数字电子技术课程设计报告智力竞赛抢答器的设计

中南大学信息科学与技术学院数字电子技术课程设计报告智力竞赛抢答器的设计通信0306班金明坤学号：0905030623一 课题名称六路智力竞赛抢答器二 内容摘要电路原理框图如下：图（原理框图）如电路原理框图，当主持人清零后，指示灯不亮，这时抢答无效只有当主持人开关按下，处于抢答状态，指示灯发亮,这时当有一个选手抢答后，抢答信号通过优先编码器输送到译码驱动器,再送到显示器,这样七段LED数码显示器就会显示出其号码这时锁存电路工作，以至于其它的选手再抢答时就无效了当抢答成功后，报警电路就会发出抢答成功的声音，持续一秒，且频率为1.2KHz当主持人清零后,指示灯灭, 七段LED数码显示器显示为0.三 设计内容及要求最多可以容纳名选手参赛，编号分别为，各队用一个按钮抢答，主持人用一按钮清零抢答具有数据锁存功能，并将锁存数据用LED数码显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响，持续时间为秒主持人清零后，声音提示停止抢答先后的分辨率为ms四 比较和选择设计系统方案方案一电路原理图接上电源后，主持人开关打开，电路处于清零状态，指示灯不亮各个触发器的Q端输出都为，假设芯片编码器74148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，与非门（）被封锁，输出为高电平，而与非门（）打开，输出与cp脉冲源的状态相反，并将cp信号送到各个JK触发器当主持人把开关合上，指示灯亮，各触发器处于工作状态，整个电路处于抢答状态，这时只要六名选手中有一位选手合上开关，其所控制的触发器在cp脉冲为下降沿时触发翻转，其Q端输出为，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为和这样与非门（）打开，并输出为低电平由连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制喇叭发声的时间频率而与非门（）由于GS为而被封锁，cp脉冲就无法通过这样就算其它选手再合上开关，因为没有下降沿其相应的触发器则无法触发当主持人打开开关后，电路就再一次处于清零状态在这个电路中，只要我们使用频率足够高的cp脉冲，精度还是比较高的指示灯（）单稳态多谐振荡器（）图（方案一电路原理图）方案二电路原理图如图当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态当主持人开关打开时，电路处于清零状态此时，各个触发器的Q端输出都为，假设芯片编码器74148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平也就是说，只要有触发信号来并且R端为时，各触发器就会被触发翻转当主持人开关合上，指示灯亮，此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把开关合上，其相应的触发器cp 端就相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转其Q端输出为，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为和这样与非门打开，并输出为低电平由连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响同样地，只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制喇叭发声的时间频率而此时因为GS输出为，各触发器的JK端也就为，就算此时其它选手再把开关合上，其对应的触发器也不会再触发翻转，仍然会保持原来的状态当主持人把开关断开时，电路又被清零图（方案二电路原理图）两种方案的优缺点的比较从上面分析的两个方案来看，我们可以知道方案一是同步时序电路，而方案二是异步时序电路比较起来两个方案主要有以下不同点，方案一中，选手是通过控制触发器的J端输入信号来使触发器翻转的，这样就会存在一个问题，如果有两个或是多个选手都在cp脉冲的非下降沿时抢答，就会发生两个触发器同时翻转的情况，这样就会发生错误在方案二中，就不存这样的问题，因为其选手控制的是触发器的CP输入端这样的话精度会高一些再者，在方案一中，因为需要CP脉冲源，所以在电路中要多用一个连接的多谐振荡器来产生CP脉冲由电路原理图我们也可以看到，方案二明显要比较方案一简单得多，所用的器件和元件也相应的少一些经比较可知，方案二明显要比方案好五 单元电路设计，参数计算及元件器件选择锁存电路分析图（锁存电路原理图）如图所示，锁存电路是由六个由下降沿触发的触发器和一个74148优先编码器组成的（优先编码器74148功能表如图所示）清零后，各触发器输入都为低电平，其反向输出为高电平，且都输送到74148中，这时，74148的输出使能端GS为高电平，并且高电平信号都送到各触发器的JK端，根据JK触发器的工作原理可知，JK同时为高电平且处于工作状态时，只要CP端有触发信号时就会触翻转当清零端输入高电平时，所有的触发器处于工作状态，这时如果有一个触发器触发翻转，其输出就为，反向输出端则为低电平输送到74148，编码器编码，其GS输出为低电平，输送到各触发器的JK端，此时，即使其它触发器再有触发信号，也不会发生翻转 在有的设计方案中,主要的锁存是通过一个六输入的与非门实现的.就是把各触发器的Q非端连到一个六输入的与非门中,因为清零后,各Q非端的输出都是高电平,经与非门后,输出就为低电平,再令其反向,就成了高电平,输送到各触发器的JK端,当有一抢答后,其Q非端就会由高电平翻转为低电平,由与非门的逻辑功能可知,有一端输入为零,其输出就为1,再经反相器后就变为零,这样同样也实现的锁存功能. 