六路抢答器的设计.doc

湖南商学院
《电子技术》课程设计报告

题　目 六路抢答器的设计

姓 名:

学 号:

专 业:

班 级:

指导教师:

职 称:

计算机与信息工程学院
2013年6月
课程设计评审表
姓 名

学 院

学 号

专业班级

题 目
六路抢答器的设计
评

审

意

见

评审成绩

指导教师签名

职称

评审时间
年 月 日
课程设计作品验收表
题目
六路抢答器的设计
参与人员
姓 名

班 级

学 号

设计任务与要求：
(1) 设计制作一个可容纳六组参赛的数字式抢答器，每组设计一个抢答按钮供抢答者使用，且抢答器具有优先编码和锁存的功能，；
(2) 将设计好的电路图在proteus仿真软件上运行，检查其是否正确；
(3) 填写元件清单并购买元件，按照设计好的电路图安装并调试；
(4) 根据课程设计报告要求撰写报告。
作品完成情况：
根据六路抢答器设计的主要要求，通过上网搜索相关方面的资料和参阅相关的书籍，最终设计出来了六路抢答器的电路图，并在proteus仿真软件上运行成功，在安装调试的过程中，虽然遇到了一些问题，但通过向老师和同学请教，最终所有问题得以解决，六路抢答器设计成功。
验收情况：

验收教师签名：___________
　　　　　　年 月 日
注：1. 除“验收情况”栏外，其余各栏均由学生在作品验收前填写。
2. “验收情况”栏由验收小组按实际验收的情况如实填写。
目 录
1、 概述…………………………………………………………………1
1.1 设计的目的与意义……………………………………………1
1.2 设计的任务与要求……………………………………………1
2、 总体设计方案………………………………………………………1
2.1 方案的选择……………………………………………………1
2.2 六路抢答器的详细工作过程…………………………………2
3、 单元电路设计………………………………………………………2
3.1 相关元器件的介绍 ……………………………………………2
3.1.1 74LS148的介绍 …………………………………………2
3.1.2 74LS279的介绍 …………………………………………3
3.1.3 CC4511的介绍……………………………………………4
3.2 抢答模块的设计………………………………………………6
3.3 编码模块的设计………………………………………………6
3.4 锁存模块的设计………………………………………………6
3.5 译码模块的设计………………………………………………6
4、 系统仿真与测试测试………………………………………………6
4.1 proteus的基本操作方法……………………………………6
4.2 仿真步骤………………………………………………………7
4.3 仿真结果及分析………………………………………………7
5、 安装与调试…………………………………………………………10
5.1 安装与调试的主要过程………………………………………10
5.2 安装与调试过程中遇到的问题和解决办法…………………11
6、 心得与体会…………………………………………………………12
参考文献……………………………………………………………13
附录…………………………………………………………………14

六路抢答器的设计
1、 概述
1.1 设计的目的与意义
抢答器在现实生活中的应用非常广泛，通过设计一个六路抢答器能够让我们更好的了解该器件的原理及内部电路，让我们的专业学习更加的贴近生活。本次所设计的六路抢答器只具有最基本的抢答功能，通过优先编码电路、锁存电路、译码电路将最先抢答的选手的编号显示在数码管上，其他选手按下按钮抢答无效，完成并验证所设计的抢答器的功能。
1.2 设计的任务与要求
（1） 设计制作一个可容纳六组参赛的数字式抢答器，每组设计一个抢答按钮供抢答者使用，且抢答器具有优先编码和锁存的功能；
（2） 将设计好的电路图在proteus仿真软件上运行，检查设计的电路图是否正确；
（3） 填写元件清单并购买元件，按照设计好的电路图安装并调试；
（4） 根据课程设计报告要求撰写课程设计报告。
2、 总体设计方案
2.1 方案的选择
根据设计的任务与要求，该抢答器要具有优先编码和锁存的功能，以保证在最先抢答的选手按下按钮后，其他选手按下按钮抢答无效，显示器上显示的还是最先一位选手的编号。通过分析与思考想出了以下两种方案：
方案一：采用74LS148优先编码器分辨选手抢答的先后，并通过SR锁存器74LS279锁存抢答选手的编号，再经过CC4511译码驱动共阴极数码管显示。
方案二：采用CC4067作为编码电路的核心元件，当有选手抢答时输出四位相应的8421BCD码即可同时供16位选手抢答。经CC4511七段译码器译码后驱动共阴极数码管显示，同时利用CD4069组成一个多谐振荡器，作为十进制计数器CC4510的CP脉冲使其计数并与D触发器CD4013完成自动锁存的功能。
结果：与方案二相比，方案一使用的芯片少、电路简单且同样能实现其抢答功能，故选用方案一。图1为数字抢答器总体方框图。
显示电路模块

