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1、实验报告a1课 程 设 计 课程名称 电子技术综合设计与实践 题目名称 数字抢答器的设计 学生学院 自动化学院 专业班级 电气信息类（创新实验班）学 号 学生姓名 指导教师 张建新 2014 年 6 月 9 日广东工业大学课程设计任务书题目名称 数字抢答器的设计学生学院 自动化学院专业班级 电气信息类（创新实验班）姓 名 学 号 一、课程设计的内容 设计一个6路数字抢答器。二、课程设计的要求与数据1. 抢答器可同时供6名选手或6组参赛队进行比赛，用6个按钮S1 S6表示6组参赛者。 2. 具有一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。 3. 具有第一抢答信号的锁存与显示功能。在主持人发

2、出抢答指令后，若有选手按动按钮，则该组指示灯亮，显示器显示该组的编号。同时，电路处于自锁状态，使其他组的按钮不起作用，一直保持到主持人将系统清除为止。 4. 具有定时抢答功能。在初始状态时，主持人可以设定答题时间的初始值（比如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器从初始值开始倒计时并显示出来，同时指示灯闪烁。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止倒计时，显示器上分别显示选手的编号和倒计时的时间；若定时时间到，无人抢答，则本次抢答无效，系统给出超时报警信号并禁止抢答，显示器上显示00。 5*. 具有计分功能。在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值（例如50分）。选手抢答完毕后，

3、由主持人打分，答对一次加10分，答错一次减10分。（设置两组，各用两位数码管显示的计分系统即可） 6*. 电路应具有防止提前抢答的功能，若有选手在主持人启动“开始”键前按钮，则电路无响应。三、课程设计应完成的工作1. 先确定设计方案，画出系统方框图，再进行各单元电路的设计，确定元器件的参数及型号，最后画出电路总图； 2. 利用DE2板对所设计的电路进行验证；3.用实验板或自制的PCB板完成电路的安装及调试；4. 总结电路设计及测试结果，撰写课程设计报告。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1Quartus II 入门学习，熟悉设计流程，讲解各设计任务及其要求，分配设计任务，实2-

4、2145.262进一步学习Quartus II，查阅相关书籍和文献资料，画系统框图实2-2145.273独立完成电路设计，在Quartus II上进行仿真及修改设计实2-2145.28-294在DE2板上实现设计，演示和验收实2-2145.305电路制作、调试、功能验证，制作验收工2-5046.2-6.56完成设计报告6.6五、应收集的资料及主要参考文献1阎石. 数字电子技术. 高等教育出版社,2006.2谢云 现代电子技术实践课程指导 机械工业出版社发出任务书日期： 20 年 月 日 指导教师签名：计划完成日期： 20 年 月 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章： 摘 要 随着科学技术

5、的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。因此抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少的设备，通过抢答者的按键、数码显示等能准确、公正、直观地判断出优先抢答者。本设计采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，由数字电路以及外围电路组成，分为六路抢答； 数字抢答由主体电路与扩展电路组成。主体电路包括两部分：一部分是优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示在LED上的输出电路；另

6、一部的分式控制电路和报警电路，计分电路，倒计时电路。通过布线、调试等工作后抢答器成形。 关键字：抢答电路；定时电路；计分电路；EDA 目 录1 设计任务目的与要求 21.1 设计任务目的: 21.2设计要求： 22 模块及其原理介绍 33 设计方案 43.1 原理框图： 43.2 流程图： 43.3 各单元电路的介绍： 53.3.1 编码单元： 53.3.2 锁存单元： 63.3.3设定抢答时间单元： 63.3.4 计分单元： 83.3.5 译码单元： 94 实验结果与数据分析 105 结论与问题讨论 135.1总结： 136 实物制作 146.1简化电路图： 146.2 单元电路的实现： 1

