數(shù)字式競(jìng)賽搶答器 數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：數(shù)字式競(jìng)賽搶答器 學(xué)院：專業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師： 2013 年5 月 20日1、 設(shè)計(jì)題目數(shù)字式競(jìng)賽搶答器2、設(shè)計(jì)要求1）給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕，用來(lái)控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開(kāi)始。2）4名選手編號(hào)為：1，2，3，4。各有一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)對(duì)應(yīng)，也分別為1，2，3，4。3）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開(kāi)始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，該選手編號(hào)立即鎖存，搶答顯示器上顯示該編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。4）搶答器具有定時(shí)（9秒）搶答的功能。當(dāng)主持人按下開(kāi)始按鈕后，定時(shí)器開(kāi)始顯示倒計(jì)時(shí)間，若無(wú)人搶答，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，揚(yáng)聲器響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時(shí)間（9秒）內(nèi)搶答有效，搶答成功，揚(yáng)聲器響持續(xù)1秒，同時(shí)定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)，搶答顯示器上顯示選手的編號(hào)，定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。5）如果搶答定時(shí)已到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，本次搶答無(wú)效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報(bào)警（音響持續(xù)1秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器顯示0。3、 設(shè)計(jì)方案3.1 各功能方案選擇搶答器具有鎖存、定時(shí)、顯示和報(bào)警功能。即當(dāng)搶答開(kāi)始后，選手搶答按動(dòng)按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時(shí)用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來(lái)，并且開(kāi)始搶答時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，同時(shí)用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時(shí)間顯示出來(lái)。而在選手按鍵搶答以及搶答時(shí)間倒計(jì)時(shí)到時(shí)的時(shí)候都有報(bào)警以提醒主持人和選手。搶答時(shí)間設(shè)定9秒，報(bào)警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)置“開(kāi)始”狀態(tài)，宣布“開(kāi)始”搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開(kāi)始”狀態(tài)開(kāi)關(guān)。1）搶答功能實(shí)現(xiàn)方案方案一：用一片四D觸發(fā)器74LS175和四輸入2或非門CD4002實(shí)現(xiàn)。四D觸發(fā)器輸出經(jīng)四輸入或非門到四路搶答按鍵開(kāi)關(guān)，加到觸發(fā)器的四個(gè)輸入端，同時(shí)經(jīng)四輸入或非門和反相器作為四D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，四D觸發(fā)器清零端經(jīng)上拉電阻接電源，同時(shí)經(jīng)過(guò)清零控制開(kāi)關(guān)到地。電路簡(jiǎn)單成本低，稍加擴(kuò)展就能達(dá)到實(shí)用化。方案二：用一片八線-三線八進(jìn)制優(yōu)先編碼器74LS148、四SR觸發(fā)器74LS279和七段譯碼器74LS48實(shí)現(xiàn)四路搶答功能。雖然方案一的電路簡(jiǎn)單能夠滿足要求，但是由于需要4個(gè)4D觸發(fā)器，接線繁瑣，增加了電路設(shè)計(jì)與仿真的難度；而方案二的電路較簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn)。所以我決定采用方案二。2） 定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)方案方案一：采用555定時(shí)器。方案二：采用石英晶體振蕩器。雖然采用石英晶體振蕩器可產(chǎn)生高精度的秒脈沖，但因?yàn)榉桨敢坏?55電路相對(duì)較簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn)，所以我決定采用方案一。3） 顯示功能實(shí)現(xiàn)方案采用74LS48加上共陰極數(shù)碼管比較容易實(shí)現(xiàn)。4）報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)方案采用有源蜂鳴器，并與三極管、電阻、電解電容搭配比較簡(jiǎn)單。3.2 單元電路設(shè)計(jì)1） 整體電路流程圖由電路流程圖可以看出，數(shù)字搶答器電路主要分為三個(gè)部分：搶答電路、定時(shí)電路以及報(bào)警電路。2）搶答電路搶答器控制電路要完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定最先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示選手編號(hào)；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無(wú)效。工作原理：該搶答控制電路的工作原理為：當(dāng)主持人控制開(kāi)關(guān)處于“清除”時(shí)，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強(qiáng)制清零，輸入的搶答信號(hào)無(wú)效。