四路抢答器完整版.docx
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四路抢答器完整版
华北科技学院
课程设计说明书
班级:
电子B071姓名:
郭亚立
设计题目:
四路智能抢答器
设计时间:
2010.1.9至2010.1.22
学号:
************
*******
评语:
评阅成绩:
评阅老师:
华北科技学院课程设计报告
四路抢答器设计报告
一、设计任务和要求:
...................................................................................................................-3-
1.1设计任务..................................................................................................................................-3-
1.2设计要求..................................................................................................................................-3-
二、设计方案的选择与论证...........................................................................................................-4-
2.1方案的选择、论证..................................................................................................................-4-
2.2设计总方案..............................................................................................................................-4-
三、电路设计计算与分析.................................................................................................................-5-
3.1抢答器控制电路设计..............................................................................................................-5-
3.1.1优先编码器74LS148.....................................................................................................-7-
3.1.2锁存器74LS279............................................................................................................-9-
3.1.374LS121单稳态触发器:
..........................................................................................-10-
3.2定时时间电路的设计............................................................................................................-10-
3.2.1计数器74LS192............................................................................................................-12-
3.3控制电路和报警电路............................................................................................................-13-
3.3.1振荡电路.......................................................................................................................-17-
-1-
华北科技学院课程设计报告
3.4整体仿真................................................................................................................................-19-
四、总结及心得...............................................................................................................................-20-
五、附录.........................................................................................................................................-22-
5.1主要元器件列表....................................................................................................................-22-
5.2总原理图................................................................................................................................-23-
六、参考文献...................................................................................................................................-24-
-2-
华北科技学院课程设计报告
一、设计任务和要求:
1.1设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
用数字显示抢答倒计
时间,由“9”倒计到“0”时,无人抢答,蜂鸣器鸣响。
选手抢答时,数码显示
选手组号,同时蜂鸣器鸣响,倒计时停止。
1.2设计要求
1)4名选手编号为:
1,2,3,4。
各有一个抢答按钮,按钮的编号与选手
的编号对应,也分别为1,2,3,4。
2)给主持人设置一个控制按钮,用来控制系统清零(抢答显示数码管灭
灯)和抢答的开始。
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,该选手编号立即锁存,并在抢答显示器上显示该编号,同时扬
声器给出音响提示,封锁输入编码电路,禁止其他选手抢答。
抢答选
手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
抢答器具有定时(15秒)
抢答的功能。
4)当主持人按下开始按钮后,定时器开始倒计时,定时显示器显示倒计
时间,若无人抢答,倒计时结束时,扬声器响。
参赛选手在设定时间
(15秒)内抢答有效,抢答成功,扬声器响,同时定时器停止倒计时,
抢答显示器上显示选手的编号,定时显示器上显示剩余抢答时间,并