7、46.3 实物图： 156.4 焊接调试过程中遇到的问题分析及处理： 166.5 实物电路板的测试结果及分析： 16参考文献 171 设计任务目的与要求1.1 设计任务目的:学习并掌握抢答器的工作原理及其设计方法。通过课程设计，对数字逻辑的基本内容有进一步的了解，特别是时序逻辑电路的设计。能把学到的数字逻辑理论知识进行实践，操作。在提高动手能力的同时对常用的集成芯片有一定的了解，熟悉各个芯片的功能及其各个管脚的接法。在电路设计方面有感性的认识。而且在进行电路设计的时候遇到问题，通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。灵活运用学过的知识并将其加以巩固，发散思维，提高动手能力和思维的缜密。1.2设

8、计要求：1.抢答器可同时供6名选手或6组参赛队进行比赛，用6个按钮S1 S6表示6组参赛者。 2. 具有一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3. 具有第一抢答信号的锁存与显示功能。在主持人发出抢答指令后，若有选手按动按钮，则该组指示灯亮，显示器显示该组的编号。同时，电路处于自锁状态，使其他组的按钮不起作用，一直保持到主持人将系统清除为止。4. 具有定时抢答功能。在初始状态时，主持人可以设定答题时间的初始值（比如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器从初始值开始倒计时并显示出来，同时指示灯闪烁。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止倒计时，显示器上分别显示选手的编号和

9、倒计时的时间；若定时时间到，无人抢答，则本次抢答无效，系统给出超时报警信号并禁止抢答，显示器上显示00。5*. 具有计分功能。在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值（例如50分）。选手抢答完毕后，由主持人打分，答对一次加10分，答错一次减10分。（设置两组，各用两位数码管显示的计分系统即可）6*. 电路应具有防止提前抢答的功能，若有选手在主持人启动“开始”键前按钮，则电路无响应。2 模块及其原理介绍 整体的电路可以分为三部分，一个是抢答电路，第二部分是倒计时电路，第二部分是计分电路。1 .抢答部分：抢答器供6名选手比赛，分别用6个按钮S1 S6表示。不同的选手拨动按钮发出信号通过74LS1

10、48编码器进行编码，编码后输出信号进行下一步的译码和锁存。设置抢答控制开关S，开关由主持人控制。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。7473具有锁存功能，可以在一个选手按下按钮后进行锁存，其他的选手不能在在有选手抢答后再进行抢答。 2. 倒计时部分：一次抢答的时间由主持人设定30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

11、。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。选手进行抢答，通过编码器，锁存器，加法器，译码器，显示出来。当某个选手抢答有效，通过74LS148编码器的EI端口连接到锁存器，禁止其他选手抢答，同时把该选手的号码显示在数码管上，同时通过74192的DN端与锁存器输出的以一定方式的连接来停止74LS192的脉冲，达到显示抢答时间的效果。若定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统通过一个报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。当时间到的时候，减法器74LS192的十位的BON端口发出一个低电平，在这个端口上连接上非门再连

12、上一个显示灯，作为报警用。同时BON端可以连接到脉冲上，让脉冲停止输到加法器上，那么数码管显示的是00。3计分部分：有一个reset开关由主持人控制，与74192的LDN端相连，达到预置数50的目的。因为加减分为10，所以个位0不变，可以直接让7447驱动数码管显示0不变。通过74138将选手编号与计分相连，即选手抢答成功后，主持人判断其答题的正误进行加减分的按键，即可在对应选手的分数的数码管上显示出来。3 设计方案3.1 原理框图：3.2 流程图：3.3 各单元电路的介绍：3.3.1 编码单元：在选手按动按钮后，发出相应的信号。使用74LS148对信号进行编码，优先判决器是由74LS148集

13、成优先编码器等组成。该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端，输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。其功能表如表5.24.1所示。从功能表中可以看出当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，输出端均为“1”，且GS端和EO端为“1”，编码器处于非工作状态,这种情况被称为输入低电平有效。74LS148功能表如下：输 入输 出EI I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7A2 A1 A0 GS EO1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 00 00 0 0 0 10 0 10 0 1 0 10 0 1 1

