数电程序设计

目录摘要2第 1 章设计任务书31.1设计目的31.2设计任务31.3八路抢答器的概述3第 2 章系统功能简介42.1基本功能42.2扩展功能4第 3 章功能设计内容53.1设计题目53.2设计指标5第 4 章实现原理64.1八路抢答器总体方框图64.2关键技术分析6第 5 章各部分电路设计85.1抢答器电路85.2定时电路95.3报警电路115.4时序控制电路11第 6 章设计步骤13第 7 章系统仿真14第 8 章总结16致谢17参 考 文 献18附录 A: 系统元器件清单19附录 B: 系统整体电路20第1页共12页摘要八路抢答器由主体电路和扩展电路组成， 优先编码电路、 锁存器、译码电路将输入信号在显示屏上输出； 由控制电路和主持人开关启动报警电路。 通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示屏上输出实现计时功能， 构成扩展电路。通过连线、调试等工作形成八路抢答器。关键字：抢答电路 , 定时电路 , 报警电路第2页共12页第 1 章设计任务书1.1 设计目的1. 巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。2. 培养根据课题需要选学参考书籍 , 查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。3. 通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。4. 了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。5. 培养严肃、认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点。1.2 设计任务设计一个供八名选手参加的八路抢答器，每组设计一个抢答按钮供参加者使用。电路具有第一抢答信号的鉴别和锁定存储功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后， 如果参赛者在第一时间按抢答按钮，则按钮指示灯灯亮并用组别电路显示出抢答者的组别。 同时扬声器发出声音。 电路应具有自锁功能， 使其他组不起作用。1.3 八路抢答器的概述本文介绍的八路抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点，使用效果好，有广泛推广价值。可用于八组或八组以下的抢答竞赛中。比赛前将参赛组从1 到 8 编组，每组发给一个对应的抢答按钮。主持人按一下总控制启动键后，抢答开始。此后，哪一组最先按下抢答按钮，数码显示器就立即显示该组的组号并锁定，同时发出声响。此后，按下任一路抢答按钮均无反应。只第3页共12页有主持人再次按下启动按钮后，才能进行下一次抢答。第 2 章系统功能简介2.1 基本功能1. 抢答器同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，分别用 8 个按钮 S0 S7 表示。2. 设置一个系统清除和抢答控制开关 S，该开关由主持人控制。3. 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， 扬声器发出声响提示，并在 DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。 选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。2.2 扩展功能1. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如 30 秒）。当主持人启动 开始 键后，定时器进行减计时。2. 参赛选手在设定的时间内进行抢答， 抢答有效， 定时器停止工作， 显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。在这段（ 3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示 00。第4页共12页第 3 章功能设计内容3.1 设计题目八路抢答器电路的设计3.2 设计指标1. 供四名选手用 , 有抢答按钮 . 有编号 , 有主持人清零按钮；2. 具有锁存功能并显示出来 , 在主持人清零后 , 若有参赛选手按按钮 , 应立即显示出最先动作的选手的编号 , 同时有发生器发出声音 , 声音持续约 1 秒钟；3. 抢答器对各参赛选手动作的先后有很强的分辨能力 , 即只显示先动选手的编号 ,直到主持人清零为止；4. 主持人在正常 ( 无人抢答 ) 时能清零；5. 主持人在宣布开始 5 秒钟后 , 若无选手抢答 , 则音响器件发声而结束。第5页共12页第4章实现原理4.1 八路抢答器总体方框图如图 1 所示为总体方框图。 其工作原理为： 接通电源后， 主持人将开关拨到 清零 状态，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 ; 开始 状态，宣布 开始 抢答器工作。 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、扬声器提示。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。如果再次抢答必须由主持人再次操作 清除 和 开始 状态开关。图 1 总体方框图4.2 关键技术分析图 1 所示为抢答器的逻辑框图。它主要有输入电路、判别电路、声光显示电路、计时电路和数码显示电路等组成。抢答时，当抢先者按下面前的按钮时，输入电路立即输出一抢答信号， 经判别电路后，输出响应信号去驱动声光显示电路。声响电路和计时电路的输入信号是由晶振电路产生的脉冲信号来提供。第6页共12页图 2抢答器逻辑框图第7页共12页第 5 章各部分电路设计5.1 抢答器电路电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后， 并锁存优先抢答者的编号， 同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管） ；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关 S 置于 清除 端时，RS触发器的 R 、S 端均为0，4 个触发器输出置 0，使 74LS148的优先编码工作标志端 0，使之处于工作状态。