数字电路课程设计-智力竞赛抢答器.doc

摘 要 在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。 通过本学年的数字电路技术的学习我们知道了它的原理其实是比较简单的，主要就是通过四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统控制选手的抢答情况，再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。 电路由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路主要由74LS175，即4D触发器来构成抢答锁存器，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的LED发光二极管发光，并且扬声器发出声音，同时，由3个Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用。 扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，并且在设计中加入了报警电路，以提示选手和观众。经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求功能。关键词：三人智力竞赛抢答器、74LS175、脉冲、锁存器目录1 设计任务及要求32 设定系统方案33单元电路设计、参数计算和器件选择43.1 抢答电路设计43.2 定时电路设计53.3报警电路设计94完整的电路图及电路的工作原理104.1完整电路图104.2 工作原理105 心得体会11参考文献12附录13三人智力竞赛抢答器1 设计任务及要求（1）设计一个供三人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，稍后的其他人按下开关则无效。抢答器具有显示功能，即选手按动按钮，相应的LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音。 （2）主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；（3）计时器计时采用倒计数的方式，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数定时器的时间可以随意预置；电路具有回答问题时间控制功能，要求回答时间小于等于100秒（显示为99到0），当达到限定时间时，发出声响以示警告。2 设定系统方案电路大致可以由四个功能模块组成：以4D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，报警电路部分。在4D触发器构成的抢答锁存器中，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的LED发光二极管发光，并且扬声器发出声音，同时，由三个非Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用，这时抢答无效。在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了。在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS192，数码管显示器组成。利用74LS192计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS192被置初始值，抢答时间开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在规定时间内无人抢答，即抢答时间为0时，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，抢答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒；假如在规定时间内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，抢答时间停止倒计时，蜂鸣器鸣叫0.5秒，与此同时，回答时间开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间，若规定时间内选手没有回答完，则计数器停止倒计时，回答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒。在报警电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。3单元电路设计、参数计算和器件选择3.1 抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，用LED发光二级管显示表示；二是要使其他选手的按钮操作无效。因此，选用4D触发器74LS175、四输入端与非门74LS20和六组反相器74LS04以及LED灯显示电路完成上述功能。74LS175是常用的四上升沿D触发器集成电路，里面含有4组D触发器，可以用来构成寄存器，抢答器等功能部件。当清除端MR为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟CP上升沿作用下，Q与数据端D相一致。当CP为高电平或低电平时，D对Q没影响。其引脚图及真值表如下图所示。图1 74LS175的引脚图表1 74LS175真值表 根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示图2 抢答器电路工作原理：图2三个按钮为三位选手的抢答开关，单刀开关为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态，即闭合时，清除端MR为低电平，输出端Q为低电平，于是LED灯灭，此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于开始状态，MR为高电平，74LS175的Q经四输入与非门(U3:A)输出接入到抢答按钮左边的公共端，按钮右边经反相器接到74LS175的输入端D，并且同时接到四输入与非门（U3：B)，再经两个反相器延时接到74LS175的时钟CLK端，抢答器处于等待工作状态。 若有选手（假设为1号选手）按动抢答开关（即按下按钮瞬间），此时74LS175的输入端D0为高电平，74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿的作用下，输出端Q0与输入端D0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮。同时，由于Q0为低电平，与非门（U3：A）输出为高电平，将按钮的公共端变为高电平，若此时按钮还处于闭合状态，则与非门（U3：B）输出为低电平，使CLK变为低电平，此时74LS175处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。3.2 定时电路设计 设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为10s）和回答的时间（设为60秒）。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图4所示，功能表如表2所示。图3 74LS192引脚图和逻辑图P0、P1、P2、P3置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3计数数据输出；MR清零端；PL置数端；CPU 加法计数CP输入；CPD 减法计数CP输入；TCU 进位输出端；TCD 借位输出端。表2 74LS192功能表根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端TCD与十位74LS192的CPD即可实现100进制减计数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPU端口必须接高电平。