14、0 1 0 0 10 0 1 1 10 1 1 0 10 0 1 1 1 11 0 0 0 10 0 1 1 1 1 11 0 1 0 10 0 1 1 1 1 1 11 1 0 0 10 0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1（表中代表任意状态） 由74LS148集成优先编码器组成的优先判决器如图所示，当抢答开关S1S6中的一个按下时，编码器输出相应按键对应的二进制代码，低电平有效。编码器输出AOA2、工作状态标志GS作为锁存器电路的输入信号，而输入使能端EI端应和锁存器电路的输出端端相联接，目的是为了在EI端为“1”时锁定编码器的输入电路，使其它输入开关不起作用。具体实现电路为：

15、3.3.2 锁存单元： 此单元用的是芯片7473，功能表如下：3.3.3设定抢答时间单元： 此单元用的是芯片74192，。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止倒计时，显示器上分别显示选手的编号和倒计时的时间；若定时时间到，无人抢答，则本次抢答无效，系统给出超时报警信号并禁止抢答，显示器上显示00。此处设定时间为30秒。真值表： MRPLCPUCPDMODE工作模式HXXXReset (Asyn.)清除LLXXPreset (Asyn.)预置LHHHNo Change保持LHHCount Up加计数LHHCount DowN 减计数H=高电平 L=低电平 X=不定（高或低电平）

16、=由“低”“高”电平的跃变引脚功能表： CPU Count Up Clock Pulse Input 计数芯片时钟脉冲输入CPD Count Down Clock Pulse Input 倒计时时钟脉冲输入MR Asynchronous Master Reset (Clear) Input 异步主复位（清除）输入PLAsynchronous Parallel Load (Active LOW) Input 异步并行负载（低电平）输入PnParallel Data Inputs 并行数据输入QnFlip-Flop Outputs (Note b) 触发器输出（附注b ）TCDTerminal C

17、ount Down (Borrow) Output (Note b) 终端倒计时（借）输出（注b ）TCU Terminal Count Up (Carry) Output (Note b) 终端数最多输出（注b ）3.3.4 计分单元：也是利用芯片74192，并且要利用译码器74138将选手编号与计分相联系起来。实现了当某选手抢答成功后，主持人按下加减键就能对其计分。74138的输入对应锁存器7473的输出。主持人给每组设置初始分值为50分。选手抢答完毕后，由主持人打分，答对一次加10分，答错一次减10分。并且按下reset键后分数恢复预置分数50。由于DE2 板上数码管有限，此处只设置两组

18、计分。74HC138 74HCT138 T1TRUTH TABLE真值功能表INPUTS 输入Outputs输出ENABLE 使能ADDRESS地址E3E2E1A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XXHXXXHHHHHHHHLXXXXXHHHHHHHHXHXXXXHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL3.3.5 译码单元：由于DE2板上的数码管为共阳。此处利用74LS47 BCD七段显示

19、器、译码器/驱动器。该设计中一共使用7个7447来驱动7个数码管，分别是1个选手编号，2个倒计时30，4个计分50。4 实验结果与数据分析总设计图：从左至右为计分电路，抢答电路，倒计时电路。（仿真的时候先将分频器去掉。）S：主持人总开关（初态为低电平，抢答开始为高电平）reset：计分的预置（初态为低电平，不需要预置数为高电平,否则计分一直停留在50） S1-S6：6名选手抢答键（初态为高电平，抢答为低电平）UP：加分键（初态为高电平，加分为低电平）DN：减分键（初态为高电平，减分为低电平）a0-a6：控制选手编号的7447的输出 L1-L6：抢答成功的选手指示灯（初态为低电平）b0-b6 c

20、0-c6 ：倒计时的7447的输出（初态为30）guide：倒计时一开时指示灯亮（初态为0，倒计时期间为高电平，停止倒计时为低电平）alarm:当倒计时到00时仍未有人抢答为高电平（初态为低电平）d0-d6 e0-e6 ：选手1的分数的7447的输出（初态为50）f0-f6 g0-g6 ：选手2的分数的7447的输出（初态为50）仿真：以下仿真为3次抢答（S由低变高了三次）。第一次在规定时间内S2抢答成功，a0-a6对应0010010，所以数码管显示数字2，即选手编号，并且L2为高电平，说明2号选手的指示灯亮，而b0-b6,c0-c6也倒计时到有人抢答的时刻就停止倒计时，可以对应输出guide

