数字抢答器实验报告.docx

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数字抢答器实验报告

课程设计报告

设计题目：

数字抢答器设计

班级：

计算机1306班

学号：

20133972

姓名：

指导教师：

杨华

设计时间：

2015年7月

摘要

在智力竞赛中，为了公正准确的显示出第一抢答者，抢答器的存在是必不可少的。

智力竞赛抢答器是一种非常实用的电子电路，根据使用者要求的不同和难易程度，可以设计出多种电路。

简易八路数字抢答器主要包括抢答、编码、优先锁存、显示数字及复位等电路。

可同时进行八路优先抢答。

本文的主要内容包括数字抢答器的设计思路、组成电路以及运用Multisim7软件进行仿真。

此次设计的具有八个选手的数字抢答器电路一共有九个开关，主持人和八位选手各有一个开关，当主持人的开关打开并开始计时后，选手开始抢答，该数字抢答器电路可以通过对应的灯光来显示抢答选手的代表号数，还可以在第一位选手抢答成功时阻止其他选手抢答。

同时还设有报警系统，若有人抢答或超过预定时间蜂鸣器便会报警。

关键词：

抢答器，设计电路，仿真，报警电路

摘要II

第1章概述…………………………………………………………………4

第2章课程设计任务及要求………………………………………………4

2.1设计任务……………………………………………………………4

2.2设计要求……………………………………………………………5

第3章系统设计…………………………………………………………5

3.1方案论证……………………………………………………………5

3.2系统设计……………………………………………………………6

3.2.1结构框架及说明………………………………………………6

3.2.2系统原理图及工作原理……………………………………7

3.3单元电路设计……………………………………………………7

3.3.1单元电路工作原理…………………………………………7

3.3.2元件参数选择………………………………………………11

第4章软件仿真……………………………………………………………12

4.1仿真电路图………………………………………………………12

4.2仿真过程…………………………………………………………13

4.3仿真结果…………………………………………………………16

第5章安装调试……………………………………………………………17

5.1安装调试过程……………………………………………………17

5.2故障分析…………………………………………………………19

第6章结论…………………………………………………………………20

第7章使用仪器设备清单…………………………………………………21

参考文献……………………………………………………………………21

收获、体会和建议…………………………………………………………21

第一章概述

抢答器是为竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，竞赛者可以分为若干组，抢答时各组对主持人提出的问题要在最短的时间内做出判断，并按下抢答按键回答问题。

当第一个人按下按键后，则在显示器上显示该组的号码，同时电路将其他各组按键封锁，使其不起作用。

回答完问题后，由主持人将所有按键恢复，重新开始下一轮抢答。

抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如,30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。

参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效。

本实验通过八路数字抢答器的设计实验，要求学生回去所学数字电子技术的基础理论和基础实验，掌握组合电路、时序电路和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握优先编码器、译码器、触发器、计数器、555定时器的应用方法和时序电路的设计方法。

