智力竞赛抢答器.docx

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智力竞赛抢答器

辽宁工业大学

数字电子技术基础课程设计（论文）

题目：

智力竞赛抢答器

院（系）：

电子与信息工程学院

专业班级：

电子091

学号：

090404012

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2011.12.12—2011.12.23

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电子与信息工程学院教研室：

电子信息工程

学号

090404012

学生姓名

专业班级

电子091

课程设计题目

智力竞赛抢答器

课程设计（论文）任务

设计参数：

1．五人参赛每人一个按钮，主持人一个按钮，按下就开始；

2．每人一个发光二极管，抢中者灯亮；

3．有人抢答时，喇叭响两秒钟；

4．答题时限为10秒钟，从有人抢答开始，用数码管倒计时间，0、9、8…1、0；倒计时到0的时候，喇叭发出两秒声响。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

进度计划

1、构思出各种总体方案，绘制结构框图。

（2天）

2、考虑器件的来源，敲定可行方案。

（2天）

3、设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

（2天）

4、绘制电路图并标出说明（2天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

摘要也称内容提要，概括研究题目的主要内容、特点，文字要精练。

中文摘要一般不少于200字，外文摘要的内容应与中文摘要相对应。

关键词：

关键词1；关键词2；关键词3；关键词4

注意：

关键词不少于2个

目录

第1章设计要求

智力抢答器要求

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

电路设计

定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。

主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

扩展电路完成定时抢答的功能。

图1.1.1

图1所示的定时抢答器的工作过程是：

接通电源时，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：

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，然后由译码显示电路显示编号；

②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；

③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；

④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。

当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

第2章基本原理电路

原理与分析

其工作原理为：

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。

原来框图

第3章电路元件的选择与参数

<74LS148>

8线-3线优先编码器74LS148

74ls148逻辑表达式

使能端OE（芯片是否启用）的逻辑方程：

OE=I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE

当OE输入IE=1时，禁止编码、输出（反码）：

A2,A1,A0为全1。

当OE输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：

I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

从以上的的功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为I7，I6，…，I0。

当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。

例如：

I5=0且I6=I7=1（I6、I7优先级别高于I5）则此时输出代码010（为（5）10=（101）2的反码）这就是优先编码器的工作原理。

<74LS192>

十进制可逆计数器74LS192

①该器件为双时钟工作方式，CP+是加计数时钟输入，CP-是减计数时钟输入，均为上升沿触发，采用8421BCD码计数。

②Cr为异步清0端，高电平有效。

③LD为异步预置控制端，低电平有效，当Cr=0、LD=0时预置输入端D、C、B、A的数据送至输出端，即QDQCQBQA=DCBA。

④进位输出和借位输出是分开的。

OC为进位输出，加法计数时，进入1001状态后有负脉冲输出，脉宽为一个时钟周期。

OB为借位输出，减法计数时，进入0000状态后有负脉冲输出，脉宽为一个时钟周期。

<74LS47>

BCD-七段显示译码器74LS47

（1）要求输出0～15时，灭灯输入（BI）必须开始时保持高电平。

如果不灭，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。

（2）将一低电平直接加于灭灯输入（BI）时，则不管其他输入为任何电平，所有各段输出都关闭。

（3）当动态灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。

（4）当灭灯输入/动态灭等输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为低电平时，则所有各段都开通。

（5）BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或两者兼用

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

555定时器在抢答器中的应用有单稳态触发器和多谐振荡器。

NE555构成的单稳态触发器

由555构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R向电容C充电，当V才上升到2/3Vcc时，Vo为低电平，放电BJTT导通，电容C放电，电路进入稳定状态。

若触发器输入端施加触发信号（Vi<1/3Vcc），触发器发生翻转，电路进入暂稳态，Vo输出高电平，且BJT截止。

此后电容C充电至Vc=2/3Vcc时，电路又发生翻转，Vo为低电平，T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。

如果忽略T的饱和压降，则Vc从零电平上升到2/3Vcc的时间，即为输出电压Vo的脉宽tw，tw=RCln3=1.1RC。

（a）电路图（b）工作波形图

NE555构成的多谐振荡器

由555定时器构成的多谐振荡器如下图所示，其工作波形如b图所示。

接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。

当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。

电容器C放电所需的时间为

tPL=0.7R2C

当C发电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc有1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为

tPH=0.7（R1+R2）C

当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为

F=1.43/（R1+2R2）*C

（a）电路图（b）工作波形图

第4章电路设计及仿真

单元电路设计

抢答器电路

如图，该电路实现两个功能：

一是能够过分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码器显示电路显示编号；二是禁止其他选手之后按键无效。

工作过程：

当开关处于清除端时，74LS279的RS触发器段均为0信号，所以四个触发器端均输出为0，此时ST为0，根据74LS148功能表可以看出，该芯片处于工作状态。

当开关达到“开始”端时，抢答器处于等待工作状态，当有选手按下键时，及有一个输入端为低电平，根据74LS148功能表可知，Y1，Y2，Y3处于一种输出状态，Yex输出为0，所以1Q输出为1，74LS47处于工作状态。

根据2Q，3Q，4Q的输出，译码器将显示第一个按下键的选手号码。

并且此时1Q=1，使74LS148的ST=1，所以74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他键的再次输入。