锁存器电路模块

抢答按钮电路模块
译码电路电路模块
优先编码电路模块

图 1 抢答器的总体框图
2.2 六路抢答器的详细工作过程
该抢答器的主要功能是实现抢答功能，当主持人将开关置于“清零”位置时，抢答器处于禁止工作状态，数码管上显示的数字为“0”；当主持人宣布抢答开始后，并将开关置于“开始”位置时，抢答器处于工作状态，当选手按下抢答按钮时，该抢答器主要完成以下功能：优先编码器迅速分辨出最先一位抢答的选手的编号，并由锁存器进行保存，然后由译码器译码驱动数码管显示最先一位抢答的选手的编号。
3、 系统详细设计
3.1 相关元器件的介绍
该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图和部分功能介绍
3.1.1 74LS148的介绍
74LS148为8线－3线优先编码器，将8条数据线（0－7）进行3线(4-2-1)二进制（八进制)优先编码，即对最高位数据线进行译码。利用选通端（EI)和输出选通端（YS)可进行八进制扩展。
其各引脚的功能如下：
0－7 编码输入端(低电平有效)；
ST 选通输入端(低电平有效)；
Y0、Y1、Y3三位二进制编码输出信号即编码输出端(低电平有效)；
YEX 片优先编码输出端即宽展端(低电平有效)；
YS 选通输出端，即使能输出端；

图2 74LS148的引脚图
下表为74LS148的功能介绍，ST为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。其功能真值表如下：
表1 74LS148功能表
输入
输出
ST
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
Y2
Y1
Y0
YEX
YS

1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1

0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0

0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
1
1

0
X
X
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1

0
X
X
X
X
X
0
1
0
1
0

0
X
X
X
X
0
1
0
1
1

0
X
X
X
0
1
1
0
0

0
X
X
0
1
1
0
1

0
X
0
1
1
1
0

0
0
1
1
1
1

3.1.2 74LS279的介绍
74LS279 为四个RS锁存器，当R=1, S=0，时，输出为0；当R=0，S=1时，输出为1；当R=1, S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。图3为74LS279的引脚图：

图3 74LS279引脚图
表2为74LS279的锁存器的真值表：
表2 74LS279 真值表
输入
输出
1S
2S
R
Q
0
0
0
1
0
X
1
1
X
0
1
1
1
1
0
0
1
1
1
保持
3.1.3 CC4511的介绍
CC4511是一片 CMOS BCD—锁存/7段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED 数码管）显示器的BCD码—七段码译码器。A、B、C：二进制数据输入端；引脚4为输出消隐控制端；LE为数据锁定控制端；LT为灯测试端；a~g为数据输出端；图4为SR锁存器74LS279的引脚图：

图4 CC4511引脚图
原理说明：
开关S置于"清零"端时，RS触发器的输入端R均为０，４个触发器输出置０，使74LS279 中 BI/RBO ＝０，ABCD=0000,使之处于锁存状态。CC4511不工作，输出全为0。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（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，C=1,A=1,CC4511处于工作状态，CBA=101,即74LS279输入端DCBA=0101，经 74LS279后输出gfedcba=1101101,经译码显示为"5"。表3为CC4511的真值表：
表3 CC4511的真值表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0