第二章课程设计任务及要求

2.1设计任务

1.基本设计任务：

（1）设计一个具有八个选手（序号从1到8）的抢答电路，序号和选手一一对应。

（2）抢答器要求具有显示选手的序号，同时禁止其他选手抢答的锁存功能。

（3）设计主持人控制系统的开始与结束电路。

当主持人发出抢答命令，并同时按下启动定时开关后，八个选手通过各自的按键开关发出抢答信号。

（4）报警电路：

对犯规选手（包括提前抢答和超时抢答），设计有显示抢答犯规选手序号的功能。

2.扩展设计任务：

（1）每个选手按键抢答问题的同时，配有声音提示。

（2）当选手开始答题的时候，系统开始倒计时30s有数字显示。

计时结束时，有声音提示。

（3）自主设计部分（实物仿真均可）。

2.2设计要求

自拟小型数字系统题目，并完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。

1.理论设计部分

独立完成系统的原理设计。

说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。

画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。

系统中包含的中、小规模集成电路的种类至少在六种以上。

2.模拟仿真

根据理论设计用multisim7在计算机上进行仿真。

验证所设计方案的正确性。

分析电路的工作原理，写出仿真报告。

第3章系统设计

3.1方案论证

3.1.1主要的设计内容

设计一个八位数字抢答器并带有倒计时功能和提示报警功能。

3.1.2设计步骤

1.设计各部分电路图；

2.使用仿真软件Multisim11进行仿真；

3.使用电子技术综合实验箱进行实物调试。

3.1.3设备条件

仿真软件Multisim11，电子技术综合实验仪，导线若干，万用数字表

3.1.4应达到要求

1.八位选手能够抢答并显示对应需要，抢答完成后能锁存抢答状况；

2.主持人能够控制抢答的开始与结束；

3.控制电路具有抢答倒计时和答题倒计时功能；

4.具有各种情况提示或报警电路。

3.2系统设计

3.2.1结构框图及说明

图1数字抢答系统框图

3.2.2系统原理图及工作原理

图2抢答器原理图

定时抢答器的工作原理为：

（1）抢答器系统接通电源时，主持人将开关置于清除位置，抢答器处于禁止工作状态，序号显示器灭灯，定时器显示设定时间。

（2）当主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到开始位置，扬声器声音提示，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。

（3）在规定时间内若有选手抢答，该选手按下开关后，电路立即封锁，防止其他选手抢答，同时显示器显示该选手的序号。

（4）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。

3.3单元电路设计

3.3.1单元电路工作原理

（1）抢答器电路的设计

图3抢答器部分的电路图

抢答器的功能有两个：

1、能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答选手的编号并显示；2、有禁止其他选手抢答的锁存功能，可用优先编码器74LS148和锁存器74LS373完成上述功能。

3、设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

在这里首先通过管脚分配把开关S分配到相应一个拨动开关。

该开关联系到一个相应的线路，这个线路通过与非门连接其他信号，从而达到复位的功能。

抢答开始后选手将开关掷向低电平表示进行抢答，抢答之后手动调至高电平；之后是一个锁存器74ls373，当主持人发出抢答信号后，锁存器处于打开状态，当某选手抢答成功后，锁存器处于锁存状态，其他选手再抢答无效；再后来是一个优先编码器，对抢答成功和提前抢答或是超时抢答的选手序号进行编码；再后面是两个译码器74ls47和两个数码管组成显示电路分别对正常抢答和违规抢答的选手号码进行显示。

该电路中的一些逻辑门是用来配合实现以上功能的。

图474LS148的真值表

（2）控制电路的设计

下图为控制电路电路图

图5-1主持人复位开关

图5-2控制电路电路图

控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能：

1、主持人将控制开关拨到“启动”位置时，扬声器声音提示，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作时间为30s；2、当参赛选手按下抢答键时，扬声器声音提示，抢答电路和定时电路停止工作；3、当设计的抢答时间10s到，无人抢答时，扬声器声音提示，同时抢答电路和定时电路停止工作。

