數(shù)字電子技術課程設計報告(四人搶答器)

數(shù)字邏輯電路課程設計報告系 （部）： 三 系 專 業(yè)： 通 信 工 程 班 級： 12 通 信 2 班 姓 名： 楊 超 學 號： 成 績： 指導老師： 李 海 霞 開課時間： 2013-2014 學年 2 學期一、設計題目數(shù)字式競賽搶答器二、主要內容1、 分析設計題目的具體要求2、 完成課題所要求的各個子功能的實現(xiàn)3、 用multisim軟件完成題目的整體設計三、具體要求(1) 在給定5V直流電源電壓的條件下設計一個可以容納四組參賽者的搶答器，每組設定一個搶答按鈕供參賽者使用。4名參賽者編號為：1、2、3、4，按鈕的編號與選手的編號對應，也分別為1、2、3、4。(2) 設置一個系統(tǒng)清零和搶答控制開關K=space（該開關由主持人控制），當開關K被按下時，搶答開始（允許搶答），打開后搶答電路清零。(3) 搶答器具有一個搶答信號的鑒別、鎖存及顯示功能。即參賽者的開關中任意一個開關被按下，鎖存相應的編號，并在搶答顯示器上顯示該編號，同時揚聲器發(fā)聲。此時再按其他任何一個搶答器開關均無效，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持不變，直到主持人將系統(tǒng)清除為止。(4) 搶答器具有定時（9秒）搶答的功能。當主持人按下開始按鈕后，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時間，若無人搶答，倒計時結束時，揚聲器響。參賽者在設定時間（9秒）內搶答有效，搶答成功，揚聲器響，同時定時器停止倒計時，搶答顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。(5) 如果搶答定時間截止，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警，并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。四、進度安排第一天：介紹所用仿真軟件；布置任務，明確課程設計的完整功能和要求。第二天：消化課題，掌握設計要求，明確設計系統(tǒng)全部功能，圖書館查閱資料。第三天：確定總體設計方案，畫出系統(tǒng)的原理框圖。第四天：繪制單元電路并對單元電路進行仿真。第五天：分析電路，對原設計電路不斷修改，獲得最佳設計方案。第六天：完成整體設計并仿真驗證。 第七天：對課程設計進行現(xiàn)場運行檢查并提問，給出實踐操作成績。第八天：完成實踐報告的撰寫五、成績評定課程設計成績按優(yōu)、良、中、及格、不及格評定，最終考核成績由四部分組成：1、 理論設計方案，演示所設計成果，總成績40；2、 設計報告，占總成績30；3、 回答教師所提出的問題，占總成績20；4、 考勤情況，占總成績10；無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績?yōu)?分，無故曠課三次總成績?yōu)?分。遲到20分鐘按曠課處理。目錄前言11、總體設計思路、基本原理和框圖21.1設計思路21.2設計原理和功能21.3總體設計框圖42、單元電路設計52.1各芯片的用法和功能52.1.1 74LS17552.1.2 74LS14872.1.3 74LS19082.1.4 555 定時器82.1.5 74LS1192.1.6 74LS20102.1.7 74ls32102.1.8 4002BD四輸入或非門112.1.9 74LS08112.2單元模塊122.2.1 搶答器，鎖存模塊122.2.2 編碼模塊132.2.3 倒計時模塊142.2.4 報警模塊142.2.5 555時鐘脈沖模塊153、電路仿真調試163.1靜止圖163.2仿真圖163.2.1主持人開關閉合173.2.2 1號選手搶答，搶答成功183.2.3 1號選手搶答成功，其他選手搶答無效193.2.4 倒計時結束 搶答無效203.2.5 主持人復位開關作用214、 故障分析與電路改進224.1故障分析和解解決224.1.1故障分析224.1.2故障解決234.2 電路改進245、總結256、心得體會267、元件清單278、參考文獻28前言多人競賽搶答的器件在現(xiàn)實生活競賽中是一個很常見且應用很普遍的機器，尤其是在隨著各種綜藝電視節(jié)目的不斷發(fā)展，越來越多的競賽搶答器被用在了其中，多路智力搶答器不僅給選手限制了思考時間，而且也更加能夠鍛煉參賽選手的快速反應能力，使得節(jié)目現(xiàn)場的的氛圍更加緊張，比賽更加精彩，更能吸引觀眾。