21、的变化。在S2抢答后，S3再抢答已经无效。若答题正确，主持人按下加分按钮，S2的分数从50变为60，从f0-f6,g0-g6从（0100100，0000001）变为（1100000，0000001）即可验证。第二次如同上述，S1抢答，a0-a6对应1001111，所以数码管显示数字1，并且L1为高电平。若答题错误，主持人按下减分按钮，S1的分数从50变为40，从d0-d6,e0-e6从（0100100，0000001）变为（1001100，0000001）即可验证。第三次，30秒内都没有人抢答，alarm变为高电平，并且数码管上显示00。仿真过后，添加分频器74292，给DE2板分配管脚，连接

22、后实现上述功能。5 结论与问题讨论5.1总结： 这次设计中，要求设计的抢答器功能在DE2板上大致上都能实现。过程中主要遇到两个问题，第一是对于锁存器的选取，当时参考很多书上都是选用芯片74279，可是在仿真过程中会出现状态不定的情况，而连接到DE2板上，1号选手抢答数码管会显示2，2号选手抢答数码管也是显示2，而3号选手抢答则显示4等等错乱的情况。后来经过分析，74279是SR触发器，当S，R两个端同时为电平时，会出现状态不一的情况。所以最后选用了JK触发器7473来改进这个问题。 第二个问题就是对芯片的管脚功能没有很好的掌握，如分频器74292的CLR端接了低电平，导致了倒计时的显示永远停留

23、在预置数。所以也要重视芯片的不常用管脚的功能，细节很重要。当然也存在一些不足，主持人按下抢答按钮前，虽然说有选手提前按下，数码管是显示不出来它的编号，表面上看起来似乎提前按没效果，可是实际上，若有选手提前按着的话，一旦主持人按下抢答按钮，则显示器会先识别这名选手，便会造成不公平的现象。通过这次设计获益良多，开始时完全不知道该如何着手，后来冷静思考后觉得还是从最基本的入手，去图书馆查阅相关资料，了解抢答器的基本实现方法，再结合自己所学知识不断去修正，分模块一个个实现，最后再将模块通过一些门连接起来，实现一个完整的抢答器。想问题要全面，不可急躁的去解决问题。另外发现与解决问题需要一定的技巧，要善于

24、掌握严密的逻辑思维和培养独立思考的习惯。6 实物制作6.1简化电路图：简化电路图后，只有一组计分器，并且去掉一直为0的那位。去掉选手编号的指示灯，报警，和倒计时指示灯。6.2 单元电路的实现：下图为秒脉冲电路,由555实现。连入示波器验证：频率为957.8mHz。T=1/f,所以周期约为1s，符合秒脉冲电路。 6.3 实物图： 6.4 焊接调试过程中遇到的问题分析及处理：焊完以后，接通5V电源，发现数码管都不会亮，仔细检查数码管附近的接线，原来是数码管中间的两个管脚没有接电源（数码管共阳），连上之后，数码管显示正常。在实现秒脉冲电路时，一开始示波器上的图像是很混乱的波形，不是矩形方波，后来通过

25、调整示波器的时间轴的幅度，为250ms后，能够显示出正确波形，也有这样一个思考：电容充放电需要时间，所以一开始可能得不到正确波形，需要等一段时间。 6.5 实物电路板的测试结果及分析： 焊接出来的实物最终还是没能实现抢答器的功能。因为时间有限，所以没有检测出到底是哪里出了错。也得到了启示：检测和焊接是要同时进行了，否则只能像无头苍蝇一样找错误，一个抢答器的功能很多，所以应该分模块去焊接，去实现它。参考文献1王松武,于鑫，武思君.电子创新设计与实践M. 国防工业出版2005,112-114. 2毛法尧等.数字逻辑M. 武汉：华中理工大学出版社，1996，176-178. 3康华光,邹寿彬.电子技术基础数字部分（第四版）M. 北京:高等教育出版05144-146.162-163.