图6定时电路电路图

（3）报警电路的设计

由555定时器和三级管构成的报警电路，其中，555构成多谐振荡器，其输出信号经三极管驱动扬声器。

图7报警电路电路图

3.3.2元件参数选择

元件

参数

555定时器

LM555CM，555_VIRTUAL_Timer

74LS00

74LS00D

74LS32

74LS32D

74LS148

74LS148D

74LS47

74LS47D

74LS190

74LS190D

74LS112

74LS112D

电阻

2.4K、100K

电容

10nF、0.001uF、0.1uF

带颜色LED灯

红橙黄绿蓝

蜂鸣器

BUZZER200MHZ

数码显示管

DCD_HEX

LED数字显示器与译码器

共阳极LED数字显示器与译码器

直流电源

5V

第4章软件仿真

4.1仿真电路图

4.2仿真过程

任意按下选手抢答开关，显示器正常显示选手序号，例如按下第六个开关显示如图所示：

图8抢答电路仿真-显示

当主持人开关打开时，若5号选手抢答如下图所示

图8该图为规定时间内五号选手抢答，亮绿灯。

若主持人的复位开关没打开，则不会显示选手的号数。

如下图所示。

图9主持人开关没打开时的电路

开始运行后，倒计时显示器正确显示10秒抢答倒计时，如下图所示：

图

10抢答倒计时显示

超时抢答，报警系统工作

图11该图为超时抢答亮红灯，并且报警声响起

若主持人开关为开启，抢答未开始时抢答，报警系统工作，亮红灯。

图12该图为抢答为开始时抢答亮红灯，并且报警声响起

4.3仿真结果

打开仿真软件，进行主持人抢答复位开关的复位实现，然后打开抢答开关，发出抢答信号，开始10s倒计时，选手可以进行抢答，若有某选手抢答成功则计时停止，显示抢答选手序号，其他选手再抢答无效，若倒计时至0后，仍无选手进行抢答，计时也停止，任何选手在发出强抢答信号视为超时抢答，显示违规抢答选手序号，如果在支持人发出抢答信号之前有选手抢答，则视为提前抢答，同样为违规抢答，显示器选手序号并伴有违规提示音。

抢答结束后，若有选手抢答成功，则进入答题环节，主持人打开答题开关，开始进行30s倒计时，期间有时间显示，当答题时间记为0是停止计时，发出警报声，答题结束。

图1330s倒计时图

图14选手开始答题

第5章安装调试

5.1安装调试过程

安装时首先设置八个选手的按键开关和一个主持人的按键开关，分别为k1到k10，向上为高电平即为开始或抢答。

然后依据实验电路图依次连接。

首先要连接的必然是抢答电路，因为这是整个实验的基础部分，其他部分也是在此之上进行完善拓展的。

抢答电路，有八个选手分别接在k1，k2，k3，k4，k5，k6，k7，k8的8个高低平开关上。

抢答选手通过74LS373进行锁存，禁止其他选手再抢答，同时信号传到74LS148优先编码寄存器，最后通过译码器传到数码管上显示抢答选手编号。

安装顺序为先8个开关接在74LS373的1D，2D，3D，4D，5D，6D，7D，8D然后1Q,2Q,3Q,4Q,5Q,6Q,7Q,8Q接在74LS148的I1，I2，I3，I4，I5，I6，I7，I8上，Y2非，Y1非，Y0非对应接在译码器的DCBA上同时显示在数码管上。

对应接上电源及地，使其工作。

然后连接拓展电路。

利用555定时器和电阻电容组成周期为1秒的多谐振荡电路实现定时功能，，利用74LS190和74LS00和74LS32实现10计数器和30计数器，两种电路组合实现10秒抢答倒计时和30答题秒倒计时。

图12数字抢答器实物连接图

5.2故障分析

在连好电路之后，并没有实现预期的功能。

在设计显示选手序号的电路时，无论是哪个选手开关被按下，显示的数字要么是7，要么是8。

本以为是接译码器的线接错了，但后来经过检查发现并不是接线错误，于是我便从最开始的编码器开始检查，结果发现，是芯片74LS373连接错误。

修正芯片后还是不行，慢慢检查后，是连线的错误，有几个地方是不该接在一起的，从而造成了一个输入端有两个输入量。

在排除错误后，经过了编译，但是数码管完全没有反应，检查后发现是因为在通过与非门进行清零的时候，接线错误导致令74LS74一直不工作，改过错误后，数码管能正确显示，选手也能抢答，但是抢答时间到了，74LS192还是在计数，不能在00那里停止，于是改进电路图，使74LS192的十位的BON连到一个脉冲上。

上面是一些问题和解决方法，其实遇到的问题远不止这些，不过现在回想起来都是一些很低级的错误，有时候是因为粗心大意造成的错误，有时候是因为没有认真看芯片的真值表而造成的。