当开关 S 置于 开始 时，抢答器处于等待工作状态， 当有选手将抢答按键按下时（如按下 S5）， 74LS148的输出经 RS锁存后， CTR=1,RBO=1, 七段显示电路 74LS48处于工作状态， 4Q3Q2Q=101,经译码显示为“ 5”。此外， CTR，使 74LS148 优先编码工作标志端， 处于禁止状态， 封锁其他按键的输入。 当按键松开即按下时， 74LS148的 此时由于仍为 CTR，使优先编码工作标志端，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。如有再次抢答需由主持人将 S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。 74LS148为 8 线 3 线优先编码器。表 174LS148的功能真值表第8页共12页图 3 数字抢答器电路5.2 定时电路原理及设计：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 74LS192减法计数电路、 74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组第9页共12页成。具体电路如图 3 所示。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。 74192 的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度， 设定一次抢答的时间， 通过预置时间电路对计数器进行预置， 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 DPY_7-SEG 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， 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。图 4 可预置时间的定时电路第10页共12页5.3 报警电路由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图1、4 所示。其中 555 构成多谐振荡器，振荡频率f0 143（ RI2R2）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。图 5 报警电路5.4 时序控制电路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人正常抢答工作状态。当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。当设定的抢答时间到， 无人抢答时， 扬声器发声， 同时抢答电路和定时电路停止工作。第11页共12页图 6时序控制电路根据上面的功能要求以及图 1 、2，设计的时序控制电路如图 1 、5 所示。图中，门 G1 的作用是控制时钟信号 CP的放行与禁止，门 G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。图 1、4 的工作原理是：主持人控制开关从 清除 位置拨到 开始 位置时，来自于图 1、 2 中的 74LS279的输出 1Q=0，经 G3反相， A 1，则时钟信号 CP能够加到 74LS192的 CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则 定时到信号 为 1 ，门 G2的输出 =0 ，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求。 当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q1，经 G3 反相， A 0，封锁 CP 信号，定时器处于保持工作状态；同时，门 G2的输出 =1 ，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求。当定时时间到时，则 定时到信号 为 0， =1 ，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门 G1 处于关门状态，封锁 CP 信号，使定时电路保持 00 状态不变，从而实现功能的要求。 集成单稳触发器 74LS121用于控制报警电路及发声的时间。第12页共12页第6章设计步骤选择总体方案画总体电路图初稿设计单元电路审图选择元器件实 验计算参数画正式的总体电路图第13页共12页第7章系统仿真图 7 电路仿真图（ 1）如图 7 电路仿真图（ 1）所示，当主持人未启动计时，则计时电路停在 30 秒，抢答电路不显示选手号。图 8电路仿真图（ 2）如图 8 电路仿真图（ 2）所示，主持人启动计时后，定时器由 30 秒开始进行减计时，当计时器显示 27 秒时， 8 号选手抢答，则计时电路停在 27 秒，抢答电路显示 8 号选手。第14页共12页图 9 电路仿真图（ 3）如图 9 电路仿真图（ 3）所示，主持人启动计时后，定时器由30 秒开始进行减计时，没有选手抢答，当计时器显示0 时，选手再抢答，则抢答电路不显示选手号码。第15页共12页第8章总结在设计之前，参考了许多相关的资料。 在设计中又参考了以前讲过的八路抢答器的原理图，有了基本的思路。但着手设计时， 又出现了许多未预料到的问题， 例如元件的选择： 在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。 普通编码器中， 任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74LS 系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了 74LS192，因为想用数字的形式显示抢答者的编号， 所以选择了数码显示管， 但数码显示管不能直接，数码显示管需要由 TTL 或 CMOS集成电路驱动，所以在 TTL 还是 CMOS 集成电路上又进行了比较和选择。 