保持到主持人将系统清零为止。
5)如果抢答定时已到,却没有选手抢答时,本次抢答无效。
系统扬声器
报警,并封锁输入编码电路,禁止选手超时后抢答,时间显示器显示0。
6)用石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号,作为定时计数器的CP
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华北科技学院课程设计报告
信号。
二、设计方案的选择与论证
2.1方案的选择、论证
方案一:
用一片四D触发器74LS175和四输入2或非门CD4002实现。
四D
触发器输出经四输入或非门到四路抢答按键开关,加到触发器的四个输入端,同
时经四输入或非门和反相器作为四D触发器的时钟信号,四D触发器清零端经上
拉电阻接电源,同时经过清零控制开关到地。
电路简单成本低,稍加扩展就能达
到实用化。
方案二:
用一片八线-三线优先编码器74LS148、四RS触发器74LS279和
七段译码器74LS48实现数显四路(八路)抢答器,电路稍显复杂,但功能较完
善。
方案一电路简单能够满足要求,但是由于需要4个4D触发器,接线繁琐,
增加了电路设计与仿真的难度,方案二用集成器件,电路减小了体积,提高了稳定
性,并且可以应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展。
故采用方案二设计。
2.2设计总方案
本设计电路主要由控制电路、脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示
电路、倒计时电路和报警产生电路组成。
如图1所示为总体方框图。
其工作原理
为:
接通电源后,主持人将开关拨到"清零"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。
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。
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华北科技学院课程设计报告
图1.四人智力竞赛抢答器框图
三、电路设计计算与分析
3.1抢答器控制电路设计
设计电路见图2所示。
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279
来完成。
抢答器控制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下三项功能:
1)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,
同时译码显示电路显示编号(显示电路采用七段数字数码管显示)。
2)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。
3)当主持人清零后,可再次进行抢答。
工作过程:
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开关J5置于“清除”端时,RS触发器的R、S端均为0,4个触发器输出置
0,使74LS148的优先编码工作标志端(图中5号端)=0,使之处于工作状态。
当开关J5断开,J6置于“开始”时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将抢
答按键按下时(如按下J2),74LS148的输出经RS锁存后,CTR=1,RBO(图中
4端)=1,七段显示电路74LS48处于工作状态,4Q3Q2Q=010,经译码显示为“2”。
此外,CTR=1,使74LS148优先编码工作标志端(图中2号端)=1,处于禁止状
态,封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时,74LS148的此时由于仍为
CTR=1,使优先编码工作标志端为1,所以74LS148仍处于禁止状态,确保不会
出二次按键时输入信号,保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将
J5开关重新置“清除”然后才可能进行。
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仿真结果
3.1.1优先编码器74LS148
74LS148为8线-3线优先编码器,表3.1.1为其真值表,下图为其管
脚图。
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Y9
01
I4
Y1
7
I5
2
3
Y
6
I
16
15
14
V
CC
YS
YEX
48
Y
EX
14
I7
S(E)
4
5
74LS148
13
12
I3
I2
Y2I1
611
Y1I0
710
Ys
15
GND89Y0
(b)
74LS148管脚图
表3.1.174LS1488线—3线二进制编码器真值表
74LS148工作原理如下:
该编码器有8个信号输入端,3个二进制码输出端。
此外,电路还设置了输
入使能端EI,输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时,编码
器工作;而当EI=1时,则不论8个输入端为何种状态,3个输出端均为高电平,
且优先标志端和输出使能端均为高电平,编码器处于非工作状态。
这种情况被称
为输入低电平有效,输出也为低电来有效的情况。
当EI为0,且至少有一个输
入端有编码请求信号(逻辑0)时,优先编码工作状态标志GS为0。
表明编码
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华北科技学院课程设计报告
器处于工作状态,否则为1。
由功能表可知,在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端(优先
级别最低位)有低电平输入时,A2A1A0均为111,出现了输入条件不同而输出代
码相同的情况,这可由GS的状态加以区别,当GS=1时,表示8个输入端均无
低电平输入,此时A2A1A0=111为非编码输出;GS=0时,A2A1A0=111表示响应
输入0端为低电平时的输出代码(编码输出)。
EO只有在EI为0,且所有输入
端都为1时,输出为0,它可与另一片同样器件的EI连接,以便组成更多输入
端的优先编码器。
从功能表不难看出,输入优先级别的次为7,6,⋯⋯,0。
输入有效信号
为低电平,当某一输入端有低电平输入,且比它优先级别高的输入端无低电平输
入时,输出端才输出相对应的输入端的代码。
例如5为0。
且优先级别比它高的
输入6和输入7均为1时,输出代码为010,这就是优先编码器的工作原理。
3.1.2锁存器74LS279
原理:
在74ls279中,由于4回路中2回路置位端子为两个,所以使用其
一时,整理两个置位输入作为1个使用,或将另一个输入固定为“H使”用。
另外,
作为稍微变化74LS279的使用方法,也可将3组作为RS锁存器使用,剩余的
RS锁存器作为2输入NAND门电路使用,复位输入例如①管脚固定为”L时”其
输入为“H”,所以可构成将②和③作为输入,输出为④的2输入NAND,此变
换如图4.2.所示。
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华北科技学院课程设计报告
图
74LS279管脚引线图
3.1.374LS121单稳态触发器:
3.2定时时间电路的设计
原理及设计:
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192
减法计数电路、74LS48译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。
具体电路
如图3所示。
一块74LS192实现减法计数,通过译码电路74LS48显示到数码
管上,其时钟信号由时钟产生电路提供。
74192的预置数控制端实现预置数,
由节目主持人根据共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG上,当有人抢答时,停
