数电课程设计 8路数字抢答器

数电课程设计 题目名称 8路数字抢答器 专业班级 通信工程二班 学 号2009501502 学生姓名 高星 指导教师 刘奇能老师 摘要-3前言-4第一章 设计要求 -51.1基本要求 -51.2扩展内容-5第二章 系统的组成及工作原理-62.1系统的组成框图-62.2系统的工作原理-6第三章 电路设计-73.1单元电路设计-73.2.1抢答电路的设计-83.2.2报警电路的设计 -83.2.3时序电路的设计-83.2.4加法电路的设计-93、2总体方案-10第四章 电路实验与调试-114.1焊接-154.2调试中出现的问题及解决-15第五章 设计总结-15参考文献-15附录（元件清单）-17摘 要介绍了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有报警功能。主持人按下开始键以后，蜂鸣器发出声音报警，同样，当第一个选手按下抢答键以后也能发出声音。该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用555芯片产生秒脉冲信号来实现定时，采用74LS121单稳态芯片来实现报警信号的输出。定时抢答器的工作过程是：接通电源时，主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯；抢答开始时，主持人将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，这时，抢答器完成以下工作：（1）优先编码器电路立即分辨出抢答者编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；（2）扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意；（3）控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；（4）当选手将问题回答完毕，主持人操作计分开关，计分电路采用十进制加/减计数器、数码管显示。本轮抢答完毕，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。通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。关键词: 抢答器 编码 译码 定时 报警前 言进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、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，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，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。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。第一章 设计要求1.1 设计目的 通过课程设计，对数字逻辑的基本内容有进一步的了解，特别是时序逻辑电路的设计。能把上学期学到的数字逻辑理论知识进行实践，操作。在提高动手能力的同时对常用的集成芯片有一定的了解，在电路设计方面有感性的认识。而且在进行电路设计的时候遇到问题，通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。在经过课程设计后，更明白数字逻辑电路设计的一般方法，以及在遇到困难怎么排除问题。1.2基本要求（1）设计一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设一个按钮，供抢答使用。（2）抢答器具有第一信号鉴别和锁存功能，使除第一抢答者外的按钮不起作用。（3）设置一个主持人“复位”按钮。（4）主持人复位后，开始抢答，第一信号鉴别锁存电路得到信号后，由指示灯显示抢答组的编号，同时扬声器发出23秒的音响。1.3选做扩展功能：设置一个计分电路，每组开始预制100分，由主持人计分，答对一次加10分，答错一次减10分。1、4单元电路设计：（1）抢答电路抢答电路包括抢答按钮、优先编码电路、锁存器、译码显示电路。抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，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。 （2）控制电路控制电路主要完成以下功能：主持人将控制开关拨到“开始”位置时，控制扬声器发声，使抢答电路进入正常抢答工作状态；当参赛选手按动抢答键时，让扬声器发声，并使抢答电路停止工作。（3）报警电路可以用555构成的多谐振荡器推动扬声器发声。（4）计分电路计分电路与主电路相互独立，由主持人控制进行加、减计数。第二章 系统的组成及工作原理2.1系统的工作原理：定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分构成，主体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。扩展电路完成各选手的得分显示功能。定时抢答器的工作过程是：接通电源时，主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯；抢答开始时，主持人将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，这时，抢答器完成以下工作：（1）优先编码器电路立即分辨出抢答者编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；（2）扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意；（3）控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；（4）当选手将问题回答完毕，主持人操作计分开关，计分电路采用十进制加/减计数器、数码管显示。本轮抢答完毕，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。第三章 电路设计3.1单元电路设计3.1.1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，其电路组成如图3-1所示：图3.2.1 抢答电路其工作原理是：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。3.1.2报警电路的设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示：图3.2.3 报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。3.1.3时序电路的设计时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路停止工作。3.1.4加法器单元（做仿真时并没做此版块，但后来又加上了）由于选手输入的是0到7，所以要每个都加上1，让数码管显示的是1到8，因此要使用加法器。因此要使加法器加上1，那么，令74LS83的A1，A2，A3对应74LS373的Q1,Q2,Q3作为输入的数据，而B1,B2,B3,B4,A4则接地。具体的电路图为：3、2总体设计方案整体的电路可以分为两部分，一个是抢答电路，第二部分是报警电路。 1 、.抢答的部分：抢答器供8名选手比赛，分别用8个按钮S0 S7表示。通过管脚分配把按钮分配到实验版上的拨动开SW0到SW7关，让每个选手拨动开关后产生相应的信号。不同的选手拨动按钮发出信号通过74LS148编码器进行编码，编码后输出信号进行下一步的译码和锁存。设置一个系统清除和抢答控制开关S，开关由主持人控制。通过管脚分配把开关S分配到相应一个拨动开关SW16。该开关联系到一个相应的线路，这个线路通过与非门连接其他信号，从而达到清零的功能。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。74LS373具有锁存功能，可以在一个选手按下按钮后进行锁存，其他的选手不能在在有选手抢答后再进行抢答。锁存相应的编号时，由于编码器编的是从0到7，如果0号选手抢答，与清零的时候可能造成混淆，所以要加上加法器，对编码器的0到7都加上1。加法器是使用用74LS83，加1后在就可以在数码显示管上显示1到8的号码。2、报警部分：当某个选手抢答有效，通过74LS148编码器的GSN端口连接到控制清零端的与非门就可以进行禁止其他选手的抢答，同时把该选手的号码显示在数码管。主持人按下开始键以后和选手抢答有效时报警器响起。3.3仿真结果第四章 电路实验与调试4.1焊接 通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。4.2 调试中出现的问题及解决方法 （1）芯片坏了一开始测试时什么都不出来，或者出来的全是0，弄了好半天才发现是锁存器坏了。（2） 显示电路不稳定问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。（3） 控制开关无法控制电路在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，数码管不显示，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。由于实验室没有提供单刀双掷开关，所以不能像仿真图一样，需要一直按下主持人的开始键电路才能抢答。4.3调试结果实验结果为：主持人先按下开始键就可以按下开关让选手抢答，如果有选手抢答，数码管上会显示相应的选手号，在这个时候，如果有其他的选手也按下了抢答按钮，显示器不会显示。第五章 设计总结本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了同学对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了同学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。同时也使自己认识到：1、 设计需要良好的知识基础拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。2、 焊接制作必须精益求精焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。3、 调试调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。4、 建议设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。5、 不足实验效率低，焊接技术不好，这些都有待提高。总体来说本课程设计基本完成了老师的要求，能够实现全部的功能。能八路抢答，能定时抢答，也能报警，清零。 当然在进行实验的时候，遇到不少的问题。但也一一克服了，经过课程设计，我提高了自己的动手能力，也增强了自己的信心。同时让我知道在工作的时候要保持细致严密的工作态度，这样会事半功倍。参考文献【1】阎石 数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社【2】赵保终.中国集成电路大全（TTL集成电路）.国防工业出版社【3】周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社附录一：元件清单序号类型数量174LS279（RS锁存器）1274LS48（4线7段译码驱动器）3374LS148（8线3线优先编码器）1474LS121（单稳态触发器）1574LS00（二输入与非门）2674LS20（四输入与非门）27NE55528晶体管3DG13019七段数码管（共阴极）110B键（触发开关）911发光二极管112扬声器113电阻（510）214电阻（1K）215电阻（10K）916电阻（15K）217电阻（68K）218电容（0.01F） 219电容（0.1F）220电容（10F）221电容（100F）2