比较而言,我们用74148的输出使能端GS的输出信号进行锁存,可以节省一块芯片,而且连接电路也较简单,这就体现出了设计电路的节省与简洁的优点.所以在这里我们选择用74148的输出使能端GS的输出信号进行锁存.图（优先编码器74148功能表）(74148引脚图)显示电路图（显示电路）显示电路主要是由一个优先编码器74148，一个七段LED译码驱动器7448和一个七段LED数码显示器组成优先编码器74148的功能表在图中已经列出七段LED译码驱动器7448的功能表如图所示在显示电路中，74148的和输入是悬空的，只从输入端输入信号，只要有一个信号输入，就会输出其相应的二进码，这个二进码送到7448中在7448中，D端是接地的，只从CBA三端输入，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出来图（七段LED译码驱动器7448功能表）报警电路 图（定时器原理图）在整个抢答器设计中，要求抢答成功后有声音提示，而且提示声持续S，频率为1.2KHz，在设计报警电路时这里用到了定时器下面先对定时器作简要的介绍定时器的原理图和功能表分别如图和图所示它是由个阻值为K欧的电阻组成的分压器，两个电压比较器C1和C2，基本RS触发器，放电BJT TD以及缓冲器G4组成.定时器的主要功能取决于比较器,比较器的输出控制RS触发器和放电TD的状态.图中Rd为复位输入端,当Rd为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出Vo为低电平.由图可知,当5脚悬空时,比较器C1和C2和比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc. 由功能表可知. 当VI12/3Vcc,VI21/3Vcc时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器被置0,放电三极管TD导通,输出端Vo为低电平. 当VI12/3Vcc,VI21/3Vcc时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管TD截止,输出端Vo为高电平. 当VI11/3Vcc时,基本RS触发器R=1,S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变.图（定时器功能表）用555定时器可以组成单稳态触发器和多谐振荡电路.图10(单稳态触发器电路图)由555组成的单稳态触发器的电路图如图10所示. 将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器。电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。这个单稳态触发器是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。5号脚悬空时，输出脉冲宽度为。5号脚接控制电压时，输出脉冲宽度为。 在这里,单稳触发器主要是用于控制喇叭声响的时长,这就要通过控制触发器的输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为1秒.经计算得到在单稳触发器中的各参数如下: C=0.01微法 Rp=91M欧 图11(多谐振荡电路)由555组成的多谐振荡电路如图11所示. 电阻和电容构成一个积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是，先用555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。与555定时器内部的放电管构成了一个反相器。逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。我们看到，电阻和电容构成了积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接积分电路的输入端，积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。 多谐振荡器用在报警电路中,主要是用于控制喇叭声响频率.这里要求为1.2KHz.在方案一中,还用到了多谐振荡器来产生CP脉冲.经计算得到多谐振荡器各参数如下: R1=0.6K欧 R2=2.4K欧 C1=0.22微法 C2=0.01微法 报警电路主要就是由以上所介绍的一个单稳触发器,一个多谐振荡器,再加一个扬声器组成的.其组成原理图如图12所示.图12(报警电路原理图) 由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时,第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平,处于稳定状态,这时,右边的多谐振荡器的复位输入为低电平,所以其输出也为低电平.扬声器不发音.当信号输入为低电平时,单稳态触发器被触发,处于暂稳态,此时其输出为高电平,输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡工作,输出为频率为1.2KHz的脉冲波形.这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响.六 选定一种方案因为方案二比方案一有电路简单,所用器件少,精度高等优点,在这里我们就选定方案二作详细的分析.图13为方案二的完整电路图.这个电路主要是由锁存电路,显示电路和报警电路组成的.其工作原理为, 当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态当主持人开关打开时，电路处于清零状态此时，各个触发器的输出都为，反相输入端输入为0.