在知識競賽中，特別是搶答題時，為了明確選手搶答的先后順序，必須要有一個系統(tǒng)來完成這個任務。如果在搶答中，只靠人的視覺聽覺是很難判斷出哪位選手先搶答，哪位選手后搶答。這次設計就是用幾個觸發(fā)器以及門電路設計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩位選手的搶答時間相差無幾，也可分辨出哪位選手優(yōu)先答題，保證了競賽的公平性。隨著社會迅速發(fā)展，此類智能搶答器很早就問世了。其功能的實現(xiàn)方式多種多樣，趨向于易于擴展，可靠性高，集成度高，制造費用低，功能更加多樣化。本次設計主要利用常見的74LS系類集成電路芯片和555芯片，并劃分功能模塊進行各個部分的設計，最后完成四人智力搶答器。本文主要介紹了搶答器的工作原理及設計，以及它的實際用途。 數(shù)字式競賽搶答器1、總體設計思路、基本原理和框圖1.1設計思路電路大致可以由四個功能模塊組成：編碼鎖存部分,脈沖產(chǎn)生電路部分,倒計時顯示電路部分,報警電路部分。（1）在4D觸發(fā)器構成的搶答鎖存器中，由主持人來控制74LS175的清零端。當清零端為高電平“1”時，選手開始搶答，最先按鍵的選手相應的燈泡亮，并且揚聲器發(fā)出聲音；同時，由4個非Q及門電路組成的鎖存電路來控制其他選手再按鍵時不起作用，這時其他選手搶答無效。（2）在倒計時顯示電路部分中，由計數(shù)器74LS190，數(shù)碼管顯示器組成。利用74LS190計數(shù)器作為計時的芯片，實行倒計數(shù)功能。當主持人按下?lián)尨鸢粹o時，74LS190被置初始值（9秒），搶搭時間開始倒計時，將時間顯示在顯示器上。假如在規(guī)定時間內無人搶答，即搶答時間為0時，則計數(shù)器停止倒計時，鎖存器被鎖存，禁止選手搶答，搶答時間數(shù)碼管顯示為0，燈泡閃爍，揚聲器響；假如在規(guī)定時間內有人搶答，則計數(shù)器停止倒計時，鎖存器被鎖存，禁止其他選手搶答，搶答時間停止倒計時，燈泡亮，揚聲器響。1.2設計原理和功能四路搶答器根據(jù)對功能要求的簡要分析，將定時搶答器電路分為主題電路和擴展電路兩部分。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答器按鈕時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答及報警功能。選手分別對應的按鈕編號是1、2、3、4，搶答后選手對應燈被點亮，揚聲器響。比賽開始時，接通電源，節(jié)目主持人將開關置于“清零”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器上顯示設定時間（9s）。當節(jié)目主持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關接通電源，搶答器處于工作狀態(tài)，同時定時器開始倒計時。若規(guī)定時間結束，沒有選手搶答時，封鎖輸入電路，禁止選手超時搶答。若選手在規(guī)定時間內搶答（閉合選手開關），搶答器要完成以下四項工作：1. 優(yōu)先編碼器電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；2. 揚聲器發(fā)出響聲，表示有人搶答或者無人搶答，提醒節(jié)目主持人注意；3. 控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答； 4. 控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，直到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手將問題回答完畢時，主持人操作控制開關，使系統(tǒng)清零，準備進行下一輪搶答。