，允许选手抢答。
当某位选手抢答，显示选手编号并锁住，其他选手抢答无效。
当在规定时间内没有人抢答时，倒计时至“00”后锁住，主持人按下“开始”，重置时间为30s。
本次课程设计完成了设计任务。
第四章电路改进与展望
4.1计分器
扩展电路：
计分器电路，同样采用74LS192计数器计数，设计由主持人手动控制，提供脉冲使得计分器加减，由74LS48驱动显示器显示分数。
设计三个主持人控制键，S1控制减分数，S3控制加分数，S2为复位键。
计分器电路如图4.1所示：
图4.1计分器原理图
4.21-8显示器
在数字抢答器中，将序号为0的组号，在七段显示器上改为显示8，并在四个输入端接一个4输入或非门，改进电路如图4.2所示：
图4.2显示1-8抢答器
4.3其它改进及扩展
（1）可在计时器和计分器的74LS192置位端分别接拨码开关，用以实现根据不同的情况设置不同的倒计时时间和分数。
（2）可以为定时抢答器设计一个报警电路，用以克服蜂鸣器声音小的缺点。
（3）可以给每个选手的设计一个答题器，答题器设有若干个按钮（如4个，A、B、C、D）来作为答题选手的答题键，设计显示器将每个选手的选择答案显示在主持人界面上。
第五章总结与心得体会
这样的课程设计真的很有意义，通过这次八路抢答器的设计，不仅学会了如何做一个简单的多路智力抢答器，更加强了动手能力，也对一些不太熟的器材更加了解，还掌握了以往许多的不太牢固的知识，感觉学到了很多新东西。
自己真真切切的动手设计制作产品，这样的机会在大学很少，深深的记住这次这次饱含汗水的数电课程设计。
这次也发现了自身很多的不足，许多的基本电路都不是很熟悉，在画原理图的时候就不停的找以前的教材，以后还得多看看教材，牢记一些基本的电路。
理论与实际操作是有差距的，在实验中要围绕理论知识，根据实际操作，不断完善实验，
三周的课程设计，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须有耐心和坚持下去的毅力。
在这过程中，深刻的体会到“兄弟同心，其利断金”的重要性。
团队精神是相当重要的，在团队合作中，要善于取他人之长，补自己之短。
与搭档的合作，觉得实验不再枯燥，在他身上学到了遇到问题要勇于思考，善于思考，努力发现问题并能及时解决它，实验需要反复实践，其过程很可能相当的繁琐，有事花很长时间检查电路故障，分析原因，那是心中有点灰心，在几经失败后，特别想放弃，此时更需要静下心来，更仔细的查找原因。
总之，这次实验过程中我受益匪浅，在摸索我和我的搭档实现了课题所要求的结果。
培养了我的设计思维，增加了动手操作的能力。
更让我体会到实现电路功能的喜悦。
最后在这里忠心的感谢学校安排了这次数电课程设计，为学生提供大量的元器件，感谢陈老师的细心指导和辛勤付出。
参考文献
[1]数字电子技术基础、阎石、清华大学电子学教研组、高等教育出版社、2012.11
[2]ProtelDXP2004SP2原理图与PCB设计、刘刚、电子工业出版社、2008.9
[3]电子线路设计与实践、吴慎山、电子工业出版社、2005.9
[4]电子技术基础、康华光、高等教育出版社、2006.1
[5]赵柯，彭嵩.脉冲与数字电路实验指导书.南昌航空大学信息工程学院电子实验中心.2013
附录一数字抢答器电路原理图（multisim）
附录二函数信号发生器仿真图
附录三函数信号发生器仿真结果
1、方波
2、三角波
3、正弦波
附录四Protel电子制作
八路抢答器原理图：
八路抢答器PCB图：
附录五元器件清单
序号
名称
型号/规格
数量
备注
1
共阴数码管
3
只
2
电阻
33K
1
只
3
电阻
1K
2
只
4
电阻
79K
1
只
5
电阻
10K
10
只
6
电容
1nf
1
只
7
电容
10uf
1
只
8
发光二极管
4148
1
只
9
74LS192
2
只
10
74LS48
3
只
11
74LS279
2
只
12
74LS00
1
只
13
74LS148
1
只
14
74LS11
1
只
15
74LS04
1
只
16
NE555
1
只
17
开关
10
只
致谢词
此次课程设计得以完成得到了多方面的支持和帮助，在此表示诚挚的感谢。
本课题在选题及研究过程中得陈琼老师的悉心指导。
陈老师多次询问设计进程，精心点拨、热忱鼓励。
陈老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人。
感谢老师的帮助。
感谢学院给了我们实验室，让我们无忧地进行实验和仿真。
感谢同班同学在整个过程中无私的帮助。
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