0
消隐
1
1
X
X
X
X
锁 存
锁存

3.2 抢答模块的设计
抢答按钮模块：抢答按钮连接的是芯片74LS148，抢答按钮按下时74LS148接低电平，芯片正常工作，没有按下时，芯片接高电平。而74LS148内通过的最大电流不能超过30mA,否则会烧坏芯片，所以5V的电源不能直接接到芯片上，需要接保护电阻，当电阻大于5.6K时，会由高电平变为低电平，所以电阻的选择范围为0.17K—5.6K,为了减小误差，降低功耗，防止芯片的损坏，我取了电阻的阻值为1K。
3.3 编码模块的设计
优先编码电路模块：在优先编码器的选择中，8线－3线优先编码器共有 74148 和 74LS148 两种线路结构型式，而74LS148的功耗远比74148的功耗低，所以选择的优先编码器为74LS148.
3.4 锁存模块的设计
锁存器电路模块：74LS148把信号输入过来后，锁存器需要把信号保存并传递给译码器，同时能封锁输入电路，禁止下一个信号的输入。 优先编码器选择的是8线－3线优先编码器，所以至少需要三个锁存器，74LS279是由四个基本的锁存器组成，且功耗低，是最适合的电路芯片。
3.5 译码模块的设计
译码电路模块BCD 码七段译码驱动器型号有74LS47(共阳)、74LS48(共阴)、CC4511(共阴)等，因为本实验采用的是共阴极数码管，并且74LS48连接数码管时需接限流电阻，而用CC4511时则不需。本实验系采用CC4511BCD码锁存/七段译码/驱动器。驱动共阴极LED数码管。
4、 系统仿真与测试
4.1 proteus的基本操作方法
元件的选用：打开元件库，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。
元件的移动、旋转、反转、复制和删除：用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。
元器件参数设置：双击元件，设定相应的参数。
导线的连接：要包括导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。
连接：鼠标指向一元件的端点，出现小圆后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小圆后松开鼠标左键。
　　删除和改动：选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete 。或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。
4.2 仿真步骤
（1）根据自己所画好的电路图，在protues元器件库选择相应的元器件；
（2）在protues的工具栏中调出导线，将元器件按图连接好；
（3）按照自己所设置的电路图，设置好元器件的参数；
（4）点击运行按钮进行电路仿真，根据仿真结果修改相应的参数；