上述方案所示搶答器的工作過程：主持人閉合開關后，最先搶答的選手的電平信號經(jīng)過優(yōu)先編碼器，和數(shù)據(jù)鎖存器，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，同時揚聲器發(fā)出聲響，此時完成搶答功能；如果沒人搶答， 9秒減計數(shù)器顯示到0時揚聲器也會發(fā)出聲響，此時完成計時功能，本輪搶答結束。它的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：這種方案原理比較簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實現(xiàn)報警提示功能，在有選手搶答后或者計時開始和結束時。既減少了布線使整個電路更直觀簡單，又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。1.3總體設計框圖圖1.1 總設計框圖2、單元電路設計2.1各芯片的用法和功能2.1.1 74LS175 圖2.1 74LS175引腳圖74LS175 表達式: 表2.1 74LS175功能表Sd RdCPD1000111100011010111011111174LS175的工作原理:D觸發(fā)器的的構成原件見下圖：圖2.2 D觸發(fā)器此D觸發(fā)器又叫維持阻塞邊沿觸發(fā)器，該觸發(fā)器有六個與非門組成，其中啊a 和b構成基本RS觸發(fā)器下面分析其工作原理：Sd和Rd接至基本RS觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預置和清零端，低電平有效。當Sd=0且Rd=1時，不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使Q=1，=0,即觸發(fā)器置一；當Sd=1且Rd=0時，觸發(fā)器的狀態(tài)為0，Sd和Rd通常又稱為直接置1和置0端。工作過程如下：、CP=0時，與非門c和g 封鎖，其輸出c=e=1，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。同時，由于c至f和e至g的反饋信號將這兩個門打開，因此可接收輸入信號D，f=，g=D。、當CP由0變1時觸發(fā)器翻轉。這時c和e打開，它們的輸出c和e的狀態(tài)由f和g的輸出狀態(tài)決定。C= =D，e=。由基本RS觸發(fā)器的邏輯功能可知，Q=D。、觸發(fā)器翻轉后，在CP=1時輸入信號被封鎖。C和e打開后，它們的輸出c和e的狀態(tài)是互補的，即封鎖了D通往基本RS觸發(fā)器的路徑；該反饋線起了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用，故該反饋線稱為置0維持線，置1阻塞線。e為0時，將c和g封鎖，D端通往基本RS觸發(fā)器的路徑也被封鎖。維持阻塞D 觸發(fā)器狀態(tài)方程和狀態(tài)真值表如下： 搶答器的工作流程，其核心就是該D觸發(fā)器。當主持人宣布開始搶答時，將開關S1斷開，選手迅速按鍵，假設選手1首先按下?lián)尨疰I，此時一號就輸入一個相當于上升沿的脈沖使D1輸出高電平同時將該高電平信號傳送給或非門，通過或非門的判斷將信號輸送到其它選手的D觸發(fā)器的R端并將其鎖定使其無法輸出信號。2.1.2 74LS148圖2.3 74LS148引腳圖表2.2 74LS148功能表 74LS148的工作原理：74LS148是8線-3線八進制優(yōu)先編碼器：電源是VCC(16),GND(8),I0-I7為輸入信號，A2，A1，A0為二進制編碼輸出信號，IE是使能端，OE是使能輸出端，GS為優(yōu)先編碼輸出端。功能：當OE輸入，IE=1時，禁止編碼，輸出反碼，A2，A1，A0全為1。當OE輸入，IE=0時，允許編碼，在I0-I7輸入中，輸入I7優(yōu)先級最高，其余依次為：I6,I5,I4,I3,I2,I1,I0。當某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級別高的輸入沒有低電平輸入時，輸出端才輸出相應的輸入端的代碼。例如I5=0且I6=I7=1（16,17優(yōu)先級別高于15），此時輸出代碼010。2.1.3 74LS190圖2.4 74LS190引腳圖74LS190有預置數(shù)功能.74ls190沒有清除功能, 有加/減控制端控制加減，74ls190有使能端,高電平時禁止計數(shù)。