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高等教育出版社
[2]孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计[M].北京：
[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
5.计分电路设计·
·
15
6.整体电路的仿真与调试·
17
7.仿真时的问题与解决·
20
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。
74LS148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０；
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274LS148管脚图
表174LS148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１S和３S有两个输入端，Ｓ１和S２均为相与的关系。
本设计中，将S１和S２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374LS279管脚图
表274LS279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（Σ）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474LS283管脚图
A1、A2、A3、A4为四位二进制加数A输入端，B1、B2、B3、B4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所示。
图574LS48管脚图
表374LS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974LS192引脚图
表474LS192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的长短与电容的充电时间有关。
充电时间常数T充=（R1＋R2）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（1/3～2/3）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，选手每答对一题加一分。
74lS160的管脚排列和功能表如图16，表5：
图1674ls160管脚排列
表574LS160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（InteractiveImageTechnoligics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207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。
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
74LS279RS锁存器两片
74LS1488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：
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（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
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