《电工电子综合》课程设计《四路定时抢答器》说明书.docx
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《电工电子综合》课程设计《四路定时抢答器》说明书
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化110X
指导教师：
龚跃玲工作单位：
自动化学院
1、题目:
四路定时抢答器
任务：
设计一个可同时供4名选手或4个代表队参加比赛的智力竞赛抢答器，。
要求：
1）主持人可控制系统清零和抢答的开始。
2）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，同时封锁抢答输入电路，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设定。
当主持人启动控制开关后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。
4）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时刻的时间，并保持到主持人清零为止。
5）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，系统进行报警并封锁抢答输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示0。
6）对设计电路进行仿真。
2、初始条件
1.实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。
2.学生已学习了大学基础课程和《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子变流技术》等专业基础课程。
3.主要参考文献
1）《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷中国计量出版社
2）《传感器及其应用电路》何希才编著电子工业出版社
3）《电力电子变流技术》黄俊王兆安编机械工业出版社
4）《集成电路速查手册》王新贤主编山东科学技术出版社
5）《集成电路速查大全》尹雪飞陈克安编西安电子科技大学出版社
6）《晶体二极管手册》各种版本皆可
7）《晶体三极管手册》各种版本皆可
3、要求完成的主要任务
1.课程设计结束时每个学生要交一份按统一格式要求撰写的课程设计说明书，并装订成册。
2.课程设计说明书中每个题目要求有方案比较、绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标及电路仿真效果图等。
3.说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。
4.文字、符号、图形等必须符合国家标准。
5.独立完成设计任务，严禁相互抄袭。
4、时间安排
设计时间为二周（6月17日—7月2日），安排如下：
1．6月17日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识等。
2．6月17日下午——6月24日学生查阅资料，完成初步设计。
3．6月25日——6月26日检查设计进度，答疑、质疑。
4．6月27日——6月30日完善设计，形成设计说明书电子文档。
4．7月1日——7月2日课程设计打印、装订、提交。
指导老师签名：
2013年6月14日
系主任（或负责教师）签名：
2013年月日
目录
摘要I
1四路定时抢答器设计1
1.1电路原理系统框图1
1.2方案设计比较1
1.2.1方案一1
1.2.2方案二2
1.3方案的分析与比较2
2方案模块设计分析3
2.1锁存电路4
2.1.1使用芯片图示4
2.1.2工作原理4
2.2抢答电路4
2.2.1抢答电路图示4
2.2.2工作原理5
2.3报警电路6
2.3.1报警电路图示6
2.3.2工作原理6
2.4脉冲发生电路7
2.4.1脉冲发生电路图示7
2.4.2工作原理7
2.5定时、倒计时电路8
2.5.1定时、倒计时电路图示8
2.5.2工作原理8
3所选方案总原理图11
3.1总电路图11
3.2工作原理11
3.3元件清单12
4仿真与调试12
4.1仿真软件选择12
4.2仿真图示13
设计总结14
致谢15
参考文献16
成绩评定表17
摘要
抢答器在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。
可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。
在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。
如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。
此次所设计的四路抢答器主要有两部分组成，一是利用锁存器和编码译码电路构成抢答电路，二是由计数器、锁存器、译码电路构成的倒计时电路。
抢答器是一个可供四个参赛组进行智力竞赛的电气装置，该装置由抢答电路和定时电路构成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组的输入信号在显示器上输出；用控制电路的主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路、通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。
本文详细介绍了抢答器的设计方案以及比较、功能、及在设计过程中所做的改进。
关键词：
抢答电路 定时电路报警电路 时序电路
四路定时抢答器
1四位抢答器设计
1.1电路原理系统框图
图1.1-1电路原理系统框图
1.2设计方案比较
1.2.1方案一：
图1.2.1-1方案一总原理图
对照上方1.1的原理系统框图，根据功能选择相应芯片，使用8D锁存器74ls373、编码器74ls148、带有快速进位的4位二进制全加法器74ls83将输出的0、1、2、3变为1、2、3、4输出至译码器，4线－七段译码器74ls48、十进制可逆计数器74LS192、四位D锁存器74ls375等芯片组成，实现锁存、倒计时等功能。
1.2.2方案二：
图1.2.2-1方案二总原理图
根据1.1-1的原理系统框图，根据功能选用4D触发器74ls175、8线－3线优先编码器74LS148和非门结合构成抢答电路，十进制可逆计数器74LS192与开关、非门构成定时电路，并实现了0~88秒内的任意时间设定功能。
另外采用按钮式开关。
1.3方案的分析与比较
通过对于器件数量、连线布局等的综合分析比较，最终选择方案一。
理由是，该设计方案对于各功能的分块清晰，设计思路清晰，且元器件的使用少于方案二，更加简洁易懂。
另外从经济角度看方案一所用们电路少于方案二，可以一定程度上降低成本并且锁存器不需要信号的输入。
2．方案模块设计分析
2.1锁存电路
锁存电路的主要功能是分辨选手按键的先后，并能把第一个抢答者的编号锁存起来，并使其他选手的按键操作无效。
实现该功能的芯片是8D锁存器74ls373和4D锁存器74ls375。
2.1.1使用芯片图示
表1为74ls373的功能表，图1为其引脚图；表二为74ls375的功能表，图2为其引脚图。
表2.1.1-174ls373功能表
图2.1.1-174ls373引脚图
表2.1.2-274ls375功能表
.
