数电课程设计八路抢答器.doc

数字电子技术课程设计报告

八路智力竞赛抢答器的设计

专 业: 电子信息科学与技术
班 级: 2012级1班
姓 名:
学 号:
指导老师:

电子通信与物理学院
日 期: 2015 年 1 月 10 日

指导教师评语

1设计要求
在当代社会中企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。在这一背景下本文利用74LS系列芯片设计了一种有效、便捷的八路数字抢答器。
设计要求如下：利用数字电路设计一个八路抢答器，允许八路参加，并具有锁定功能，用LED显示最先抢答的队号码，系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。数字显示功能：数字抢答器定时为30S，启动开启键以后要求Ⅰ)定时开始；Ⅱ)扬声器要短暂报警；Ⅲ)发光二极管亮灯；如果在30S内抢答有效,计时结束，30S内抢答无效，发光二极管灯灭。
2 设计任务
本次描述的八路抢答器功能指标为：设计一个能支持八路抢答的智力竞赛抢答器；主持人按下开始抢答的按键后，有短暂的报警声提示抢答人员抢答开始且指示灯亮表示抢答进行中；在开始抢答后数码管显示30秒倒计时；有抢答人员按下抢答键后，在数码管上显示抢答成功人员的编号，倒计时暂停，同时后续抢答人员的抢答将无效；当主持人再次按下按键回到复位状态，倒计时的数码管保持显示30，显示人员编号的数码管灭，指示灯灭。
本次设计的电路由包括抢答电路、定时电路、报警电路在内的三部分电路组成。抢答电路由按键、锁存器、优先编码器、数码管译码驱动器等器件组成；定时电路由555定时器、计数器、锁存器、数码管译码驱动器、开关等器件组成；报警电路由蜂鸣器、单稳态脉冲触发芯片等器件组成。

3 总体设计
3.1原理分析
3.1.1工作原理简介
如图2.1所示为抢答器的结构框图，它由抢答电路、计时电路和报警电路三部分组成。抢答电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。计时电路完成计时功能。其工作原理为，当开始抢答的开关没有闭合时，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置于"开始抢答"状态，宣布"开始"抢答。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答只须主持人将开关断开后闭合。
3.1.2抢答器工作过程
主持人开关拨到“开始抢答”状态，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设30s抢答时间），如有选手抢答，显示其号数并停止倒计时，只有第一个按抢答的选手有效。如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时将开关拨到“准备”状态，系统会自动进入准备状态，等待主持人拨回"开始抢答"进入下次抢答计时。如果主持人将开关拨到“开始抢答”状态，而此时有人按了抢答按键则抢答无效，不会显示其号码。
3.1.3主要元器件功能介绍
（1）8D锁存器74LS373
74LS373为三态输出的8 D锁存器。引脚说明：D0～D7 数据输入端，OE 三态允许控制端（低电平有效），Q0～Q7 输出端。当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0～Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，D 被锁存在已建立的数据电平。

（2）优先编码器74LS148
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。芯片管脚：0－7 编码输入端(低电平有效)，EI 选通输入端(低电平有效)，A0、A1、A2 三位二进制编码输出信号即编码 输 出 端(低电平有效)，GS 片优先编码输出端即宽展端(低电平有效)，EO 选通输出端，即使能输出端。

（3）数码管译码器驱动器74LS48
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。引脚：A0－A3为译码地址输入端，BI/RBO为消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）LT为灯测试输入端（低电平有效），RBI脉冲消隐输入端（低电平有效），Ya－Yg段输出。当A0-A3输入0到15时，段输出驱动数码管显示响应的数字。
（4）74LS192十进制可逆计数器
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

3.2电路设计
3.2.1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8D锁存器74LS373可以完成上述功能，其电路组成如图2.2所示。
其工作原理是：当主持人控制开关S9处于断开状态时，74LS373的锁存控制端为高电平不锁存，Q随数据D而变。此时8输入与非门74LS30的输出为低电平。同时由于开关S9断开，数码管的共阴极为高电平，这样就不会在未抢答状态下显示号码了。而此时74148的输入为八个高电平输出为三个高电平如果不加控制经7448译码输出后会在数码管上显示数字7。这里把8输入与非门74ls30的输出接到7448的灭灯控制端BI/RBO，抑制数码管显示。当开关S9被闭合时，进入抢答状态。这时虽然开关S9闭合使或门74S32的一个输入端为0，但由于8输入与非门的输出仍为0所以74LS373的锁存控制端仍为1，不会阻止数据的通过。当第一个按键按下时，74LS30的输出变为高电平，同时由于开关S9以闭合使得或门74S32的两个输入都为低电平，则锁存器373的锁存控制端ENG变为低电平，锁存此时的Q值。理论上该值只有一个为低电平，其余为高电平，为低电平的那个即为抢答的成功的那个。这时对74148来说就有了有效输入（某个输入端变为0），优先编码得到一个数字作为7448的输入在数码管上显示出来。这样就完成了从抢答到显示的工作。

