八路抢答器数电课程设计脉冲数字电路课程设计.doc

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1、摘要在市场上可能有很多的八路数显智力竞赛抢答器，但是本设计从最基本的原理出发，结合数字电路知识设计出的只是利用到了最基本的复位方式。本设计介绍了数码显示八路抢答器的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计。该抢答器除具有最基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统将报警，提示本轮抢答无效。若超过抢答时间，也无效。本设计中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74ls373来实现对号码的锁存。采

2、用74ls192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来实现倒计时功能。由555定时器和三极管构成报警电路。通过此课程设计提高和巩固了专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。增强了所学专业的兴趣。关键词：抢答器 编码 译码 定时 报警目 录前言.5第一章 设计内容及要求.61.1 设计任务及要求.6 1.1.1实验目的6 1.1.2设计要求6第二章 系统组成及工作原理.72.1 系统组成72.2 工作原理.7第三章 模块电路设计及其工作原理83.1 抢答电路的设计.83.2报警电路设计.123.3定时电路设计133.4时序电路的设计14第四章 实验仿真及测试结果分析154.1抢答电

3、路仿真154.2倒计时电路仿真.16第五章 实验结果及分析.175.1实验中出现的问题及解决方法.175.2实验结果.18第六章实验总结.19参考文献20附录121附录222附录323前言数字电子技术基础是一门发展迅速、实践性和应用性很强的电子技术专业基础课程。为了适应现代电子技术飞跃发展的需要，更好的培养21世纪应用型电子技术人才，需要在加强学生基础理论学习的同时，还要加强实验技能的训练。进入21世纪越来越多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛，抢答计分器是必备。过去举行的各种竞赛我们常看到有抢答的环节，举办方多采用让选手通过举答题板的方式判断选手的答题

4、权。这在某种程度上会因为主持人的主观臆断造成比赛的不公平性。因此抢答器逐渐出现在人们的视野中。这些准确的仪器是的我们的比赛更加精彩纷呈。如今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。但这种电路不易扩展，并且当有更高要求时无法实现。随着数字电路的发展，数字抢答器出现了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，况且费用低，功能多样化。而如今市场上销售的抢答器多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计。本设计主要利用74ls系列集成芯片和555芯片。通过各

5、功能模块的设计，最后整合实现八路抢答器的设计。第一章 设计内容及要求1.1 实验目的通过八路数字抢答器的设计实验，使我们回顾所学的数字电子技术基础理论和基础实验，掌握组合电路、时序电路、编程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握优先编码器、触发器、计数器、单脉冲触发器、555电路、译码/驱动电路的应用方法，熟悉掌握时序电路的设计方法。达到数字实验大纲所要求掌握的基本内容。1.2 设计要求 基本要求利用数字电路设计一八路抢答器，要求：1) 允许八路参加，并具有锁定功能，用LED实现最先抢答的队号码，系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。2)数字显示功能：数字抢答器定

6、时为30S，启动开启键以后要求)定时开始；)扬声器要短暂报警；)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，系统短暂报警，发光二极管灯灭提高要求1)按钮到控制中心距离为20M 2）计分显示，可以进行加减分参考原理框图译码显示数据锁存器8线-3线优先编码器门控电路开关电路按键输入主要参考元器74LS148，74LS48，74LS279第二章 系统组成及工作原理2.1.系统的组成框图图2-1 系统结构框图2.2 系统的工作原理：定时抢答器包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成最基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，在选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输

7、入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于清除处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），在主持人将开关置于“开始”处，扬声器短暂报警，此时抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时，如果选手在定时时间内按动抢答按钮，电路会完成以下功能：1、 优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，最后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；2、 控制电路会对其它输入编码进行封锁，禁止其它选手抢答；3、 扬声器发出短暂报警；4、 控制电路使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间

8、，当选手回答完后，主持人操作开关进行系统清零，使系统回到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。如果定时时间到了，却没有选手抢答时，系统会短暂报警并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。第三章 模块电路设计及工作原理3.1 抢答电路设计 这部分电路主要功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮以及数码显示。采用锁存器74ls373和优先编码器74ls148（在本设计中用74ls147代替）来共同完成。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（该显示电路采用7段数码管）；二是禁止其它选手按键，使其它按键失效。工作过程具体如下：开关S

9、置于清除端时，RS触发器的R,S端均为零，4个触发器输出置0，使74ls148的优先编码工作标志端等于0，使之处于工作状态，当有选手将抢答键按下时（如按下S6），74ls148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经过RS锁存后，CTR=1，BI=1，此时74ls373处于工作状态4Q3Q2Q=110，经过74ls148译码后，显示器显示出“6”。此外CTR=1，使74ls148的ST端为高电平。74ls148处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输入。当按下的键松开后，74ls148的YEX为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74ls148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入仍不会被接受。