最后选择了数显译码器， 用它将输出的二进制代码译成相对应的高、 低信号，用其作为数码显示管的驱动信号， 数码显示管显示出相对应的选手编号。在音响电路中，根据设计需要选择了555 定时器。在一些设计原理上也遇到了许多新问题。 发现当电源接通后， 无论有无人按按钮都会使音乐集成电路通电发出声响， 经同学以及老师的指证， 发现导通的原因，并及时的改正。通过这次八路抢答器的设计， 我发现了以往学习中的许多不足， 也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识， 感觉学到了很多东西。 三周的课程设计， 留给我印象最深的是要设计一个成功的电路， 必须要有耐性和坚持下去的毅力。 在整个电路的安装调试的过程中， 花费时间最多的是各个元件电路的连接， 电路的细节设计以及连完线路后的检查工作上，其中在连接电路是出现问题比较多，在 555 元件和 74LS192元件的连接的调试的时候出现了问题在老师的指导和讲解下我门有了更深刻的认识， 同时对元件的原理的功能了解的更多更深刻。 在这次过程中，我深刻的体会到在设计过程中， 需要反复实践，其过程很可能相当的烦琐，有时花很长时间检查电路故障， 分析原因， 那时心中就有点灰心， 有时还特别想放弃，此时更需要静下心来，更仔细的查找原因。总之，这次实验过程中我受益匪浅， 在摸索我和我的搭档实现了课题所要求的结果。培养了我的设计思维， 增加了动手操作的能力。 更让我体会到实现电路功能喜悦。第16页共12页致谢感谢罗少轩老师这学期带领我们学习数字电子技术课程，感谢罗少轩老师带我们数电实训课， 锻炼了我们的动手的力， 使我们对数字电子技术有了更加深刻的理解。在本次实训中罗少轩老师与我们做了深刻的沟通，对实训中可能出现的一些问题作了详细的讲解， 此外，在学习上经常激励我们学好每一门课。通过该实训项目，使我们懂得了学以致用的重要性，并且能够把所学的知识应有到实训中，遇到不懂的地方通过请教老师，和同学互相商量共同学习，虚心请教同学， 互帮互助，使我认识到团结的重要性，增加了团队精神、协作精神，将终身受益。在课程设计即将完成之际，回顾紧张但又充实的实训过程，本人在此向所有关心我的及帮助我的老师和同学们致以最真诚的感谢。第17页共12页参考文献1 阎石 . 数字电子技术基础 .4 版 . 北京：高等教育出版社， 1998.2 康华光 . 电子技术基础：数字部分 .4 版 . 北京：高等教育出版社， 2000.3 蔡惟铮 . 集成电子技术 . 高等教育出版社， 2004.4 李世雄，丁康源 . 数字集成电子技术教程 . 北京： 高等教育出版社， 1993.5 童诗白，徐振英 . 现代电子学及应用 . 北京： 高等教育出版社， 1994.6 黄正瑾 . 系统编程技术及应用 . 南京：东南大学出版社， 1997.7 赵宝经 . 中国集成电路大全 TTL 集成电路分册： CMOS集成电路分册 . 北京：国防工业出版社， 1985.8希金斯 R.J. 数字和模拟集成电路电子学. 赵良炳译，北京：机械工程出版社，1988.第18页共12页附录 A: 系统元器件清单序号名称型号数量备注1七段译码器74LS4832十进制加减计数器74LS19223555 定时器CB55524优先编码器74HC14815单稳态触发器74LS12116RS锁存器74LS27917与非门74LS201每个芯片有4 个两输入端的与非门8与非门74LS031每个芯片有4 个三输入端的与非门9反向器74LS041每个芯片有6 个非门10三极管SDG130111电阻ROHM1100K12电阻ROHM215K13电阻ROHM910K14电阻ROHM268K15电阻ROHM21K16电阻ROHM351017电容16CE470AX1100uF18电容16CE470AX210uF20电容16CE470AX10.01uF19扬声器BUZZER119开关AZD1169120共阴极显示器321抢答按扭SB822发光二极管A694B2第19页共12页附录 B: 系统整体电路CKGNDU6ABCDEFG3 2109541 11111ABCDEFGOOOOOO OOU274LS48DBRTI /B IABCDLR B 7 12635 4VCC5V52 694114 3214S S SSCU1674LS83DU17GNDCKU9ABCDEFGVCCCKGNDU10ABCDEFG4 32143210A A AA BBBBC13 806413117 115V VCC4747121210k|?QQQQ11U3A11U3B1213274LS279D121374LS279D2SSRSRS SRSR1111111111R92316523165Key = Space97 64511J1012S OU18AA A AG EU101234567I74LS148DDDDDDDDDE74LS10D01 2323 4511 11 1R2R3R4R5R6R7R110k|?10k|?10k| ?10k| ?10k| ?10k|?10k|?S1S2S3S4S5S6S7S8Key = AKey = S Key = D Key = F Key = GKey = HKey = JKey = KBUZZER200 HzU5A74S04D5V VCCR810k|?32105411119 11ABCDEFGOOO OOO OOU774LS48DBRTI /B IABCDLR B 712635432673211ABCDO OQQQ QBCU11D74LS192DNAPWO ROA B CDLLUDC510914541111U13555_TIMER_RATEDR1028.86k| ?VCCRSTOUTDISTHRR11TRI57.76k| ?CONGNDC2C110nF10nF5V3210541111911A BCDEFG O OOO OOOOU8B74LS48DIR/T BIAB C DL R B 712635432673211AB C DO OQ QQQB C U12D74LS192DNAWO RP OAB C DL LU D C510914541111LED1R121k|?U15AU14A74S04D74LS11D第20页共12页