十六路搶答器設(shè)計(jì)

1、Proteus仿真設(shè)計(jì)課題： 十六路搶答器 系部： 班級(jí)： 姓名： 指導(dǎo)老師： 前 言隨著經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)合要求有快捷公正的競(jìng)爭(zhēng)裁決，智力競(jìng)賽更是作為一種生動(dòng)活潑的教育形式和方法能夠引起觀眾極大的興趣。為了公正，就要有一種邏輯電路搶答器作為裁判員?？梢姄尨鹌髟谌藗兊纳钪姓加性絹碓街匾奈恢?。基于proteus仿真軟件，結(jié)合數(shù)電模電所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易16路搶答器。該系統(tǒng)是由數(shù)字電路的單元電路組成大型綜合系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能 ，當(dāng)某一路搶答成功時(shí)，放光二極管立即點(diǎn)亮，并在數(shù)碼管上顯示該路的號(hào)數(shù)，直到主持人按復(fù)位開關(guān)為止，其他人再搶答無效該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單，容易

2、操作等特點(diǎn)。目 錄第一章 搶答器的設(shè)計(jì)要求與功能41.1 仿真設(shè)計(jì)要求41.2 仿真設(shè)計(jì)功能41.2.1 基本功能41.2.2 擴(kuò)展功能4第二章 搶答器的組成62.1 搶答器組成框圖62.2 各個(gè)電路的組成6第三章 搶答器的電路設(shè)計(jì)73.1 搶答電路73.1.1 優(yōu)先編碼電路93.1.2 4位二進(jìn)制/BCD碼變換電路113.2 計(jì)時(shí)電路123.2.1 555構(gòu)成的多諧振蕩器133.2.2 74LS192構(gòu)成的遞減計(jì)數(shù)器153.3 報(bào)警電路17第四章 仿真結(jié)果18總結(jié)21參考資料22 第一章 搶答器的設(shè)計(jì)要求及功能 1.1 仿真設(shè)計(jì)要求（1）設(shè)計(jì)一個(gè)競(jìng)賽搶答器，可同時(shí)供十六名選手或代表隊(duì)參加比賽

3、；（2）給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答器的開始；（3）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能 ，當(dāng)某一路搶答成功時(shí)，放光二極管立即點(diǎn)亮，并在數(shù)碼管上顯示該路的號(hào)數(shù)，直到主持人按復(fù)位開關(guān)為止，其他人再搶答無效；1.2 仿真設(shè)計(jì)功能1.2 1基本功能(1) 可同時(shí)15名選手參加比賽，他們的編號(hào)分別是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別是S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15，S16。(2) 節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控

4、制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。(3) 數(shù)字搶答器應(yīng)具有數(shù)碼鎖存、顯示功能。搶答開始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。1.2 2擴(kuò)展功能（1）搶答器具有定時(shí)搶答的功能，且一次搶答時(shí)間可以由主持人設(shè)定（如30s）。當(dāng)節(jié)目按下“開始”按鈕后，要求定時(shí)器立即倒計(jì)時(shí)，并在顯示器上顯示，同時(shí)“滴”的聲響；（2）參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止；（3）如果定

5、時(shí)器的時(shí)間已到，卻沒有選手回答，則本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封鎖輸入電路禁止選手超時(shí)搶答，時(shí)間顯示器上顯示00。第二章 搶答器組成框圖2.1搶答器組成框圖 搶答器組成總框圖如圖1所示。圖1 搶答器組成框圖2.2各個(gè)電路的組成（1） 搶答電路由按鍵開關(guān)，優(yōu)先編碼電路74LS148，鎖存器74LS279組成。（2） 定時(shí)電路由秒脈沖產(chǎn)生電路NE555，同步計(jì)數(shù)器74LS192組成。（3） 控制電路用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121和一些門電路實(shí)現(xiàn)。第三章 搶答器的電路設(shè)計(jì)3.1搶答電路搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操

6、作無效。選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能，其電路組成如下圖所示。其工作原理是：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于“清除”位置時(shí)，RS觸發(fā)器的端為低電平，輸出端（4Q1Q）全部為低電平，于是74LS48的BI=0，顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST=0，74LS148處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作，當(dāng)主持人開關(guān)撥到“開始”位置時(shí)，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時(shí)處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端S1S15輸入信號(hào)，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下S5），74LS148的輸出Y2Y1Y0=010，GS=0，經(jīng)RS鎖存器后，CTR=1，BI=1，74LS279處