10、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。 其原理图如下图 3-11 抢答单元电路图关于RS触发器：1. 保持状态。当输入端接入S非=R非=1的电平时，如果基本SR触发器现态Q=1，Q 非=0，则触发器次态Q=1，Q非=0；若基本RS触发器的现态Q=0，Q非=1，则触发器的次态Q=0，Q非=1。即S非=R非=1时，触发器保持原状态不变。2. 置1状态。当S非=1，R非=0时，如果基本RS触发器的现态为Q=0,Q非=1，会使Q=0，Q非=1。只要输入信号S非=1，R非=0，无论基本RS触发器的输出状态如何，均

11、会使输出态置0态。如果基本RS触发器的现态为Q=1，Q非=0，因R非=0，会使Q非=1，而Q非=1与S非=1的共同作用使Q端翻转为0.3. .当R端无效(1)，S端有效时(0)，则Q=1,Q非=0,触发器置1。 4. 当RS端均有效时，触发器状态不确定 在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。 基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图3-12所示 （a）

12、 （b）（c）图3-12 基本RS触发器74ls148 真值表输入输出EI01234567A2A1A0GSEOHXXXXXXXXHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLXXXXXXXLLLLLHLXXXXXXLHLLHLHLXXXXXLHHLHLLHLXXXXLHHHLHHLHLXXXLHHHHHLLLHLXXLHHHHHHLHLHLXLHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLHH高电平 L低电平 X任意74LS148 为 8 线3 线优先编码器，共有 54/74148 和 54/74LS148 两种线路结构型式， 将 8 条数据线（07）进行 3 线(4-2-1)二进制（八进制）优先

13、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（EO）。可进行八进制扩展74ls148的输入端和输出端低电平有效。显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号。本设计采用的是共阴式数码管。 二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按照特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。如输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号.。以下是译码显示电路。图 3-13 译码显示电路3.2 定时电路的设计 该部分主要由555定时秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74ls192减法计数电路、74ls48译码电路和

14、两个七段数码管相关电路组成。74ls48的7.6.2.1引脚接受来自74ls192的输出信号并把它译码显示在数码管上。而74ls192的9.10.1.15这些引脚完成时间设定的功能。本次设计所要求的定时时间为30s，因此把上面芯片的1.15脚接高电平，其余的接低电平，从而使初始时间设定为30s。555芯片起到了产生秒脉冲的作用。大概其工作过程是这样的：未抢答时，74ls192的置数端为低电平，处于初始状态。数码管上显示为30.5脚接高电平。主持人按动抢答开关后，秒脉冲推动右边的芯片开始倒计时，同时下边的芯片产生的信号作为上边芯片的CP信号推动上边芯片倒计时，从而完成十进制的倒计时功能。当计数完

15、30s后，上边的芯片产生的定时到信号输出为低电平，也屏蔽了秒信号，使数码管显示为00。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，此时停止计时，也就完成了显示抢答时间的功能。 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七段数码管上。当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间。图3-2 定时电路原理图3.3 报警电路的设计该部分电路主要由555定时器和三极管相关电路构成。如图3-

16、3 所示图 3-3 报警电路原理图注意：本设计实际仿真中用发光二极管代替了蜂鸣器。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo=1.43/(R1+2R2)C，其输出信号经过三极管推动扬声器。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。多谐振荡器的参数设计可根据多谐振荡器的周期公式得来，设计的脉冲宽度为1s，然后根据元器件的现实可得的参数，设计的参数为R1=51K,R2=20K,C1=10uF，C2=0.1uF，设计得出的时间大约为0.87s。而主持人控制的开关上面接的电阻为10k，并且10k电阻上接5v电压，所以开关闭合时通过开关的电流为0.5mA，电阻在此就是起到限流的作用。

17、控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。可以发现将连接好的555定时器的输出端接到示波器上，会呈现出一方波。3.4 时序电路的设计 可以毫不夸张的说，时序电路是整个抢答器设计的关键所在。它要实现以下几个功能：1、 当主持人启动控制开关时，扬声器短暂报警，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。2、 当参赛选手按动抢答键时，抢答电路和定时电路停止工作。3、 在设定的抢答时间到时，还没人抢答时，扬声器短暂报警，同时抢答电路和定时电路停止工作，发光二极管灯灭。按照以上要求

18、及图3.11和3.22，我所设计的时序控制电路如图 所示图3-4(A) 抢答与定时电路的时序控制电路图 3-4（B）报警电路的时序控制电路图中门G1的作用是控制时钟信号CP的放行和禁止，门G2的作用是控制74ls148的输入使能端ST。图3-4 （a）的工作原理是：主持人控制开关从清零位置拨到开始位置，图3- 11的74ls373的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74ls192的CP0时钟输入端，定时电路进行递减计时。在定时时间未到时，来自于图 3-2中的74ls192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74ls148处于正常工作状态，从