因为只有8名选手，编号从0000到0111，所以74LS47芯片的A3端不需要用到，所以可以直接置地。

如果没有选手按键的话，七段显示译码器就会一直不亮，直到最后此次比赛结束。

抢答器部分仿真如下，当主持人按下开关可实现清零，再次按下开关开始抢答，如选手4按下，数码管显示4并且其他选手无法再次抢答。

仿真结果验证了抢答部分电路的设计成功。

定时电路

电路分为两个部分，一是秒脉冲，由555定时器构成的多谐振荡电路，根据公式振荡周期为T=0.7（R1+2R2）C，可计算出该振荡器的振荡周期为1秒，由于是矩形脉冲，所以一个周期内发光二极管会发一次光。

74192是可预置时间的减计数器，对于预置端可以采用十进制8421BCD码设置，当555振荡器发出一个脉冲时，74LS192的CP-端就接受一个信号，在cp脉冲的上升沿预置数就开始自减，当各位减少到0时，成功实现定时功能。

报警电路及秒脉冲产生电路

工作原理：

其工作过程为当一开关闭合时鸣笛系统鸣笛，因为总电路中抢答器的按钮一按下去，就会有低电平产生，再经过与非门变为高电平使得喇叭的阳极为正，从而鸣叫，但很快又停止鸣笛，因为鸣笛器正负极都进入高电平。

当定时系统倒计时到0时，也可使得其鸣叫，原理如上。

工作原理：

由前面介绍知道，秒信号发生电路由集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。

需要的芯片有集成电路555定时器，还有电阻和电容。

上图为其电路图。

振荡电路是数字钟的核心部分，它的频率和稳定性直接关系到表的精度。

因此选择555振荡器构成的多谐振荡器，其中电容C1为47微法，C2为0.01微法，两个电阻R1=R2=10K欧姆。

此时在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，其震荡频率为：

f=1.43/[]R1=2R2）C]

由上式代入R1,R2和C的值得，f=1Hz。

即其输出频率为1Hz的矩形波信号。

时序控制电路

工作原理：

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，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。

（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

 根据上面的功能要求以及图六，设计的时序控制电路如图九所示。

图中，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。

图八的工作原理是：

主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图六中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CP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ST=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ST=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0，1Q=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，其工作原理如下：

当主持人将开关拨到开始键时，S信号从0变成1，是上升的，但是定时到信号还是1，Yex由于74LS148已经开始工作所以为0，所以根据74LS121功能表可以看到PR会有一个高电平输出，所以扬声器就会发出声音。

在最后结束时候，如果没有选手按键但是时间已经结束，这时候S是1，Yex因为没有选手按键而为1，而又因为定时到信号而又有一个负脉冲输入，所以PR会输出一个正脉冲，从而使扬声器发声。

假如有选手按键，Yex会从1变成0，定时到信号还是1，所以最后也会有一个正脉冲输出，扬声器也会发生的。

整体电路

整体电路图如图4.2.1，可实现如下功能：

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10秒，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。

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5章使用的元器件

74LS148

1片

74LS279

1片

74LS48

3片

74LS192

2片

NE555

2片

电阻

510Ω

2只

1KΩ

9只

4.7kΩ

l只

5.1kΩ

l只

100kΩ

l只

10kΩ

1只

15kΩ

1只

68kΩ

l只

50kΩ

1只

电容

0.1uF

1只

10uf

2只

100uf

2只

共阴极显示器

2只

开关

6只

第6章学习体会

子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技术的综合性训练。

在我以前我从来没有真正的搞过这样的实践设计,所以我非常珍惜这次做课程设计的机会.

虽然我做的仅仅是智力抢答器的设计，但是，完成这一个课题要涉及到许多方面的知识。

我通过上网查询和查阅相关书籍资料，知道了很多关于模拟电路和数字电路的知识，比如555电路的周边元件参数的计算……同时又重新将从前学过的知识看了一遍。

虽然主要的电路设计不是自己的，但是我还是做到对各个集成块的引脚功能和工作原理都很清晰。

从而让我更深一步掌握了模拟电子技术和数字电子技术，学会了做课程设计的一般步骤。

我首先制定出自己的设计项目，然后通过上网查询和到图书馆查询图书资料，查询相关只是。

其次通过查到的资料翻阅课本和相关资料学习相关知识，最后在理解了设计电路之后进行论文撰写。

通过这次课程设计，不仅培养了我独立分析和解决实际问题的能力，同时也为以后的电路设计以及毕业时的毕业设计打好了基础。

在这次的设计中，使我认识到自己在学习知识中的不足。

特别是对一些部件的不理解，发现我有很多东西都学的不太好。

我真后悔没下大功夫学习模拟电子技术和数字电子技术。

这次的设计我做的是模拟电子设计，所以我还得再把数字电子部分好好看一看。

通过这次设计我想我应该在以后的学习中吸取我不认真搞懂知识的教训，认真对待每一个知识点,脚踏实地的去学习,多向老师和同学请教.在此次设计中我引用了许多网上和书上的资料，并且学会了用EWB和Multisim制作电子电路,但是我画的不是很好，画的不是特别的明白，不过我学到了很多。

不过我的设计中还存在有很多的不足之处，还望老师予以指正，提出修改的建议

第7章参考资料及所用软件

1，《电子技术基础（数字部分）第五版》康华光主编高等教育出版社

2，《数字电子技术基础》第四版》阎石主编高等教育出版社

3，《电子实验与实践》付家才主编高等教育出版社

4，绘图及仿真软件EWB和Multisim