7、于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101，經(jīng)74LS48譯碼后，顯示器顯示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的EI端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖了其他按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開后，74LS148的YEX為高電平，但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍處于禁止工作狀態(tài)，其他按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被吸收，這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān)S，使搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪。搶答電路如圖2所示。圖2 搶答電路圖3.1.1優(yōu)先編碼電路根據(jù)要求，用兩片優(yōu)先編碼器74LS148級(jí)連組成。由74LS148的功能表可以看出當(dāng)高

8、位片處于工作狀態(tài)且沒有輸入時(shí)，Y2,Y1, Y0, YEX都是1，Y S為0 ，低位片也處于工作狀態(tài)。當(dāng)高位片有輸入時(shí)，YS=1 =ST，所以低位片處于封鎖狀態(tài)，同時(shí)兩片的輸出YS=1，高位片YEX為0，低位片的YEX為1。當(dāng)?shù)臀黄幂斎霑r(shí)，高位片的YS=0，低位片的YS=1，高位片YEX為1，低位片的YEX為0。由 ZYEX=YEX1YEX2 Z0=Y01Y02 Z1=Y11Y12 Z2=Y21Y22 Z3= 可以得到當(dāng)ST=0時(shí)，即74LS148處于工作狀態(tài)時(shí)，不論是低位片還用高位片有輸入時(shí)，ZYEX都為0，當(dāng)沒有輸入時(shí)，ZYEX為1。當(dāng)高位片有輸入時(shí)，Z3為0，當(dāng)?shù)臀黄休斎霑r(shí)，Z3為1

9、，當(dāng)ST為1時(shí)，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，Z3為1。輸入輸出STS0S1S2S3S4S5S6S7Y2Y1Y0YEXYS11111101111111111110001111111111010011111111001001111110101001111100010011101101001101001001001010000001表1 74LS148功能表基本R-S觸發(fā)器邏輯等號(hào)與波形圖RS觸發(fā)器的端為低電平，由于74LS148沒有輸入，都為1，所以輸出端（4Q1Q）全部為0。由與門電路組成，由于用15路選擇，4位二進(jìn)制數(shù)表示的十進(jìn)制數(shù)的范圍為015，其8421BCD碼需用5位二進(jìn)制數(shù)表示，它

10、們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表.當(dāng)74LS148有輸入，相應(yīng)的為0，所對(duì)應(yīng)的輸出端變?yōu)?，當(dāng)輸入退出時(shí)，重新變?yōu)?，而對(duì)應(yīng)的輸出端保持1不變，實(shí)現(xiàn)了鎖存的功能。當(dāng)ZYEX為0時(shí)，Q的輸出為1， Q=ST=1，所以令74LS148處于禁止工作狀態(tài)，使其他按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被吸收，這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān)S，使搶答電路復(fù)位（即令=0），以便進(jìn)行下一輪搶答。由于74LS148沒有輸入，都為1，所以輸出端（4Q1Q當(dāng)74LS148有輸入，相應(yīng)的為0，所對(duì)應(yīng)的輸出端變?yōu)?，當(dāng)輸入退出時(shí)，重新變?yōu)?，而對(duì)應(yīng)的輸出端保持1不變，實(shí)現(xiàn)了鎖存的功能。當(dāng)

11、ZYEX為0時(shí)，Q的輸出為1， Q=ST=1，所以令74LS148處于禁止工作狀態(tài)，使其他按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被吸收，這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān)S，使搶答電路復(fù)位（即令=0），以便進(jìn)行下一輪搶答。表2、鎖存器74LS74真值表輸入輸出Q11Q0011 10000 3.1.2 4位二進(jìn)制/BCD碼變換電路由與門電路組成，由于用15路選擇，4位二進(jìn)制數(shù)表示的十進(jìn)制數(shù)的范圍為015，其8421BCD碼需用5位二進(jìn)制數(shù)表示，它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表.表3 4位二進(jìn)制/BCD碼變換電路真值表二進(jìn)制數(shù)BCD碼Z3Z2Z1Z0D10D03D02

12、D01D0000000000001000100001200100001030011000114010000100501010010160110001107011100111810000100091001010011010101000011101110001121100100101311011001114111010100151111101013.2計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路要實(shí)現(xiàn)的功能為0-99秒任意可調(diào)倒計(jì)時(shí)。采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)倒計(jì)數(shù)，用555實(shí)現(xiàn)秒脈沖輸出到計(jì)數(shù)器，再用計(jì)數(shù)器和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。調(diào)整時(shí)間采用電子開關(guān)，同樣利用計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過查閱資料，采用74LS192作為計(jì)數(shù)器，用555構(gòu)成多諧震