图2.1.1-2.74ls375引脚图
2.1.2工作原理
当主持人开关闭合后，74ls373的
为低电平，抢答开始，此时闭合选手开关使74LS48的BI/RBO端为高电平，经过反相器之后接至74ls373的LE端为低电平，实现锁存功能。
另外通过反相器接至74LS375的E端，但选手按下开关后，E端均为低电平，实现对于倒计时的锁存从而将倒计时停止。
2.2抢答电路
2.2.1抢答电路图示
图2.2.1-1抢答电路
2.2.2工作原理
主持人开关接高电平时74ls373清零，接低电平时抢答开始
为低电平。
当有选手按下抢答开关即接低电平，是D4至D7中一个与之对应变为低电平，从而对应的Q输出也为低电平且其余Q端为高电平，经过 8线－3线优先编码器74ls148的编码至四位全加器74ls83，由A异或B异或CO输出8421码，使0、1、2、3变为1、2、3、4，接至七段数码管译码驱动器74ls48的译码电路进行显示。
表2.2.2-174ls148功能表
图2.2.2-174ls148引脚图
表2.2.2-274ls83功能表
图2.2.2-274ls83引脚图
2.3报警电路
2.3.1报警电路图示
图2.3.1-1报警电路
2.3.2工作原理
比赛规则里，要求选手抢答后或时间到后无人抢答时报警器要报警，这里用NE555定时器构成的多谐振荡器，振荡器的频率为f=1.43/[（R2+2R3）*C2]输出信号可以直接接蜂鸣器。
当输入信号4为高电平时发生报警。
2.4脉冲发生电路
2.4.1脉冲发生电路图示
图2.4.1-1脉冲发生电路
2.4.2工作原理
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。
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1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。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。
为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。
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。
2.5定时、倒计时电路
2.5.1定时、倒计时电路图示
图2.5.1-1定时电路
2.5.2工作原理
使用两块十进制可逆计数器74ls192实现定时、倒计时功能。
MR清除端低电平，UP接高电平，DN接低电平，PL通过反相器与主持人开关相连，当主持人开关初始时接高电平则PL为低电平此时置数，通过四个开关分别表示1、2、4、8，,设定倒计时十位时间。
当主持人开关接低电平则PL为高电平，开始倒计时，下方192的借位端TCD接上方192的DN信号输入端，实现借位功能。
最后，通过两块七段数码管译码器驱动器74LS48构成的显示电路显示。
表2.5.2-174ls192功能表
图2.5.2-174ls192引脚图
表2.5.2-2784ls48功能表
图2.5.2-274ls48引脚图
3.所选方案总原理图
3.1总电路图
图3.1-1总电路图
3.2工作原理
主持人开关接高电平，通过定时开关定好倒计时时间，主持人开关接低电平抢答开始，根据选手按抢答开关的速度，速度快的选手编号将显示在电子显示管上并发出报警声，同时倒计时停止显示剩余时间，此时其他选手的抢答无效。
随后，将选手开关和主持人开关复位，编号显示和将消失倒计时将重新置数，开始新一轮抢答。
3.3元件清单
表3.3-1元件清单
元件序号
型号
数量
备注
1
74ls373
1
8D锁存器
2
74ls375
2
4D锁存器
3
74ls148
1
8线－3线优先编码器
4
74ls83
1
4位二进制全加法器
5
74ls48
3
七段数码管译码器驱动器,
6
74ls30
1
八输入与非门
7
74ls192
2
十进制可逆计数器
8
NE555
2
振荡器
9
74ls04
3
非门
10
1
8输入或门
11
1
8输入与非门
12
若干
电阻
13
若干
电容
4.仿真与调试
4.1仿真软件选择
本次设计的仿真我采用的是protues仿真软件，是由小组内讨论决定的，该软件器件库齐全，使用方便体现在连线和布局上。
另外修改等也很简便，便于在设计过程中进行尝试以得出所需芯片从而解决相应问题。
4.2仿真图示
图4.2-1仿真图
设计总结
电工电子综合课程设计刚开始的时候，我和同组同学讨论后，小组内产生了几个设计思路，但在设计的几天里才发现设计并不是想象中那么简单。
课程设计不同于实验课，电路图也需要自己设计，而且要根据几个功能着眼整个系统，并且是各个功能相互协调。
静下心来，仔细分析题目。
将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合。
在设计过程中，有理论课接触过的芯片但是大部分都是没有见过的芯片，这个时候只能自己查功能表，分析功能，连接线路，这些都是即学即用。
最后仿真调试阶段，哪怕一个小小的错误也无法得出正确的预期结果。
只好一条线一条线地查，遇到不懂的地方请教同学最后找出错误和需要改进的地方。
比如最初方案里的主持人控制开关是两个，倒计时开关和抢答开始开关分开，后来经过修改将两者统一。
最后得出较为完善的设计。
课程设计不仅是对理论课所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
在此次课程设计中，主要精力是花费在资料的查找、电路图的设计以及纠正错误和改进上，经过与同组成员设计的多次比较以及电路的合理性和经济性选择了一个最合适的方案。
通过此次设计，让我们把书本知识运用到了实际上，并且在设计过程中一边查询资料一边构思解决问题，发现了自身知识的漏洞并填补。
另外在小组讨论与互助过程中，体会到合作分工、讨论的重要性，以及解决问题的步骤。
还学习到了protues仿真软件的使用。
最终设计出具有完整功能的成品，这个过程让我有很大收获：
既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。
在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。
同时，也培养了我认真严谨的学习态度。
致谢
完成此次课程设计，首先要感谢龚跃玲老师的指导和答疑。
另外也得谢谢我的组员在小组讨论、互助、方案比较中给了我很大的帮助，当我遇到不懂的问题时给我详细讲解原理和解决疑难问题。
参考文献
[1]《数字电子技术基本教程》阎石清华大学出版社
[2]《电路与电子技术实验》电工电子实验中心
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