廣工數(shù)電課程設(shè)計(四人搶答器)

.PAGE.目錄一、設(shè)計目的2二、設(shè)計任務(wù)與要求21、設(shè)計任務(wù)22、設(shè)計要求2三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計31、設(shè)計方案32、系統(tǒng)框圖33、方案比較4方案14方案2:4方案3：44、單元電路設(shè)計及元器件選擇4〔1搶答電路4〔2定時電路7〔3報警電路9〔4時序控制電路10〔5元器件列表125、四路搶答器總電路圖13四、設(shè)計過程中的問題和解決辦法13五、設(shè)計成品的優(yōu)點與不足14六、心得體會14七、實物圖151、正面152、反面16四人智力競賽搶答器一、設(shè)計目的1.掌握四人智力競賽搶答器電路的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。2.熟悉數(shù)字集成電路的設(shè)計和使用方法。二、設(shè)計任務(wù)與要求1、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。用數(shù)字顯示搶答倒計時間,由"9"倒計到"0"時,無人搶答,蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時,數(shù)碼顯示選手組號,同時蜂鳴器響1秒,倒計時停止。2、設(shè)計要求<1>4名選手編號為：1,2,3,4。各有一個搶答按鈕,按鈕的編號與選手的編號對應(yīng),也分別為1,2,3,4。<2>給主持人設(shè)置一個控制按鈕,用來控制系統(tǒng)清零〔搶答顯示數(shù)碼管滅燈和搶答的開始。<3>搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動搶答按鈕,該選手編號立即鎖存,并在搶答顯示器上顯示該編號,同時揚聲器給出音響提示,封鎖輸入編碼電路,禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<4>搶答器具有定時〔9秒搶答的功能。當(dāng)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(jié)束時,揚聲器響,音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間〔9秒內(nèi)搶答有效,搶答成功,揚聲器響,音響持續(xù)1秒,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>如果搶答定時已到,卻沒有選手搶答時,本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警〔音響持續(xù)1秒,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。<6>可用石英晶體振蕩器或者555定時器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號,作為定時計數(shù)器的CP信號。三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計1、設(shè)計方案搶答器具有鎖存、定時、顯示和報警功能。即當(dāng)搶答開始后,選手搶答,按動按鈕,鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼,同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來,并且暫停搶答時間的倒計時,同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。在選手按鍵搶答成功后或者搶答時間倒計時為零的時候都有1秒鐘的報警以提醒主持人和選手。搶答的有效時間設(shè)定9秒,報警響聲持續(xù)1秒。接通電源后,主持人將開關(guān)撥到"清除"狀態(tài),搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài),編號顯示器顯示"0",定時器顯示設(shè)定時間"9"；主持人將開關(guān)置"開始"狀態(tài),宣布"開始",搶答器工作,定時器倒計時。選手在定時時間內(nèi)搶答時,搶答器完成該功能：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、倒計時鎖定、揚聲器提示。倒計時電路的數(shù)碼管顯示剩余時間,另一個數(shù)碼管顯示選手編號。如果在搶答時間內(nèi)沒有選手搶答,則倒計時電路數(shù)碼管顯示數(shù)字"0",另一數(shù)碼管也顯示"0",即1至4號選手都沒有搶答。同時音響電路給出1秒音響提示。當(dāng)一輪搶答之后,定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。2、系統(tǒng)框圖當(dāng)主持人宣布開始,定時電路開始秒脈沖電路的作用而進行倒記時,并通過譯碼器在顯示器中顯示。