4.3 仿真结果及分析

图4 仿真电路

结果及分析：在总开关没有打开之前，按任意的抢答开关1-6，共阴极数码管上都没有数字显示；拨下总开关后，电路接通，数码管上显示数字“0”，

此时如果最先按下抢答开关的编号为“1”，则数码管上显示数字“1”，且再按其它任意抢答开关2-6，数码管上显示的数字都是“1”。

一轮抢答结束后，再将总开关置“0”，并进行接下来的抢答操作，可见数码管上显示的数字是最先按下的抢答开关的编号。

从上述结果中可以看到：由74LS148构成的优先编码电路迅速的分辨出了最先抢答的选手的编号，然后由SR锁存器74LS279构成的锁存电路，保证在最先抢答的选手按下按钮后，其他选手按下按钮抢答无效，且当主持人将开关置于“清零”位置时，抢答器处于禁止工作状态，只有当主持人宣布抢答开始后，并将开关置于“开始”位置时，抢答器才处工作状态，最后由CC4511构成的译码电路，驱动共阴极数码管并显示抢答选手的编号。
5、 安装与调试
5.1 安装与调试的主要过程
为了方便，选择用线路板来实现所设计的系统，线路板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。
在安装过程中，按照所设计好的电路图，清查各个元器件，看是否有缺失，如有缺失立马向老师反映。清查好元器件后，再用万用表分别测量电阻的阻值、数码管为共阴极还是共阳极。将测量好的元器件按照电路图依次焊接在线路板上，在焊接电阻时，先将其引脚理直，并根据需要剪掉多余的脚，其引脚不宜留的过长。在焊接集成芯片时，先将芯片的引脚插入其所对应的底座中，然后再依次焊接各个引脚，为了能够正确布线并便于查线，所有的集成电路的插入方向要一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。焊接开关时也按照同样的道理，然后按照电路图布线，在布线的过程中要特别的仔细，不然就会影响电路的正常工作。最后，在元器件安装好了之后，先连接电源线和地线，为了查线方便，连接尽量采用不同的颜色，然后打开电源开关看是否正确，如没有达到所设计的功能，再检查电路中哪里出现了问题。
在调试过程中，首先进行不通电检查，电路安装完毕后，按照所设计的电路图检查安装电路，在安装好的电路中，按电路图一一对照检查连线是否正确，并用万用表检测各焊点是否接在一起；然后再进行直观检查，连线检查完毕后，直观检查电源、元器件接线端之间有无短路，连线处有无接触不良；然后再进行通电检查，把5V的电源电压加入电路，电源接通后观察有无异常现象，包括有无冒烟、有无异常气味、触摸元件是否有发烫现象、电源是否短路等。如果出现异常，应立即切断电源，排除故障后可重新通电；最后进行分块调试，包括测试和调整两个方面。测试是在安装后对电路的参数及工作状态进行测量；调整则是在测试的基础上对电路的结构或参数进行修正，使之满足设计要求。
5.2 安装与调试过程遇到的问题与解决办法
问题一：安装好电路后，接入5V的电源电压，数码管的显示灯不亮；
解决办法：对安装好的电路进行电路检查，发现共阴极数码管没有接地，将其接地端接地，数码管有显示；
问题二：接入5V的电源电压后，数码管一直显示为“0”，按任意开关键数码管显示输出依旧是“0”；
解决办法：用万用表对各开关电路进行检查，看其是否接通，检查完毕后发现开关电路并无问题，通过与同学进行讨论，最终进行了如下修改：芯片74LS148的4脚和10脚接电源电压，74LS279的13脚与74LS148的5脚接在一起，CC4511的5脚接地；
问题三：数码管显示有其他数字输出，但是输出不稳定，并有乱码现象；
解决办法：检查安装好的电路，看是否有导线没有焊接好，检查发现芯片74LS148的7脚与74LS279的6脚的连线断了，重新连接好后再接通电源电压，数码管的显示正常，能够完成抢答功能。
6、 体会与总结
这次六路抢答器的设计是继上一次收音机安装实习后，又一次与我们专业相关的实训。通过这一将近两个星期的实训，它加深和巩固了我们所学的专业理论课程，例如数电和模电，提高了我们综合运用知识的能力、自学能力、动手操作能力，同时也将我们在书本上所学的理论知识与实践得到了很好地结合，让我对本专业有了更深一步的认识。
在这次的课程设计中，首先我们针对自己的选题进行了功能分析，并上网搜索了相关的资料，确定了用74LS148优先编码器、74LS279锁存器、CC4511译码器、共阴极数码管、1K和10K的电阻、单刀单掷开关和单刀双掷开关作为本次设计电路的主要元器件，然后运用proteus仿真软件进行电路的设计与调试，还好功夫不负有心人，通过努力最终将仿真电路图设计完成。然后将买回来的元器件按照设计好的电路图上的连线进行安装，然而探究真理的道路上总会出现一些小障碍…我们在进行实物连接的时候遇到了几个问题，首先由于自己的一时马虎，忘记将数码管的接地端接地，导致数码管没有数字显示输出，发现这一错误后，自己立马对其进行了连接，并对电路的接线进行了一遍检查，在确保接线无误的情况下，接通正5V的电源电压，数码管显示输出“0”，但是按任意按钮进行抢答都没有用，依旧保持输出“0”。面对这一新的问题，我们又进行了讨论，最后在老师的帮助下，将芯片74LS148的4脚和10脚接电源电压，74LS279的13脚与74LS148的5脚接在一起，CC4511的5脚接地。虽然数码管显示有其他数字输出，但是输出不稳定，并有乱码现象，面对这一问题，我又对安装好的电路进行了一次检查，看是否有导线没有焊接好，检查发现芯片74LS148的7脚与74LS279的6脚的连线断了，重新连接好后再接通电源电压，数码管的显示正常，能够完成抢答功能。
虽然在这次的课程设计中，遇到了一些这样或那样的问题，自己有时也感到很苦恼，但是通过自己的不断探索，最终完成六路抢答器的设计。当然，其中我也收获到了很多。通过这次课程设计，首先，我基本掌握了用proteus仿真软件进行电路图的仿真分析，且初步掌握了电子电路的设计方法；其次，对自己的动手能力也有所提高，让我对以后的理论学习更加的感兴趣，增进了专业知识的强化，让理论和实践得到了很好的结合；最后，也让我收获了友谊，在与同学的讨论中，我们的友谊得以提升。

参考文献
[1] 阎石. 数字电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 康华光.电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006.

[3].赵伟军《Protel 99 SE教程》.人民邮电出版社,2004（第一版）

附录
元器件申请表
2013年 6月 23日
姓　名

指导老师

班　级

课题题目
六路抢答器的设计
元器件
清　单
序号
名称
型号
参数
数量
备注

1
电阻
1k

6

10k

1

2

开关
单刀单掷

6

单刀双掷

1

3
编码器
74LS148

1

4
锁存器
74LS279

1

5
译码器
CC4511

1

6
数码管
共阴极数码管

1

7
导线

若干

8
16脚底座

3

9
数码管底座

1

指导老师意　　见

　　　　　 年 月 日
领件人

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年 月 日