當(dāng)主持人將開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”時(shí)，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個(gè)Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號(hào)和借位信號(hào)與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當(dāng)沒(méi)人搶答時(shí)，搶答信號(hào)為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當(dāng)一有人搶答時(shí)，搶答信號(hào)為高電平，并和U2的輸出信號(hào)和借位信號(hào)與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個(gè)上升沿，使得搶答信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過(guò)譯碼器74LS48譯碼，把相應(yīng)的信號(hào)顯示在數(shù)碼管上。另外，當(dāng)選手松開(kāi)按鍵后，D觸發(fā)器的Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)選手回答完畢，主持人控制開(kāi)關(guān)S是搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。74LS148的真值表74LS279的真值表 74LS48的真值表 3）定時(shí)電路該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和1個(gè)共陰7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。工作原理：由555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)秒脈沖。振蕩周期為10秒脈沖信號(hào)經(jīng)兩級(jí)有預(yù)置功能的可逆十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)置的時(shí)間，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出而封鎖計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。數(shù)碼管指示時(shí)間值。主持人通過(guò)按復(fù)位鍵來(lái)進(jìn)行搶答倒計(jì)時(shí)。定時(shí)9秒，把74LS192對(duì)應(yīng)的9，10，1，15四個(gè)端子預(yù)置為“1001”。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路555提供。當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)按下時(shí)，給74ls192一個(gè)低電平，從而開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，每來(lái)一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行減計(jì)數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號(hào)時(shí)，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的停止。再按復(fù)位鍵時(shí)，再一次倒計(jì)時(shí)。74LS121的真值表74LS192的真值表74LS74的真值表3） 報(bào)警電路該電路主要由555時(shí)鐘電路（用于控制報(bào)警聲音頻率）、蜂鳴器即相關(guān)的延時(shí)電路和控制電路組成。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時(shí)間，由于Proteus元件庫(kù)缺少74LS12以用74121代替仿真。工作原理：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121通過(guò)信號(hào)/Ys、BO2、S控制報(bào)警與否和報(bào)警時(shí)間，555時(shí)鐘電路產(chǎn)生脈沖時(shí)鐘。在規(guī)定的時(shí)間有人搶答時(shí)，/Ys由1跳變到0，74121有狀態(tài)2，即Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報(bào)警，持續(xù)時(shí)間為 t秒，依據(jù)公式T=（R1+2R2）Cln2 可知當(dāng)R1+2R2=100K+2*22K=144K歐姆時(shí)可得到周期為1秒的振蕩信號(hào)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)人搶答，BO2由1跳變到0，74121有狀態(tài)1，Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報(bào)警持續(xù)時(shí)間為1秒。3.3 整體電路3.4 元件列表名稱數(shù)量型號(hào)參數(shù)自鎖開(kāi)關(guān)1按鈕開(kāi)關(guān)5接線柱2跳線若干整流二極管11N4002三極管12N222PNP型電阻1010K*5、100K*2、510K、22K、10K瓷片電容110310nF電解電容310uF*2、100uF數(shù)碼管2共陰蜂鳴器1有源555定時(shí)器174LS148174LS279174LS48274LS04174LS08174LS192174LS74 174LS10174LS12114、 電路仿真4.1 Proteus7軟件仿真數(shù)據(jù)頻道A接555定時(shí)器的第3個(gè)引腳即Q端，頻道B接74LS148的第5個(gè)引腳即EI端，頻道C接74LS192的第13個(gè)引腳即TCD端，頻道D接74LS74的第5個(gè)引腳即Q端。1） 無(wú)搶答而超時(shí)的波形圖2） 超時(shí)后搶答的波形圖3）無(wú)超時(shí)成功搶答的波形圖4）成功搶答后未復(fù)位就提前搶答的波形圖4.2 Lochmaster4.0洞洞板排版布線軟件仿實(shí)物焊接電路板圖5、 總結(jié)分析1） 優(yōu)點(diǎn)A. 與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘相比計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，使用元件較少，電路不會(huì)太復(fù)雜。B.跳線橫平豎直，并且全在非焊面，較美觀。2） 不足A.焊工較差，跳線較多，檢測(cè)出很多短路和虛焊的焊點(diǎn)，影響了整體電路性能。B.數(shù)字芯片主要為從舊板上拆下來(lái)的舊芯片，性能是否完好不明確，且LS和HC混用，發(fā)生了未知故障影響某些功能的實(shí)現(xiàn)，比如搶答后鎖存編號(hào)不能完全實(shí)現(xiàn)。C.蜂鳴器不響，表面原因是芯片74LS121的Q和反Q輸出端不能翻轉(zhuǎn)，根本原因未知。3） 改進(jìn)A. 可通過(guò)添加少量門控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)超時(shí)搶答報(bào)警功能和未計(jì)時(shí)即搶答報(bào)警功能。B. 可把74LS20 四輸入二與非門替換為74LS10三輸入三與非門，而74LS08二輸入四與門的功能可使用多出來(lái)的一個(gè)與非門與74