當(dāng)選手首先按某一開關(guān)鍵時,可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存,在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息,同時為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂,最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼,將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。若有多個開關(guān)同時按下時,則在它們之間存在著隨機競爭的問題,結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。如圖1：揚聲器揚聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計時器譯碼器數(shù)碼顯示揚聲器鎖存器編碼轉(zhuǎn)換電路譯碼器主持人選手圖1系統(tǒng)框圖3、方案比較方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出,用74ls190完成倒計時電路,用一個555產(chǎn)生時鐘信號提供給搶答電路,再接一個分頻器,把分頻后的時鐘信號接給倒計時電路。分析：用CD4511雖然比較簡便,但實際在實現(xiàn)鎖存功能時比較繁瑣難實現(xiàn)。方案2:采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls190完成倒計時電路的功能,用晶振產(chǎn)生脈沖,經(jīng)分頻電路,接到搶答電路和倒計時電路。分析：74ls190為單時鐘計數(shù)器,而且沒有異步清零端。用晶振產(chǎn)生的脈沖更加精確,但是本設(shè)計不需要很精確的時鐘秒沖信號,而且用到晶振要經(jīng)過兩次不同的分頻,需要額外的兩塊芯片進行分頻,增加成本。方案3：采用4D觸發(fā)器74ls175和譯碼器來完成搶答部分.用74ls192完成倒計時電路的功能,用兩個555產(chǎn)生脈沖。分析：用兩個555產(chǎn)生時鐘信號,可以單獨設(shè)置每個時鐘的頻率,而且可以避免由一個時鐘分頻到搶答電路和倒計時電路時產(chǎn)生的跳線問題。所用元件也不是很多,而且可以完美實現(xiàn)題目的功能要求。經(jīng)過對比3個方案的優(yōu)缺點,決定采用成本較低、跳線少、功能易實現(xiàn)的方案3。然后利用軟件multism來進行仿真調(diào)試,再進行逐步改進。4、單元電路設(shè)計及元器件選擇〔1搶答電路電路如圖2所示。該電路完成兩個功能：一、是分辨出選手按鍵的先后,并鎖定。74LS175的四個輸出端Q1、Q2、Q3、Q4分別表示選手1、2、3、4的編號,經(jīng)過74LS32或門后連接到74LS47的A、B、C輸入端,完成編碼過程,同時譯碼顯示電路74LS47讓數(shù)碼管顯示選手編號；二、是要通過先搶答的選手的輸出電平信號使其他選手隨后的按鍵操作無效。圖2搶答電路該電路的工作原理為：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于"清除"時,D觸發(fā)器的清零端為低電平,使D觸發(fā)器被強制清零,輸入的搶答信號無效。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到"開始"時,D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平,四個Q非端經(jīng)過與門U9B為高電平,再和555脈沖信號信號和借位信號經(jīng)過與門U9A仍為高電平,再送到D觸發(fā)器的脈沖端。當(dāng)沒人搶答時,Q1、Q2、Q3、Q4都為低電平,Q1非、Q2非、Q3非、Q4非都為高電平。與門U9B輸出端為高電平,和555的方波脈沖信號相與仍為脈沖信號,送給D觸發(fā)器脈沖端。當(dāng)一有人搶答時〔例如一號選手,D1輸入端為高電平,該信號在時鐘輸入的脈沖信號的上升沿到來時進入鎖存器,然后該選手的編號通過74LS32和47LS47顯示在數(shù)碼管中。同時Q1非輸出為低電平,經(jīng)過與門U9B后仍為低電平,經(jīng)過與門U9A后使鎖存器74LS175的脈沖輸入端保持低電平,封鎖了四個輸入端的輸入,同時保持了輸出端的電平信號不變。這樣不僅使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收,而且搶答成功的一號選手的編號也被保存下來,直到主持人"清零"。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,主持人控制開關(guān)S是搶答電路復(fù)位,以便進行下一輪搶答。四D觸發(fā)器74LS175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng),編碼的作用是把鎖存器的輸出轉(zhuǎn)化成8421BCD碼,進而送給7段顯示譯碼器。