3.2.2定时电路设计
定时电路主要实现30秒倒计时的功能。该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS19构成的减法计数电路、74LS4译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，计数器的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。当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，也停止计时。
其中555定时器和两个电阻、两个电容构成多谐振荡器产生周期为一秒的脉冲接到74LS192的减计数端进行每秒一次的减计数。其震荡周期的计算公式为。在电路中取 得震荡周期为T=(30k+27K)*470nF=1S。两片74LS192构成30进制减计数器。当收到来自555定时器的脉冲时，控制个位的74LS192就会减计数，当它减到0再收到脉冲要继续减的时候，其借位输出端输出正脉冲使十位的74LS192减一计数。开关的作用是在开关闭合时进行预置数，把两片74LS192分别预置位3和0。74LS373的作用这里没有体现出来，它是在总的电路中用到的。它用于在成功抢答后锁存数码管上显示的时间。74LS48是数码管译码驱动器。用于将573中锁存的数字显示出来。这里的数码管是共阴极数码管，其共阴极直接接地没有像抢答电路中那样加入按键控制。

图2.3 定时电路
3.2.3报警电路设计
报警电路的作用是当开始抢答时进行短暂的报警提醒。由于要求是短暂的报警提醒，所以要设计一种可以产生单脉冲的单稳态电路，使其在某个信号刺激下产生单脉冲使有源蜂鸣器发声一段时间后停止发声。本次设计采用了一个集成的单稳态芯片构成单稳态电路。当有脉冲到达时单稳态触发器进入暂稳态，输出高电平使蜂鸣器响进行发声报警。在暂稳态维持一段时间后，自动返回稳态回到低电平，蜂鸣器停止发声。将单稳态触发器的脉冲输入接到开关上，当开关闭合时产生一个脉冲使蜂鸣器发声。电路有TTL集成单稳态触发器构成。输出脉冲宽度公式为。这里R取30千欧姆，C取10微法。得到约为0.2秒。当输入下降沿时蜂鸣器就会响0.2秒。

3.2.4总电路设计
把抢答电路、计时电路、报警电路三部分组合起来再加上一些控制电路就构成了总电路。如图2.5所示。当有人抢答成功时，八输入与非门输出为1而U10非门7404输出1，则与非门U9B输出0使计时电路中的74LS373锁存此时的时间，数码管时间不再变化，直到断开开关准备进行下一轮抢答。开始抢答开关同时连接控制着一个指示灯，当开始抢答时指示灯会亮；开关也连接了一个由单稳态触发器构成的警报电路，开关闭合后会有一个脉冲送到单稳态触发器使其发出一个单稳态脉冲驱动蜂鸣器短暂鸣响提醒抢答人员抢答开始。当脉冲结束后蜂鸣器停止鸣响。当抢答结束要进行下一次抢答前开关再次断开，这是会同时使指示灯灭，显示号码的数码管灭，显示倒计时的两个数码管恢复显示30。如此循环往复，构成整个抢答过程。总的电路图见

图2.5 总电路图
4仿真调试
4.1抢答电路仿真
仿真结果:当“开始抢答”按键S9没有闭合时，按下S0到S9进行抢答没有效果。当S9闭合时，数码管显示S0到S9中最先按下的按键号。如图2.6最先按下了S5显示5。后按下的键不会改变显示的数字。“开始抢答”按键S9断开后，数码管灭。

图2.6 抢答电路仿真图（局部）
4.2计时电路仿真
仿真结果：当“计时开始”开关断开时，数码管显示“30”。当开关闭合时开始在数码管上倒计时显示。当倒计时到0时停止倒计时，直到断开开关数码管恢复显示30。如图为倒计时到17秒时的效果。

图2.7 计时电路仿真图（局部）
4.3总电路仿真
仿真结果：当“开始抢答”开关断开时，计时数码管显示30，不显示号码，按下抢答按键也没有反应。当“开始抢答”开关闭合时，开始30秒倒计时，蜂鸣器发声0.2秒，LED灯亮。在倒计时结束前如果如果有“抢答按键”按下则显示响应的号码，如图中显示的2号抢答成功。当30秒计时结束时，LED灯灭。

图2.8 总电路仿真图（局部）
5总结与体会
回顾起此次课程设计，有很多体会。从选题到定稿，从理论到实践，在短短一个星期的时间里，遇到了很多困难，但也有很大的收获。通过这次课程设计不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有的知识。课程设计让我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能有所成果。在设计的过程中也发现了自己很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说对555定时器的原理掌握不扎实、对Multisim的一些重要使用方式不太了解等。
本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了对理论知识的掌握程度，，又考查了对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。 针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。 
做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

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

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