数字电路八路智力竞赛抢答器设计.docx
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数字电路八路智力竞赛抢答器设计
《数字电路》课程设计报告
题目:
八路智力抢答器
专业通信工程
姓名******
班级2010级通信本一班
学号*********
指导教师刘明华
时间2012.05—2012.06
教师评分
一设计任务与要求
1．设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，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S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
2．给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
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，编号立即锁存，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为止。
3．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。
当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即倒计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。
参赛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。
如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00.
二实验原理及设计方案
1．功能简述
根据对功能要求的简要分析，将定时抢答器电路分为主题电路和扩展电路两部分。
主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，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及报警功能。
比赛开始时，接通电源，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，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定时间。
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，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。
若定时时间到，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。
若选手在定时时间内按动抢答按钮时，抢答器要完成以下四项工作：
（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）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时，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。
系统框图如下图所示。
八路智力抢答器设计框图
2．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钮操作无效。
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上述功能，其引脚图及真值表如下图所示。
74LS148引脚图
74LS148真值表
74LS148是一八线-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，编码器处于工作状态；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，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。
74LS279引脚图
因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。
编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。
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S2均接高电平，仅利用S1控制输出。
其引脚图如图四所示，下表为SR锁存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。
74LS279真值表
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”。
其引脚图和逻辑图如下图所示，真值表如下图所示。
74LS48的引脚图74LS48的逻辑图
74LS48真值表
由真值表可以看出译码器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，如下图所示。
共阴极数码显示器的功能表如下表所示。
7448组成的四个输入端的数码显示组合电路
7448产生的显示数字
共阴极数码显示器的功能表
十进制
A3
A2
A1
A0
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示
工作原理：
SW1-8为八位选手的抢答开关，SW9单刀双掷开关设为主持人控制开关。
当主持人控制开关置于清零状态时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。
于是74LS48的BI为高，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST为高电平，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。
当SW9置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态。
74LS279的1R、1S均为高电平，由真值表可知，输出1Q为低电平，从而使74LS148输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。
若有选手（假设为3号选手）按动抢答开关（即闭合SW4），此时优先编码器74LS148输入端I3接低电平有效，则输出A2A1A0为100，A2A1A0分别接至4S、3S、2S，根据RS锁存器真值表，2Q3Q4Q输出分别为110，从而74LS48的输入端DCBA为0011，经74LS48译码，显示器上显示“3”。
与此同时，当74LS148输入端有一个为低电平时，GS为低电平有效，即标志译码器处于工作状态，从而使1S为0，此时1Q输出为高电平，致使EI为高电平，74LS148处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。
这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。
抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管变灰，一切恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。
3．定时电路设计
设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为30s）。
设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如下图所示，真值表如下表所示。
74LS192引脚图和逻辑图
P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；
Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；
CR————————清零端；
LD————————置数端；
CPu———————加法计数CP输入；
CPd———————减法计数CP输入；
CO————————进位输出端；
BO————————借位输出端。
74LS192真值表
根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。
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。
计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图11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。
多谐振荡器
因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。
图中电容的充放电时间分别是：
t1=RB×C×ln2≈0.7RB×Ct2=（RA+RB）×C×ln2≈0.7（RA+RB）C
所以555的3端输出的频率为：
f=1/（t1+t2）≈1.43/[（2RA+RB）C]