芯片编码器74148处于工作状态，此时，16端口输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平也就是说，只要有触发信号来并且清零端为时，各触发器就会被触发翻转当主持人开关合上，指示灯亮，各触发器的清零端就为1了.此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把进行抢答，其相应的触发器cp 端就由高电平变为低电平,这相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转其反相端输出为，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为和这样与非门打开，并输出为低电平报警系统就等到有效的信号输入,喇叭发出抢答成功的声响而此时因为GS输出为，各触发器的JK端也就为，由锁存电路的锁存功能可知,其它选手如果再进行抢答时已经无效了. 图13(方案二的完整电路图)七 组装调试1.检测与查阅器件 用数字即成电路测试仪检测所用的集成电路。通过查阅集成电路手册，标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。2.连接电路按电路图连接电路。先在电路板上插好各种器件。在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时要保证各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。指示灯的正、负极不能接反。在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。3.电路调试首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。1).显示电路的调试显示电路主要是由一块74148和一块7448芯片以一个七段LED数码显示器组成的.在调试时,可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常.2)锁存电路的调试在调试锁存电路时,我们可以在各触发器的Q端接各接上一个发光二极管,接上电源,主持人开关打开,任意按下一路抢答开关,看其对应的发光二极管是否亮,然后再按其它开关,这时其它的二极管应该不发亮才算正常.3)清零电路调试清零是由主持人控制的.这个电路比较简单,只有一个指示灯,当主持人开关断开时,指示灯通过接地连接到各触发器的清零端,这时七段LED数码显示器应显示为0,如果不为零则电路不正常.4)报警电路调试调试本电路时,可以借助示波器来进行.把由555组成的单稳触发器和多谐振荡器的信号输出端分别接到示波器的两个通道上,接上电源,由示波器的波形来判断报警电路是否工作正常.八 总结设计电路的特点和方案的优缺点，课题的核心及应用价值，改进意见和展望 在这里采用了两种不同的方案,方案一是同步电路,方案二是异步电路,而且还就方案二的原理作了详细的分析.这个方案的主要优点在于其电路比较简单,用到的元器件少,而且精度高.在这两个方案中,它们的核心部分都是一样的,主要是锁存电路,报警电路和显示电路. 在现在这种信息化的时代里,我们日常中会经常举行一些有意义的知识竞赛或是一些娱乐活动,在这其中,我们就会用到这里所设计的抢答器.在没有抢答器之前,我们都是通过其它一些方法进行抢答的,比如举手等等.这些方法都是通过人的观察来判断谁抢到的,比如有两个以上的选手同时举手时,主持人就不能分辨出到底谁是第一个抢答的了.这种情况显然会给活动或竞赛带来不便.然而当我们有了抢答器以后,就不用担心这个问题了,我们的抢答器就是为这个而服务的.它让同时出现两个以上选手同时抢答成功成为了”不可能”. 当然,我们这抢答器同样还存在一些令人不太满意的地方.这里设计的是数字电路的抢答器,我们还可以设计出模拟电路和单片机的抢答器,可以用软编程实现,这样的话精度就会更高.而且易于修改.我们只需对程序作必要的修改就可以应用于不同的场合,实用性更强九 所需元器件清单本次设计所用到的元器件清单如下(以方案二的为主)元器件名称数量元器件名称数量元器件名称数量边沿JK触发器6灯 泡1七段LED数码显示器1开 关7二输入与非门1电 容474148编码器1555定时器2电 阻47448译码器1扬声器1十 收获和体会此次课程设计可以使得我们把平时课堂上学的理论知识运用到实中,通过课程设计的独立完成,可以加深我们对的理论知识理解.为以后下一步的学习打下的基础.组装与调试中就会让我们学到更多的知识.无论理论上电路是画得多好,但在组装时都会碰到或多或少的问题,我们学会调试和检测,只有这样我们才会发现问题,才能对问题进行分析,从而解决问题.在组装过程中,我们也知道,这是一个非常考验人耐性的过程,那些芯片的管脚会让人眼花缭乱,只要一不留神就会接错线,等知道错以后,查起来是多么的麻烦.在设计中,还学习应用了电脑模拟仿真,我觉得这也是一个学习的关键要点.在平时的学习中都是学习书上的理论知识,但我们对某个电路的实际工作情况以及其正确与否就从来没有见到过没有验证过.在设计的时候,我们以理论为基础,可以运用一些电脑模拟软件,如EWB,Protel等,在电脑上先连好电路图进行模拟,这样可以检测出里面存在的问题,然后我们加以改正.到真正组装和调试时就能做到事半功倍了.在本报告最后附有一个本设计电路的在EWB上模拟电路图.本电路已在EWB上模拟通过.十一 参考文献 数字部分(第四版) 华中理工大学电子学教研室编.高等教育出版社 主编:康华光. 武汉理工大学教材中心 苏芷莉 编 Charles K.Alexander Matthew N.O.Sadiku15