2.1.4 555 定時器555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當5腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1。 圖2.5 555定時器引腳圖表2.3 555計時器功能表 2.1.5 74LS11 三輸入與門 圖2.6 三輸入與門引腳圖 2.1.6 74LS2074ls20是一個四輸入一輸出的與非門組合的芯片，邏輯功能是完成四個輸入的邏輯與非計算功能，1、2、4、5腳輸入，6腳輸出，13、12、10、9腳輸入，8腳輸出，3、11兩個腳空的，7腳接GND，14腳接Vcc 圖2.7 74LS20引腳圖2.1.7 74ls3274LS32是通用數(shù)字電路：四2輸入或門。Y=A+B 以集成塊的一側有缺口的為左起：左下1-1A，2-1B， 3-1Y；4-2A，5-2B，6-2Y；7-GND；右起：右上8-3Y，9-3A，10-3B；11-4Y，12-4A， 13-4B；14-VCC 其中A，B為輸入端，Y為輸出端，GND為電源負極，VCC為電源正極。 圖2.8 74ls32引腳圖2.1.8 4002BD四輸入或非門 圖2.9 4002BD四輸入或非門引腳圖 2.1.9 74LS08圖2.10 74LS08引腳圖表2.4 74LS08功能表74LS08的工作原理：2輸入端四與門。2.2單元模塊2.2.1 搶答器，鎖存模塊以鎖存器為中心的編碼顯示電路搶答信號的判斷和鎖存可采用觸發(fā)器或鎖存器。若以四D觸發(fā)器74LS175為中心構成編碼鎖存系統(tǒng)，編碼的作用是把鎖存器的輸出轉化成8421BCD碼。表2.5 鎖存器的輸出轉化成8421BCD碼 鎖存器輸出 編碼器輸出Q4Q3Q2Q1DCBA00010001001000100100001110000100圖2.11搶答鎖存電路圖 搶答電路有兩個功能，一是能分辨出選手搶答的先后順序，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，用燈泡顯示表示；二是在倒計時結束后無人搶答或者有一人強大后使其他選手的按鈕操作無效。因此，選用四D觸發(fā)器74LS175、四輸入端與非門74LS20和反相器74LS04（非門）以及燈泡顯示電路，最后還需要利用74LS148進行優(yōu)先編碼，完成上述功能。鎖存電路利用一片74LS08和一片74LS04芯片構成鎖存功能，例如選手1按下開關A，其他選手按下開關后將無效，當0與時鐘脈沖相與后，74LS175禁止工作，完成鎖存功能。工作原理:鎖存電路利用一片74LS08和一片74LS04芯片構成鎖存功能，例如選手1按下開關，其他選手按下開關后將無效，當0與時鐘脈沖相與后，74LS175禁止工作，完成鎖存功能。四D觸發(fā)器74LS175的輸出Q非控制顯示模塊顯示組號。當無人搶答時即開關斷開，4個觸發(fā)器的輸出Q非“1”相與，為“1”時，脈沖能夠進入觸發(fā)器，有一人搶答時，與門中有一個變?yōu)榈碗娖健?”，使脈沖不能進入觸發(fā)器，此時鎖存功能停止，從而防止其他人搶答，并停止計時。2.2.2 編碼模塊圖2.12編碼電路圖工作原理：74ls148輸入端優(yōu)先級別的次序依次為D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0。當某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級別高的輸入端沒有低電平輸入時，輸出端才輸出相應該輸入端的代碼。2.2.3 倒計時模塊 圖2.13倒計時電路 倒計時顯示電路：該電路可采用十進制同步減計數(shù)器74LS190，當與置數(shù)端LOAD接低電平時，無論CP脈沖怎么變化，預置數(shù)輸出端等于預置數(shù)輸入端，令預置數(shù)輸入端DCBA=1001，此時在主持人閉合開關前顯示器顯示“9”，當主持人宣布開始,后，在脈沖作用下開始倒計時并在顯示器上顯示，到零時停止計數(shù)。工作原理：由74LS190十進制計數(shù)器計數(shù)，其輸出端驅動BCD數(shù)碼器。