我们采用的电阻和电容值分别是：
RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。
由以上集成芯片设计的定时电路如下图所示。
工作原理：
首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。
抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。
抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。
计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。
计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。
4．报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如下图所示。
图中555定时器用来构成多谐振荡器，其震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。
3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。
当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。
也就是说需要报警时只需控制输入端即可。
5．时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成以下三项功能：
a.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。
b.当竞赛选手按动抢答键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
c.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。
本设计中采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路、报警电路进行连接，以实现上述三项功能要求（如下图所示）。
时序控制电路
其中，两输入与非门采用74LS00，引脚图如下图所示。
三输入与门采用74LS11，引脚图如下图所示。
电路中利用与非门两输入端相连实现非门的逻辑功能。
74LS00引脚图
74LS11引脚图
工作原理：
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的输入使能端。
主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPd始终输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，74LS192的借位输出端BO2为低电平，门G2的输出ST为高电平，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能a的要求。
当选手在定时时间内按动抢答按钮时，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为低74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能b的要求。
当定时时间到时，来自74LS192的BO2为高，ST为高，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c的要求。
6．抢答器整体电路
通过控制电路将抢答、定时电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总电路图如下图所示：
下面介绍八路智力竞赛抢答器的使用原理。
首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：
一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给74LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。
接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。
当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：
一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的R端。
当任意一个选手抢答时，例如3号抢答时，74LS148三号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作。
编码输出A2A1A0为100，与其对应的4S3S2S为100，经74LS279锁存，4Q3Q2Q输出为011，经译码显示编号为3。
与此同时，1Q所输出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。
此时，其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。
另一路，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。
计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。
若没有选手按动按钮，则74LS279输出全为高电平，74LS148也输出高电平，1Q端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出高电平反馈回个位Down端，停止计数。
综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。
三实验的仿真与调试
电路仿真采用Protues仿真软件进行的。
Protues软件可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件；可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪信号发生器、交直流电压表电流表等。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
因此，选用该软件对抢答器各单元电路及整体电路进行仿真。
1．抢答电路仿真
2．
计时电路仿真
3．整体电路仿真
通过对各单元电路及总电路的仿真，验证了设计电路的正确性。
四元件清单
元器件：
74LS48三片，72LS192两片，74LS279、74LS148、74LS00、74LS11、555各一片，数码管三个，发光二极管一个，开关、电阻、电容若干，导线若干
五小结
通过本次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电的相关知识，加强了对重要知识点的记忆和理解，还学会如何运用Protues仿真进行仿真，受益匪浅，现总结如下。
抢答器的设计在本学期数电实验中操练过，因此对其并不陌生。
但它的功能要求相对于数电实验中的抢答器要更深一步，不仅添加了定时电路、报警电路，其时序控制电路也要比原先复杂。
对于单元电路的设计，均较顺利的完成。
而本设计的难点在于时序控制电路的设计，如何在第一位抢答者抢答题目后让编码器停止工作；如何使计时电路在抢答后停止倒计时；如何让定时电路和抢答电路同时清零。
设计过程中，根据以往抢答器设计思路，及查阅相关资料，可运用74LS279的输出1Q完成上述控制任务。
从这一点，折射出自己在平时的学习中较死板，缺乏变通思考的能力。
在电路仿真的过程中，由于Protues操作相对较简单，因此在仿真过程中较为顺利。
只有在总电路图的仿真时，由于粗心大意，误将两个与非门连接成的非门输入输出接反，导致未出现相应仿真结果，经认真排查电路，发现问题所在，更正，最终完成仿真任务，从而验证了电路图的正确性。
在实物制作过程中，由于第一次接触面包板，对面包板的结构及相关注意事项不十分了解，经查阅相关资料，对其有了一个大致的了解。
但在整体布局及相通插孔的有效利用等方面，还需进一步加强。
由于芯片较多，接线较为复杂，因此，只完成了抢答电路的制作。
在连线过程中，较为细心仔细，无大的失误，也使后续的错误排查提供了方便。
对于电源，在制作中，运用了USB为电路提供电源。
通过本次实践操作，也让我深刻明白：
只有将课本上的理论知识，结合实践不断练习，不断总结提炼，反复思考实践中的经验教训，才能够真正消化为自己的知识。
六参考文献
1．《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
2．《新型集成电路的应用——电子技术基础课程设计》梁宗善主编，华中科技大学出版社
3．《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
4．康华光编.电子技术基础数字部分.北京高等教育出版社,第五版
5．李士雄，丁康源编.数字集成电子技术教程.北京高等教育出版社，2003
6．曹汉房，陈耀奎编.数字技术教程.北京电子工业出版社，1995
附录八路智力竞赛抢答器总图
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