第六章结论

数字抢答器的设计分为三个步骤，第一步首先分析电路的功能，根据电路的功能需求，分析电路需要设计的模块，分模块进行设计。

根据数字抢答器的功能要求，此电路分为三个字电路模块，第一个模块为抢答电路，第二个模块为主持人控制电路和定时电路，第三个模块为报警电路。

这次实验设计的数字抢答器最基础的便是抢答部分电路的设计，通过编码器和译码器和数码管的连接便可实现最基础的功能——显示抢答题目的选手的序号。

主持人的开关负责控制抢答的开始，这只需让主持人开关能控制74LS373的使能端即可实现。

在这个基础上完善便设计了锁存器。

锁存器的功能便是在已经有选手抢答的情况下立即锁住电路，阻止其他选手抢答。

锁存电路一般用一个锁存器便可实现锁存第一抢答者的功能，锁存器的另一端便接了数码管显示器。

为了让抢答器更再完善添加了定时功能和报警功能。

一次抢答的时间由主持人设定（如,10秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。

74LS192具有减法功能，通过使用74LS192可以对设定的时间进行自减。

74LS192进行工作的时候需要给定秒脉冲。

同时74LS192结合74LS47可以对所设定的抢答时间和选手抢答的时间显示出来。

参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，绿灯亮，并保持到主持人将系统清除为止。

本课程设计基本完成了老师的要求，能够实现全部的功能。

能八路抢答，能定时抢答，也能报警，清零。

第七章使用仪器设备清单

1.电子技术综合实验仪

2.集成芯片：

优先编码器74LS148，锁存器74LS373，JK触发器74LS112，555定时器，与非门74LS00，或门74LS32，CD4511等。

3.共阴极数码管，蜂鸣器，二极管，电位器，电阻，电容若干。

参考文献

1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：

东北大学出版社.2002

2.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：

电子工业出版社，2002

3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：

电子工业出版社，2002

收获、体会和建议

此次的课程设计不简单但也并不是很难，如果我们掌握了每个芯片的工作原理，并且有一个明确的思路，那么设计出一个完整的数字抢答器便是时间问题了。

在整个电路的连接和设计的过程中，花费时间最多的是各个芯片以及各个电路单元之间的连接，比如报警系统与定时系统和主持人开关的连接等。

在连接电路的过程中，我们还要考虑多方面的因素，加一些扩展的内容进去是整个电路更加完善，更加稳定。

这次课程设计的电路比较复杂，以前并没有接触并着手连接过这么复杂的电路，而且对Multisim7这个软件的应用和运用并不是很熟练，所以开始连接时手足无措，第一遍连出来的电路毫无逻辑可言，连到最后更是脑子里乱糟糟的，烦躁的很。

于是我便放弃了之前连的电路重新再连。

这让我深刻体会到即使是对照着电路图连接电路也是一个相当繁琐的过程，而且并不能保证设计的电路图能没有错误之处、在电脑上仿真时能一次性的成功，得到想要的效果。

在连完后，电路果然有问题，锁存的功能实现不了，定时器定的时间过了再抢答电路并不会报警。

于是还得修改，沿着线路重新梳理。

这是一个很消磨耐心的过程，修改时总是想放弃，但是逃避是不能解决问题的，最后还是坚持了下来。

等到最后问题解决的那一个刻令我非常的振奋。

另外，此次实验让我认识到对基础知识掌握的熟练程度是由多么的重要。

在连电路的过程中，因为对有些芯片的功能记得不是很详细，我就需要经常翻书查找知识点，这样浪费了很多时间。

但是同时，此次实验也帮助我对书中的内容掌握的更加详细，对各个电子芯片的工作原理更加了解。

同时，在此次实验中我也算充分的利用了我们平时上课所学的知识，学以致用，自己一点一点的连接电路而不是光看着书上的电路学习，增强了我们的动手能力，令我们对知识的掌握更能深刻一些。

总之，在这个数字抢答器的设计实验中，我收获颇多。

从一无所知、懵懵懂懂到渐渐构思出一个电路框架再到电路的连接与修改直到最后成型，这个过程培养了我的思维能力，增强了我对电子技术的认识，还提高了我的逻辑思考的能力，这次课程设计让我充分体会到了理论与实际的有机结合，为我以后的学习和发展奠定了良好的基础。