数字抢答器设计.doc

唐 山 学 院
数字电子技术 课 程 设 计

题 目 数字抢答器设计
系 (部) 信息工程系
班 级 12电本 班
姓 名
学 号 4120208xxx
指导教师 马军爽 樊艳

2014 年 6 月 30 日至 7 月 4 日 共 1 周

2014年 7 月 3 日

目 录
1 引言 1
2 仿真软件介绍 2
2.1 Multisim 2
2.2 Multisim 10概述 2
2.3界面基本操作 3
2.4 使用注意事项 4
3 设计及原理 5
3.1设计目的 5
3.2总体框图 5
3.3工作原理 5
4 单元设计方案 7
4.1抢答电路的设计 7
4.2定时电路的设计 8
4.3 报警电路的设计 8
5 单元设计测试 10
5.1 抢答功能测试 10
5.2 定时电路的测试 11
5.3 禁止抢答电路的测试 11
6 课程设计总结 12
参考文献 13
附录 14
附录1 元器件清单 14
附录2 总体电路设计图 15

课程设计说明书
1 引言
抢答器是一种应用非常广泛的设备，无论是在学校、工厂、军队还是益智性电视节目都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。它能准确、公正、直观地判断出抢答者的座位号，也能显示出每个选手的抢答时间，使比赛大大增加了娱乐性的同时，也更加公平、公正。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器，但绝大多数是早期设计的，由模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码器、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。通过定时电路实现计时功能，构成扩展电路。在抢答电路中利用一个优先编码器译出最先抢到答题权的选手编号并经数码管显示出来，同时给出声音提示，还要封锁电路，使其他选手再抢答则无效。当选手问答完成后，主持人将系统恢复。如果抢答时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，报警电路发出报警，禁止选手超时后抢答。本设计以六路抢答器为基本概念，从实际应用出发，利用multisim完成了原理图设计和电路仿真，由抢答电路、倒计时电路、报警电路组成。实现能同时供6人抢答的电路。

2 仿真软件介绍
2.1 Multisim
Multisim10是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟、数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
2.2 Multisim 10概述
目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim 10.0，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。此软件可以提供以下便利：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路； 通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
在搭建实际电路之前，采用Multisim10仿真软件进行虚拟测试，可使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率，节省大量的实验资源。Multisim10软件有一个完整的集成化设计环境，它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。Multisim10软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图、电路图选项的设置、使用仿真仪器、Multisim10仿真。

2.3界面基本操作
启动Multisim 10

图2-1 Multisim10界面
菜单工具栏
设计工具盒
数据表格视图
激活电路标签
电路窗口
仪表工具栏

图2-2 Multisim界面

2.4 使用注意事项
(1)不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机；
(2)删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下；
(3)注意数字地与模拟地的差别，使用标准符号；
(4)LED数码管的极性；
(5)分模块调试，最后综合调试。

3 设计及原理
3.1设计目的
本课题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号将其锁存。实现这一功能可选择SR锁存器。在得到第一信号之后立即将电路的输入封锁，即使再有抢答信号也无效。同时还必须注意，第一抢答信号应在主持人发出抢答命令之后才有效。电路形成第一信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者号码。当主持人按下开始按钮后，开始进行9秒倒计时，开始抢答。当有抢答信号时，计时停止，当计时时间到0秒，若无人抢答，则本次抢答无效，禁止选手超时后抢答，报警器发出报警。主持人清零开始后才可重新开始抢答。
3.2总体框图
定时抢答器的总体框图如下3-1：
抢答按钮
优先编码电路
锁存器
译码电路
数码管显示
主持人控制开关
控制电路
定时电路
译码电路
报警电路
显示电路

图3-1 总体框图

3.3工作原理
抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能，由输入电路，判别电路，显示电路，秒脉冲发生器，计时电路和报警电路等组成。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。在选手按键以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。
电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图3-1所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间为9s，当主持人将控制开关置于 “开始”时，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能： 优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；扬声器发出短暂声响；控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

4 单元设计方案
4.1抢答电路的设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能。工作过程：开关S置于"清除"端时，RS触发器的R端均为0，触发器输出置0，使74LS148处于工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时，74LS148的输出经RS锁存，处于工作状态，Q4Q3Q2=101,经译码显示出来。此外，74LS148的ET为高电平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， 此时由于仍为ET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。当主持人将S开关重新置零，才可以进行下一轮抢答。
电路如图4-1所示：

图4-1 抢答电路

4.2定时电路的设计
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、74LS190，译码电路，7段数码管等相关电路组成。工作过程为：抢答开始前，74LS190置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为9，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当倒计时0秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为0。
定时电路如下：

图4-2 定时电路

4.3 报警电路的设计
采用555定时器和三极管构成的报警电路。其中555构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动蜂鸣器。
报警电路如下：

图4-3 报警电路

其输出信号经三极管推动扬声器。555芯片的4号管脚（RST）作为控制端，当4号管脚为低电平时，蜂鸣器发出声音；当4号管脚为高电平时，蜂鸣器不发声。

5 单元设计测试
5.1 抢答功能测试

图5-1 抢答电路
选手按下按键，数码器显示出选手的号码，图为3号选手按下按键时数码器的显示正确。
5.2 定时电路的测试

图5-2 定时电路
当主持人按下开始键，倒计时开始，从9秒开始倒计时，图为倒计时测试过程，显示正确。当主持人按下清零键时，显示器显示零。
5.3 禁止抢答电路的测试

图5-3 禁止抢答电路
当倒计时结束，仍无选手抢答，报警器报警，同时禁止选手抢答，如图，显示正确。

6 课程设计总结
通过这次课程设计，我对数字电路有了进一步的了解，在设计抢答器、报警器、定时器的过程中，我对各电路器件（如：与非门，74LS148，74LS279，555定时器和LED显像管等）及原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力，也使我能更好的运用所学的知识。电子技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑电路的设计方法在不断演变和发展，所以我们还需要不断地学习、探索、研究。
这次课程设计，我基本掌握了用Multisim仿真分析，且初步掌握了电子电路的设计方法，但由于自己水平有限，论述不够全面，存在着很多问题，在以后的学习中还需多加练习，熟练掌握，拓展自己的视野。

参考文献
[1] 王鸿明，段玉生.《电工与电子技术》.高等教育出版社，2009.12
[2] 阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社，2009.2
[3] 吴俊芹.《电子技术实训与课程设计》.机械工业出版社，2009.4
[4] 王永军，李景华《数字逻辑与数字系统》.北京电子工业出版社，2006年
[5] 陈大钦.《电子计数基础实验---电子电路实验设计仿真》.北京高等教育出版社，2000年

附录
附录1 元器件清单
序号
元器件名称
型号参数
数量
1
触电开关

6
2
单刀双掷开关

1
3
电阻
4.7k
6
4
电阻
55k
1
5
电阻
68k
1
6
电阻
1k
5
7
电阻
15k
1
8
电阻
510
1
9
优先编码器
74LS148
1
10
计数器
74LS190
1
11
锁存器
74LS279
2
12
译码器
74LS48
1
13
与门
74LS08
1
14
或门
74LS32
1
15
非门
74LS04N
2
16
电容
200n
1
17
电容
100n
2
18
电容
10n
1
19
蜂鸣器

1
20
LED发光二极管

1
21
三极管

1

附录2 总体电路设计图

15