13、蕩電路，譯碼器采用4511。74LS192為雙時(shí)鐘可加減10進(jìn)制計(jì)數(shù)器。帶有預(yù)置數(shù)和清零功能圖3 計(jì)時(shí)電路圖3.2.1 555構(gòu)成的多諧振蕩器把555的2，6腳接在一起，根據(jù)對(duì)555組成原理圖的分析可知，電容上的電壓將在到之間變化。電路的工作波形如下圖所示 圖4 電容和輸出電壓的波形圖 圖5 555構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖 從圖中看出，輸出電壓Vo的低電平時(shí)間為電容上電壓Vc從減少到所需要的時(shí)間，Vo的高電平時(shí)間Vc為電容上電壓從增大到所需要的時(shí)間，電路的振蕩周期和頻率計(jì)算如下 (1) (2) (3) (4)取=15K, =68K, C=10uF, 可得振蕩頻率為所以, T=1s 。3.2.2

14、74LS192構(gòu)成的遞減計(jì)數(shù)器（1）74LS192工作方式74LS192功能表如表4-5所示，其邏輯圖如下圖所示其中為清零端；是置數(shù)端；為預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端；為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端；為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端；是進(jìn)位輸出端，當(dāng)加計(jì)數(shù)到最大值時(shí)，發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)（平時(shí)為高電平）；為減計(jì)數(shù)借位輸出端，當(dāng)減計(jì)數(shù)當(dāng)零時(shí)，發(fā)出一低電平信號(hào)（平時(shí)為高電平）；和負(fù)脈沖寬度等于時(shí)鐘脈沖低電平寬度。由表4-5知，74LS192共有以下5種工作方式：a. 異步清零當(dāng)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端立即被置為0；b. 異步并行置數(shù)當(dāng)，時(shí)，的數(shù)據(jù)將立即分別被所接收；c. 加計(jì)數(shù)當(dāng)，時(shí)，時(shí)鐘脈沖上升沿到來時(shí)，實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)；d. 減計(jì)數(shù)當(dāng)，時(shí)，時(shí)鐘脈沖上

15、升沿到來時(shí)，實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)功能；e. 保持當(dāng)=1，時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持工作方式；（2）74LS192電路原理圖74LS192是十進(jìn)制可編程同步加/減計(jì)數(shù)器，采用8421碼二-十進(jìn)制編碼，并具有直接清零，置數(shù)，加/減計(jì)數(shù)功能。由74LS192構(gòu)成的遞減計(jì)數(shù)器的電路原理圖如下所示 圖6 74LS192構(gòu)成的遞減計(jì)數(shù)器3.3報(bào)警電路要求當(dāng)主持人按下“復(fù)位”按鈕時(shí)，發(fā)出“滴”的聲響，當(dāng)主持人按下“開始搶答”按鈕時(shí)，也發(fā)出“滴”的聲響，當(dāng)有人搶答時(shí)發(fā)出“滴”的聲響，當(dāng)計(jì)時(shí)為00卻沒人搶答時(shí)也發(fā)出“滴”的聲響。揚(yáng)聲器是由555振蕩器控制的，只要555的“TR”為低電平就會(huì)導(dǎo)致輸出Q為高電平，這樣揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出報(bào)

16、警聲，而要當(dāng)有選手搶答、開始搶答、復(fù)位、倒計(jì)時(shí)為00時(shí)都會(huì)使“TR”為低電平，會(huì)讓揚(yáng)聲器短暫報(bào)警.圖7 報(bào)警電路 第四章 仿真結(jié)果4.1電路總圖圖8 16路搶答器總設(shè)計(jì)圖4.2設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)間為30秒 圖9 計(jì)時(shí)時(shí)間4.3 開始搶答按鍵和復(fù)位按鍵當(dāng)按下開始搶答按鍵時(shí)，計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)；當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)計(jì)時(shí)模塊恢復(fù)為30秒圖10 開始搶答按鍵4.4 搶答按鈕當(dāng)開始搶答后，按下S10按鈕圖11 搶答按鍵4.5搶答結(jié)果圖12 搶答結(jié)果顯示總 結(jié)完成這次課程設(shè)計(jì)我覺得收獲很多，不但進(jìn)一步掌握了數(shù)電的知識(shí)及相關(guān)專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設(shè)計(jì)能力及動(dòng)手能力。理論知識(shí)的不足在這次實(shí)習(xí)中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后更加明確學(xué)習(xí)的方向，可認(rèn)識(shí)到自己的不足，確定自己的目標(biāo)，從而更加努力的學(xué)習(xí)。只有這樣我們才能真正的去掌握它，真正的去運(yùn)用它。雖然只是初步學(xué)會(huì)了數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)，離真正掌握還有一定距離，但確實(shí)令我收益匪淺，因?yàn)槲矣袑W(xué)到了課本以外的很多知識(shí)，作為一個(gè)電子專業(yè)的學(xué)生，我深刻體會(huì)到課程設(shè)計(jì)的重要