19、而达到功能1的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持状态，门G2的ST=1,7ls148处于禁止工作状态，从而达到2的要求。当定时时间到，来自于图 3- 2的74ls192的借位输出端BO2=0，门G2的输出ST=1,74ls148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答,门G1同时处于关门状态,封锁CP信号,使定时电路为00状态,从而达到3的要求,第四章 实验仿真及测试结果分析4.1 抢答单元电路仿真图 4-1 抢答单元电路仿真图分析：将清零开关按下后，可以看到数码管清零无显示，此时开始工作，各位选手可以抢答，各位选手的编号分别是07，如

20、图 所示，当第四个选手按下开关时，数码管上显示4，同时发光二极管灯亮。其他选手的按键此时无效。4.2 倒计时电路仿真此时需要对数据预置端进行置数。在74ls192，将个位对应的9、10、1、15分别置为0000，而第二个74ls192的那几个端口分别置为0011，通过主持人的开关控制预置数，屏幕显示为30，如图 所示，启动仿真按钮，按下控制开关看到数码管从30逐渐递减。t图 4-2 倒计时电路仿真图 第五章 实验结果及分析5.1 实验中出现的问题及解决方法1.焊接由于是第一次焊接这种比较大的电路，所以我们组负责焊接的同学在焊接中多多少少出现了一些问题： 1、在焊接完抢答电路时，我们发现我们的电

21、路完全不能正常工作，当按下一个开关，数码显示管总是显示不正确，于是我们通过数字万用表一根根线检测，最后发现错误出在一条不起眼的线上，这条线本不应该接Vcc的，但是在焊接过程中因为不小心，导致它与一条接Vcc的线藕断丝连地连在了一起。 2、电容正负极接反。在焊接完秒脉冲电路时，我们发现我们的秒脉冲电路输出的数据总是为1，导致用来检测该电路是否正确的发光二级管总是亮着的，最终导致这个发光二极管烧坏，我们经过检查电路，发现原因就是一个电容的正负级焊接反了。 2. 仿真在硬件测试抢答电路时，我们把自锁开关误当做自锁开关，所以导致电路无法正常工作。 2、芯片插反。在仿真中，我们组与其他组都出现了把芯片插

22、反的错误，这错误直接导致我们的芯片烧坏报废。 3、秒脉冲电路输出不正确。在我们测试秒脉冲电路与定时电路时，我们发现数码显示管不是按1递减，而是呈现4、4、2的递减。经过测试，我们发现我们设计的秒脉冲电路，有两个下降沿，于是我们在输出端接了个非门74LS04，然后再连接定时电路，这才能正常工作。 （1） 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

23、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。 （2） 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，当松开后数码管显示始终为7，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。 （3）数码管不能正常倒计时 在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。 5.2 实验结果图 实验总电路图接通电源后，开关打到预置端，倒计时数码管显示30，主持人拨动开关后，计时

24、电路开始从30秒倒数，报警电路短暂报警，同时8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（07），倒计时电路停止计时。同时其它选手所在的开关被锁定，抢答无效。若30s倒计时结束还没有人抢答，系统短暂报警，同时发光二极管灯灭。经检测，本设计完全符合设计要求。第五章 实验总结6.1 设计体会1.通过本次数电课程设计，充分的展现了理论与实际的有机结合，为今后的发展提供了良好的基础。2.让我认识到设计思路才是整个设计的灵魂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

25、查询填补所需知识的空白是必要的。3.我们充分运用到了所学的知识，完全靠自己动手一部分一部分的绘出抢答器实现所需要的电路，然后对各种芯片进行总结。4，调试过程是一个细致的工作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，这种感受是美好的。5.我学到了团队合作精神，也锻炼了工作能力。整个设计中，我们分工明确，合理的安排让我们节省了很多时间。6.2 本设计应用前景及不足之处抢答器与支持人的开关在现实中的距离肯定达到了几十米，而此次设计都没有考虑因素，说明此次设计的产品

26、可能在现实中的前景不太好。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。而且现在市场上大多数是采用单片机技术和可编程逻辑器件，其性能明显优于数电设计的这种。 参考文献1钱培怡.电子电路实验及课程设计.西安电子科技大学出版社.19922阎 石.数字电子技术基础.高等教育出版社.20113范文兵.数字电子技术基础【M】.北京.清华大学出版社.20074吕思忠，施齐云.数字电路实验与课程设计【M】哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社.20015高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出

27、版社.20026毛法尧等. 数字逻辑.M. 武汉：华中理工大学出版社， 1996，附录一 元件清单序号 类型数量174LS373（RS锁存器）1274LS48（4线7段译码驱动器）3374LS148（8线3线优先编码器）1474LS192（十进制可逆计数器）2574LS11（三输入与门）1674LS02（二输入或非门）2774LS08（二输入与非门）28NE55519七段数码管（共阴极）310双刀双掷开关211发光二极管112蜂鸣器113Button键（开关）814电阻（510）215电阻（1K）216电阻（10K）917电阻（20K）218电阻（51K）119电容（0.01F） 220电容（10F）2附录二： 74LS192的逻辑功能表和引脚图74LS192芯片的引脚图附录二： 74LS192的逻辑功能表和引脚图2112:09:11