本课程设计采用四片74LS192，其中两片控制抢答时间，另外两片控制回答时间。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图5所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。图4 多谐振荡器矩形波输出 因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是： t1=R7C2ln20.7（R7C2） t2=(R6+R7)C2ln20.7(R6+R7)C2 所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)1.43/(2R6+R7)C2 我们采用的电阻和电容值分别是：R6=15K，R7=68K，C2=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。 由以上集成芯片设计的定时电路如图5所示。图5 定时电路工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变拨码开关DSW1-4的状态，从而改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为10秒）和回答时间（假定为60秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，抢答计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）以及抢答按钮公共端的反相信号相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，抢答减计数器停止计时，抢答显示器上显示此刻时间，同时，回答计数器开始计数，当计数器递减计数至00，计数器停止工作，产生报警。3.3报警电路设计由555定时器和电阻电容构成的报警电路如图6所示。图中555定时器用来构成单稳态电路。图6 具有微分环节的555单稳态电路工作原理:由于外界触发脉冲Ui加了进来，电路Uo由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间Tw计算如下： 显然，改变定时元件R或C即可改变延时时间Tw。我们采用的电阻和电容值分别是：R=91K，C=10uf, 满足上式，来产生1秒的延时时间；和R=47K，C=10uf,来产生0.5秒的延时时间。3端的输出信号接扬声器，发出报警信号，当计数器为0时，扬声器发出1秒的声音；当有选手抢答时，扬声器发出0.5秒的声音。4完整的电路图及电路的工作原理4.1完整电路图控制电路将抢答、定时电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总电路图如图7所示图7 完整电路图图7 完整电路图4.2 工作原理下面介绍四路智力竞赛抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是、，抢答后选手对应的LED灯被点亮，扬声器发出0.5秒的响声。然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR，当抢答计数器递减计数至00时，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，此时MR端为低电平，74LS175处于禁止工作状态，即实现预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，并产生报警；另一路低电平与四个计数器74LS192的PL端相连，使74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。 接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间和回答时间，此设定可以通过调节四个拨码开关，从而改变输入四片74LS192的四个输入端D3、D2、D1、D0的高低电平来进行（例如要设定抢答时间为10秒,就将抢答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、0、0、1，而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0；要设定回答时间为60秒,就将回答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、1、1、0，而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到抢答计数器74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR，使其处于高电平而开始工作。当任意一个选手抢答时，假设为号选手按动抢答开关，此时74LS175的输入端D0为高电平，74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿的作用下，输出端Q0与输入端D0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮，同时扬声器发出0.5秒的响声，并且电路将信号锁存，74LS175处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。若到定时部分抢答计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，则抢答计数器十位74LS192的借位输出端TCd输出为低电平，停止计数，同时抢答不起作用，报警器报警。若有人抢答，定时部分回答计数器倒计时到00还未答完的话，报警器发出1秒报警声。综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。5 心得体会通过本次课程设计，不仅使我有效的巩固了本学期所学的数字电路的知识，还加深了我对锁存器、逻辑电路等的理解。并且在课程设计的过程中，我了解并掌握了用Proteus软件进行电路仿真，使我熟练掌握了数字芯片的性能和使用，这是我在课程设计之前没有想到的。而且，有些知识看着简单，实际运用起来还有一定难度，这促使我在今后的学习生活中勤动手，勤仿真，将所学的知识运用到实际中来。其次，本次课程设计也使我对数字电路的相关知识产生了浓厚的兴趣，例如一个秒脉冲电路，从芯片的选择，到电阻电容值得计算，都要求我们严谨。要想实现预期的功能，就要选择合适的电子元器件，设计出符合要求的电路，毕竟课本上的知识都是抽象的，只有学以致用，才能真正理解并掌握它。感谢李鹏老师这半年来教给我们数字电路的相关知识，带领我们做了一系列实验。感谢老师在课程设计的过程中给予我们的帮助，感谢研究所的学长学姐在此期间对我的支持和鼓励。本次课程设计使我受益匪浅，知识和技能方面都得到了大幅度提升，这都将激励我在今后的学习生活中勤动手、勤实践，加强思考和解决问题的能力。参考文献1 康华光.电子技术基础数字部分.北京：高等教育出版社，2014.2 李维，王启林，李鹏.数字电路实验及课程设计.大连：大连理工大学出版社，2014.3 李哲英.电子技术及其应用基础（数字部分）.北京：高等教育出版社，2009.4 王金明.数字系统设计与Verliog HDL.北京：电子工业出版社，2009.5 王小海，祁才君，阮秉涛.集成电子技术基础教程（下）.北京：高等教育出版社，2008.附录附录A：系统电路原理图元器件名称数量：（个）共阴数码管474LS48474LS175174LS192474LS20174LS11174LS04274LS081743215553蜂鸣器1LED发光二极管3拨码开关DIPSWC_44排阻RESPACK-82电阻1K415K147K168K191K1200K2电容100nF310uF30.1uF2附录B：元器件清单14