数电优秀课程设计优质报告八路数字抢答器.doc

数字电路课程设计 数字抢答器 设 计 报 告
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12 月 18 日
八路数字抢答器
一、 设计目标及任务 ........................................................ 2
1.设计目标 .............................................................. 2
2. 设计任务及要求 . ..................................................... 2
(1基础功效 ......................................................... 2
(2扩展功效 ......................................................... 2 二、 电路设计总方案及原理框图 ...................................... 2
1. 设计思绪 .................................................................. 2
2.总电路框图 .............................................................. 3 三、单元电路工作原理 ...................................................... 3 1.显示电路 ................................................................. 3
(1 RS 触发器: ................................................... 4
(2 74LS148优先编码器:. .................................. 5
2. 秒脉冲发生器电路 . ................................................... 6
3.报警电路 ................................................................. 8
四、电路仿真 . .................................................................... 9
五、试验结果 . .................................................................... 9
六、结论 . ......................................................................... 10
七、附录 . ......................................................................... 11 1. 总电路图 .................................................................. 11 八、参考文件 . ...................................... 错 误!未定义书签。
一、设计目标及任务
1.设计目标
经过八路数字抢答器设计试验, 要求大家回顾所学数字电子技术基础理 论和基础试验, 掌握组合电路、 时序电路、 编程器件和任意集成电路综合使用 及设计方法, 熟悉掌握优先编码器、 触发器、 计数器、 单脉冲触发器、 555电路、 译码 /驱动电路应用方法,熟悉掌握时序电路设计方法。达成数字试验课程 纲领所要求掌握基础内容。
2. 设计任务及要求
(1基础功效
①设计一个智力竞赛抢答器, 可同时供 8名选手或 8个代表队参赛, 她们 选号分别是 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7,各用一个抢答按钮,按钮编号对应分 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, 用来控制系统清零 (编号显示数码管 灭灯和抢答器开始。
③抢答器含有数据锁存和显示功效。 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编号。另外,要封锁输入电路, 严禁其它选手抢答。优先抢答选手编号一直保持主持人将系统清零为止。 (2扩展功效
①抢答器含有定时抢答功效,且一次抢答时间能够由主持人设定(如 30秒 。当节目支持人开启 “ 开始 ” 键后,要求定时器立即减计时,并用显示器显 示。
②参与选手在设定时间内抢答, 抢答有效, 定时器停止工作, 显示器上显 示选手编号和抢答时刻时间,并保持到主持人将系统清零为止。
③假如定时抢答时间已到, 却没有选手抢答时, 此次抢答无效, 系统短暂 报警,并封锁输入电路,严禁选手超时后抢答,时间显示器上显示 00。
二、电路设计总方案及原理框图
1. 设计思绪
(1本题根本任务是正确判定出第一抢答者信号并将其锁存。实现这 一功效可选择使用触发器或锁存器等。 在得到第一信号以后应立即将电路输入 封锁, 即使其它组抢答信号无效。 同时还必需注意, 第一抢答信号应该在主持 人发出抢答命令以后才有效。
(2当电路形成第一抢答信号以后,用编码、译码及数码显示电路显示出 抢答者组别,也能够用发光二极管直接指示出组别。
(3在主持人没有按下开始抢答按钮前,参赛者抢答开关无效;当主持 人按下开始抢答按钮后,开始进行 30秒倒计时,此时,若有组别抢答,显示该 组别并使抢答指示灯亮表示“已经有些人抢答” ;当计时时间到,仍无组别抢答,则 计时指示灯灭表示“时间已到” ,主持人清零后开始新一轮抢答。
2.总电路框图
电路总体框图图 1所表示:

图 1 总电路框图
三、单元电路工作原理
1.显示电路
此部分电路关键完成功效是实现 8路选手抢答并进行锁存, 同时有对应发 光二极管点亮和数码显示。
使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。 该电路关键完成两个 功效:一是分辨出选手按键前后, 并锁存优先抢答者编号, 同时译码显示电 路显示编号(显示电路采取七段数字数码显示管 ;二是严禁其它选手按键,其 按键操作无效。工作过程:开关 S 置于 " 清除 " 端时, RS 触发器 R、 S 端均为 0, 4 个触发器输出置 0,使 74LS148 优先编码工作标志端= 0,使之处于工 作状态。当开关 S 置于 " 开始 " 时,抢答器处于等候工作状态,当有选手将抢答 按键按下时(如按下 S5 , 74LS148 输出经 RS 锁存后, CTR=1,RBO =1, 七段 显示电路 74LS48 处于工作状态, 4Q3Q2Q=101,经译码显示为 “ 5” 。 另外, CTR =
1, 使 74LS148 优先编码工作标志端=1, 处于严禁状态, 封锁其它按键输入。 当按键松开即按下时, 74LS148 此时因为仍为 CTR =1,使优先编码工作标志 端=1, 5 所以 74LS148 仍处于严禁状态,确保不会出二次按键时输入信号, 确保了抢答者优先性。 只要有一组选手先按下抢答器, 就会将编码器锁死, 不 再对其它组进行编码。经过 74LS48译码器使抢答组别数字显示 0-7。如有再次 抢答需由主持人将 S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
抢答模块原理图 图 2所表示:

图 2 抢答模块原理图
(1 RS 触发器:
①保持状态。 当输入端接入 S =R =1电平时, 假如基础 SR 触发器现态 Q =1、 Q =0,则触发器次态 Q =1、 Q =0;若基础 SR 触发器现态 Q =0、 Q =1,则触发 器次态 Q =0、 Q =1。即 S =R =1时,触发器保持原状态不变。
② 置 0状态。当 S =1, R =0时,假如基础 SR 触发器现态为 Q =1、 Q =0, 因 R =0,会使 Q =1,而 Q =1和 S =1共同作用使 Q 端翻转为 0;假如基础 SR 触发 器现态为 Q =0、 Q =1,同理会使 Q =0, Q =1。只要输入信号 S =1, R =0,不管基 本 SR 触发器输出现态怎样,均会使输出次态置为 0态。
③置 1状态。当 S =0、 R =1时,假如触发器现态为 Q =0、 Q =1,因 S =0, 会使 G
1
输出端次态翻转为 1,而 Q =1和 R =1共同使 G 2输出端 Q =0;同理当 Q =1、 Q =0,也会使触发器次态输出为 Q =1、 Q =0;只要 S =0、 R =1,不管触 发器现态怎样,均会将触发器置 1。
④不定状态。当 S =R =0时,不管触发器原状态怎样,均会使 Q =1, Q =1。当 脉冲去掉后, S 和 R 同时恢复高电平后, 触发器新状态要看 G 1和 G 2两个门翻
转速度快慢,所以称 S =R =0是不定状态,在实际电路中要避免此状态出现。
(2 74LS148优先编码器:
表 1 74LS148真值表

74LS148输入端和输出端低电平有效。 如表 174LS148真值表所表示:0I ~7
I 是输入信号, 2Y ~0Y 为三位二进制编码输出信号, S I =1时,编码器严禁编码, 当 S I =0时,许可编码。 S Y 是技能输出端,只有在 S I =0,而 0I ~7I 均无编码输 入信号时为 0。 EX Y 为优先编码输出端, 在 S I =0而 0I ~7I 其中之一有信号时,
EX Y =0。 0I ~7I 各输入端优先次序为:7I 等级最高, 0I 等级最低。假如 7I =0(有信号 ,则其它输入端即使有输入信号,均不起作用,此时输出只按 7I 编
码, 2Y 1Y 0Y =000。 优先编码被广泛用于计算机控制系统中, 当有多个外设申请 中止时,优先编码器总是给优先等级高设备先编码。

图 3 译码管电路
二进制译码器是将输入二进制代码多种状态按特定含义翻译成对应输 出信号电路。也称为变量译码器。若输入端有 n 位,代码组合就有 2n 个,当 然可译出 2n 个输出信号。
显示译码器由译码输出和显示器配合使用,最常见是 BCD 七段译码器。 其输出是驱动七段字形七个信号,常见产品型号有 74LS48、 74LS47等。 字符显示器:分段式显示是将字符由分布在同一平面上若干段发光笔划组 成。电子计算器,数字万用表等显示器全部是显示分段式数字。而 LED 数码显示 器是最常见。通常有红、绿、黄等颜色。 LED 死区电压较高,工作电压大 约 1.5~3V,驱动电流为几十毫安。图 3所表示,是七段 LED 数码管引线图和 显示数字情况。 74LS47译码驱动器输出是低电平有效,所以配接数码管须采 用共阳极接法;而 74LS48译码驱动器输出是高电平有效,所以,配接数码管 须采取共阴极接法。数码管常见型号有 BS201、 BS202等。图 3是共阴式 LED 数码管原理图,使用时,公阴极接地, 7个阳极 a~g由对应 BCD 七段译码 器来驱动。
2. 秒脉冲发生器电路
该部分关键由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同时加减计数器 74LS192 减法计数电路、 74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。 完成功效是当主持人按下开始抢答按钮后,进行 30s 倒计时,到 0s 时倒计时 指示灯亮。当有些人抢答时,计时停止。两块 74LS192 实现减法计数,经过译码 电路 74LS48 显示到数码管上, 其时钟信号由时钟产生电路提供。 74LS192 预 置数控制端实现预置数 30s , 计数器时钟脉冲由秒脉冲电路提供。 按键弹起后, 计数器开始减法计数工作, 并将时间显示在共阴极七段数码显示管上, 当有些人抢 答时, 停止计数并显示此时倒计时时间; 假如没有些人抢答, 且倒计时时间到时, 输出低电平到时序控制电路, 控制报警电路报警, 同时以后选手抢答无效。 倒计 时模块电路图 4所表示:
图 4 倒计时模块电路
由 555定时器和三极管组成报警电路。 其中 555组成多谐振荡器, 振荡频率 fo =1.43/[(RI +2R2 C ], 其输出信号经三极管推进扬声器。 PR 为控制信号, 当 PR 为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。 555定时器连接图图 5所表示:

图 5 555定时器连接图

3.报警电路
控制输入信号为经过编码抢答选手信号,当有些人在有效时间内抢答时, 定时时间到时无人抢答时,输入信号为高电平,报警电路发出报警信号;反之, 输入信号为低电平时,报警器不工作。 报警电路图 6所表示 :
图 6 报警电路

四、电路仿真
倒计时开始后开始计数,同时倒计时指示灯亮直到倒数到 0秒熄灭, 总电路 图 图 7所表示:
图 7 总电路图
五、试验结果
将检验好电路加上 5伏直流稳压电源后,显示选手编号数码管显示 7, 按下复位键后,接通电源,开关打到预置端,倒计时数码管显示 29。主持人拨 动开关后,倒计时电路开始从 29秒倒数, 8路触点开关处于待命状态。若有选 手按下所在开关(抢答 ,抢答电路显示选手所在编码(0~7 ,倒计时电路停止

八路数字抢答器 计时。同时其它选手所在开关被锁定，抢答无效。假如 30 秒倒计时结束后仍 无人抢答，LED 灯熄灭，倒计时电路锁定为 00，抢答不再有效，且蜂鸣器发出。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行 下一轮抢答。 六、结论 首先感觉学校、老师、同学及在这次试验中全部给过我帮助人,最终成 功是离不开她们。 1.用 multisim 软件仿真。即使以前在模电、Protel 课程设计中接触过部分电 子电路，但在早期还是感到无从下手。这是我第一次接触 multisim 软件，感觉它 比 Protel 更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路设计过程中，花费时间 最多是各个单元电路连接及电路细节设计上，在多个方案选择中，我们 仔细比较分析其原理和可行原因，但有时接线，因为不够细心，造成整个电 路无法运行，最终还是在通数次对电路改善，上机仿真和接线调试，最终使 整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻体会到在设计过程中，需要反复实 践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来电路还是需要重做，那 时心中未免有点气馁，有时还尤其想放弃，此时愈加需要静下心，查找原因。设 计思绪是最关键，只要你设计思绪是成功，那你设计已经成功了二分之一。 所以我们应该在设计前做好充足准备，像查找具体资料，为我们设计成功 打下坚实基础。 2. 设计单元电路阶段， 这个阶段能够说是考察数电书本知识阶段。 全部设 计方法还有步骤在数电书上全部有，而且还有例题。这个阶段碰到关键问题就是以 前知识忘记不少，所以做设计时候要常随手翻阅书本，等于是做了几道数电作 业题。这个阶段难度也不是很大，通常翻书本就能够找到答案并处理问题。 3，试验阶段能够说是这次设计中最关键部分，因为以前只是理论而不是 真正实体。所以说它是最关键。试验阶段我们碰到问题有：对软件不熟悉； 对试验过程中信号测量知识学习极少； 因为各个模块是分开做以后又组装到一起 ，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行不过接到一 起就会出现问题）;针对以上多个问题我们作出了以下“对策”:软件不熟悉，就借 来参考书，一步一步对着学，而且老师给资料上也有软件使用说明，所以随 着接触增加软件也就越来越熟悉， 这方面问题不是太难因为一边理论一边学习 恰好是学习好方法，而且也学尤其快。 10
八路数字抢答器 七、附录 1.总电路图 图 附 1-1 电路原理图 11