止计数并显示此时的倒计时时间;如果没有人抢答,且倒计时时间到时,输出
低电平到时序控制电路,控制74LS48使0闪烁,同时以后选手抢答无效。
由555定时器产生时间基准信号秒脉冲。
振荡周期为15秒脉冲信号经两级有预
置功能的可逆十进制计数器74LS192对时钟信号进行计数,当计数到达预置的时
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间,计数器产生溢出而封锁计数脉冲,使计数器停止计数。
数码管指示时间值。
具体电路如下图:
仿真结果
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3.2.1计数器74LS192
十进制可逆计数器74LS192(54/74194)两个引脚图管脚及功能表如下:
74LS192是同步十进制可逆计数器,它具有双时钟输入,并具有清除和置数等功
能,其引脚排列及逻辑符号如下所示:
(a)引脚排
列(b)逻辑符号
图中:
为置数端,为加计数端,为减计数端,为非同步进位
输出端,为非同步借位输出端,P0、P1、P2、P3为计数器输入端,为
清除端,Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下:
输入输出
MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0
1×××××××0000
00
××dcbadcba
011××××加计数
011××××减计数
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3.3控制电路和报警电路
由555芯片构成多谐振荡电路,震荡频率
f=1/(R1+R2)C㏑2≈1.43/(R1+R2)C
555的输出信号再经或门控制显示闪烁。
控制电路包括时序和报警两个电路,
如图所示。
控制电路需具有以下几个功能:
主持人闭合开关,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;
参赛者按键时,抢答电路和计时电路停止工作;
抢答时间到,无人抢答,0闪烁,抢答电路和计时电路停止工作。
由功能表可以看出,要使电路实现倒计时(减法)功能,应使CR=0,PE
非=1,CP+=1,CP-=CP。
可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。
闪烁显示电路需要在一种情况下做出反应当裁判员给出“请回答”指令后,计时
器开始倒计时,若回答问题时间到达限定的时间,扬声器发声及灯闪烁。
报警电路
控制电路由两部分组成:
一是由门电路组成的抢答与定时控制的时序控制电路,二是74LS121驱动
报警电路的时序电路。
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门控电路主要由或门组成,它的两个输入,一个来自由555芯片构成多
谐振荡电路,另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB,它说明计时电路
在3秒,2秒,1秒,0秒倒计时再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲
经反相器得到一个高电平。
这个高电平信号或上方波信号就使显示器闪烁。
集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间,具体原理如
下:
主要由555时钟电路(用于控制报警声音频率)、蜂鸣器即相关的延时电路
和控制电路组成。
单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报
警时间,555时钟电路产生脉冲时钟。
在规定的时间有人抢答时,/Ys由1跳变
到0,74121有状态2,即Q输出暂态高电平,蜂鸣器连续发声报警,持续时间
为=2.15秒;如果在规定时间内无人抢答,BO2由1跳变到0,74121有状态1,
Q输出暂态高电平,蜂鸣器连续发声报警持续时间为
结合警电路,分析计算如下:
。
取C=100uF,R=25K,。
有=2.15秒。
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仿真结果
1、倒计时
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2、时间到,蜂鸣器响,绿灯闪烁
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3.3.1振荡电路
本系统需要产生频率为500KHZ的脉冲信号,用于触发器的CP信号,及
频率为1HZ信号用于计时电路。
以上电路可用555定时器组成,也可用石英晶
体组成的振荡器经过分频得到。
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图5
主要参数:
电源电压为4.5-18V,最大输出电流为200mA,工作温度范围
为-55
oC-125oC。
3.3.274LS121单稳态触发器
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3.4整体仿真
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四、总结及心得
经过了一段时间的努力我终于完成了四路抢答器的设计,对数字电路这门
课程有了更深的了解,因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际
的电路设计当中去,在电路的设计过程中,无形中便加深了对数字电路的了解及
运用能力,对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解;从方案的选
择,再到设计的实现。
在这个过程中我学习到了很多在课本上不能学习到的知识,
对一个产品也有了一个新的认识,以前我都很简单的认为一个产品很容易就做出
来了,现在我知道了每一个产品都需要。
通过这次的课程设计我学到了主要有如
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下几
点:
1.提前做好准备工作在开始动手之前,我们要把各器件的功能弄清楚,以
及如何拓展,只有把这些真正的搞懂之后才能顺利完成设计。
以前的数字实验只
是针对某一个小的功能设计,而课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严
格,需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案,然后逐步细化
进行各模块的设计。
例如:
555定时器的使用原理和作用,用它构成触发器和
振荡器的方法,还有一个难题就是怎么来选择我们所需要的芯片,从而实现我们
所想实现的功能。
2.耐心分析,解决问题设计与实现的过程中我们会遇到一些困难这是很正常的
事,但是不能一遇到问题就慌了,要耐心的分析问题并解决,这次课程设计的时
候我就遇到了这样的情况。
以前没有接触过仿真软件,这次审计要使用仿真软件,
所以学会了multisim软件的基本应用,但是在电路仿真的过程中出现大量问题,
需要我们细心解决,所以,我对电路故障的排查能力有了很大的提高。
但由于是
自己学习没有专业指导难免有一些我们不了解的功能。
所以我们以后要多接触和
了解一些仿真软件,多向老师请教学习。
3.团队合作,不懂请教。
这次课程设计培养了团队合作,有些时候我们也需要
别人的帮助,比如当我把元器件连接错误的时候,自己一个人很难找到错误,就
需要同学帮忙,无形中培养了团队合作的精神。
有的时候可能遇到一些问题自己
的确不能解决,这时应该虚心向同学请教很有必要了,只有这样才能更好的解决
问题。
持续近一个星期的课程设计,问题可谓连续不断,但总体上还算成功的。
开
始找不到元器件74LS121,电路图不能画出来,后来经过老师的指点,换成了具
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华北科技学院课程设计报告
有相同功能的390,但是由于设计不完善仿真频频出错,又进行全面检查,并对
电路作了细