由555的進位輸出反相信號進位信號和搶答信號控制1HzCP信號的輸入，即計數(shù)到0時不會倒回9再計時，也控制計數(shù)到時搶答模塊不許再搶答同時聲音模塊塊報警。74LS190的MR接收搶答模塊的信號，當搶答模塊復位時74LS190也復位。2.2.4 報警模塊圖2.14 報警電路由主持人、選手、倒計時共同控制它的輸入，使其在主持人閉合開關選手搶答、倒計時到零時都能鳴叫。2.2.5 555時鐘脈沖模塊 圖2.15 555電路圖工作原理：該模塊為由555定時器構成的多諧振蕩器。該單元電路由555定時器和電阻電容接合成多諧振蕩器，產(chǎn)生所需要的脈沖。根據(jù)555多諧振蕩器的頻率計算公式：可求得1HZ的電路電阻均取47k，電容取10nf。3、電路仿真調試3.1靜止圖圖3.1 未運行時的總電路圖3.2仿真圖圖3.2 電路仿真運行圖當主持人還沒有按下開關時，所有燈泡均不亮，計時器顯示為9，選手號碼顯示器顯示為0。開關1、2、3、4分別表示1號選手，二號選手，三號選手，四號選手，開關space表示主持人開關。3.2.1主持人開關閉合圖3.3當主持人閉合開關space時，計時器開始倒計時，由9開始，當9至0期間，1號選手按下?lián)尨痖_關，計時器顯示數(shù)字將被鎖存，選手號碼顯示屏顯示“1”，并且1號選手搶答時，屬于他的燈泡發(fā)光，報警電路中燈泡亮，揚聲器報警，警告其他選手不能搶答。3.2.2 1號選手搶答，搶答成功圖3.4選手按下?lián)尨疰I，通過175鎖存，148優(yōu)先譯碼，在顯示屏上顯示相應的選手序號。主持人按下開關space后，計時器、74LS175觸發(fā)器在脈沖的作用下分別進行倒計時和鎖存功能。當1號搶答者按下開關1后，鎖存器鎖存搶答者的序號，由于優(yōu)先編碼器是低電平有效，所以觸發(fā)器的輸出用Q非，然后74lS148編碼使其輸出在通過反相器后，在顯示器上顯示搶答者的序號。同時當搶答者按下開關后，計時器停止工作，燈泡會亮。如果其他搶答者在按下開關，均無效。因為有搶答者已經(jīng)按下開關后，計時器停止工作，此時74LS148的使能端是高電平，處于禁止工作狀態(tài)。3.2.3 1號選手搶答成功，其他選手搶答無效圖3.5當有一人搶答時，顯示屏顯示選手序號，并通過四輸入與非門輸出“0”,接入175的工作端使175無法工作，其他選手無法搶答。3.2.4 倒計時結束 搶答無效圖3.6當?shù)褂嫊r結束時，190輸出“0000”，通過或非門輸出“1”并接入148的EI端，使譯碼器停止工作。無法搶答。3.2.5 主持人復位開關作用 圖3.7當主持人打開開關space，選手顯示器為0，計時器為9，實現(xiàn)其復位功能。4、 故障分析與電路改進4.1故障分析和解解決4.1.1故障分析圖4.1故障圖（a）圖4.1 故障圖（b） 當計時器計時到8和4的時候，理論上寄存器會工作，但是沒有工作，所以有故障。4.1.2故障解決 設計電路圖的時候，U7A74LS02的輸入端接的是74LS190的輸出端QA、QB，輸出端連接74LS148的EI（低電平使能端），這樣只要QA、QB輸出的都是“0”的話，即“4”和“8”，兩個“0”通過或非門變成“1”，此時的高電平輸出給低電平有效的EI，使其無效，促使在“4”和“8”的時候74LS148不工作。由此想到只要把74LS190的四個輸出端口都接入四輸入或非門，這樣就能避免這樣的情況發(fā)生。改進電路如圖所示：圖4.2圖4.34.2 電路改進1：蜂鳴器不響方法：蜂鳴器的頻率太小，增大蜂鳴器的頻率。2：線路太多太亂方法：調整芯片、器件的位置，盡量減少連線的轉折點。3：蜂鳴器木塊用到的門電路太多，太亂。方法：從網(wǎng)上所搜一下四輸入或非門在multisim里的名稱（4002），用它代替了4個門電路，是的電路更美觀。5、總結持續(xù)一個多星期的課程設計結束了，雖然我的電路不是最好的，但總體上還是很成功的。一周的時間雖然很短暫，但從中獲益匪淺. 畢竟在課堂上學習的內容真真正正能用到實際是有點學有所用的，而且要把理論知識付諸實踐確實非一件易事。我從最初的設想設計一個什么樣的數(shù)字電路到繪制電路圖，然后打印排版，最后校正設計中的漏洞與不足。整個過程中我翻閱大量資料，跑遍圖書館各個能找到數(shù)電資料的角落，上網(wǎng)查找有關內容，馬不停蹄思考如何繪制電路，最讓我感到驚訝的是我用一個下午的時間竟然把數(shù)字邏輯電路Multisim仿真技術認認真真地看完了，而且