其真值表a：表a鎖存編碼真值表鎖存器輸出編碼器輸入Q4Q3Q2Q1DCBA00010001001000100100001110000100由該表可以看出,747LS175不能直接與74LS47連接,因為Q3=1時,對應(yīng)的編碼器輸入A=1,B=1。這時就通過二輸入或門74LS32使鎖存、編碼一一對應(yīng)〔如圖2。編碼器的D輸入端不需要,接地使其為0。74LS175的邏輯引腳圖與功能表如下：圖1-674LS175的邏輯引腳圖74LS175是一個單向上升沿觸發(fā)的四D觸發(fā)器、互補輸出,有公用的時鐘和公用的清零。時鐘的觸發(fā)產(chǎn)生于特定的電壓電平上,同脈沖的正躍變時間無直接關(guān)系。當(dāng)CLK引腳輸入上升沿時,1D-4D被鎖存到輸出端〔1Q-4Q。不管時鐘輸入的電平是高或是低,D輸入信號不影響輸出。清零端CLR為低電平有效,即該引腳接低電平后,四個輸入信號無效,四個輸出為為低電平。只有CLR接高電平時,74LS175才能正常工作。表b74LS175功能表備注：RD即仿真圖中的CLR,CP即仿真圖中的CLK。鎖存電路的脈沖信號：由555產(chǎn)生的140HZ的脈沖信號,為74LS175的CLK端提供方波脈沖,使其能正常工作?！?定時電路如圖3。定時9秒,把74LS192對應(yīng)的9,10,1,15四個端子預(yù)置為"1001"。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時,給74ls192一個低電平,從而開始倒計時,每來一個脈沖信號進行減計數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號時,就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平,從而實現(xiàn)倒計時的停止。再按復(fù)位鍵時,再一次倒計時。圖3定時電路74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器,它具有雙時鐘輸入,并具有清除和置數(shù)等功能。LOAD為預(yù)置數(shù)端,低電平時把輸入端置成預(yù)置數(shù)；CLR為清零端；UP為加計數(shù)端；DOWN為減計數(shù)端；BO為借位輸出〔低電平輸出；CO為進位輸出端〔低電平輸出。計數(shù)器的時鐘脈沖：由秒脈沖電路555提供,其脈沖頻率為1HZ,即1秒變化一個周期。它基本原理是,由于電容C的兩端的電壓不能突變,定時器的2端電壓低觸發(fā)端為低電平,輸出端3為高電平。電源經(jīng)過R1、R2給電容C充電,當(dāng)電容的電壓充到電源電壓的2/3時,555內(nèi)部的MOS管導(dǎo)通,輸出為低電平。接著電容通過R2和已經(jīng)導(dǎo)通的MOS管放電,當(dāng)電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時,MOS管截止電容放電停止,此時電源通過R1、R2再次向電容充電,如此反復(fù),形成震蕩,從而在3端得到時鐘脈沖源輸出。圖4信號發(fā)生電路555產(chǎn)生的脈沖信號的周期計算公式：T=0.69*<R1+R2>*C〔3報警電路由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報警電路,但仿真中沒有74ls121,因此用功能相同的MONOSTABLEVIRTUAL〔后文簡稱A1來代替仿真,如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號和Q非的與信號和借位信號與在一起來提供的。當(dāng)其中一個信號為低電平時,使得A1得到一個下降沿脈沖,從而使A1的Q端輸出一個寬度為一秒的高電平,那么蜂鳴器就會響一秒。反之,電路停振,蜂鳴器不響。圖4報警電路74ls121為不可重復(fù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,一旦被觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)以后,再加入觸發(fā)脈沖不會影響電路的工作過程,必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后,它才接受下一個觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度由Rext和Cext的大小決定。蜂鳴器的音響為1秒,由公式tw=0.69*Rext*Cext,設(shè)置74LS121的外接電阻和外接電容的值。蜂鳴器：有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器,沒有電路板而用黑膠封閉的一種是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源,所以只要一通電就會叫而無源內(nèi)部不帶震蕩源,所以如果用直流信號無法令其鳴叫。必須用2K-5K的方波去驅(qū)動它。另外,為了加大蜂鳴器的音量,用一個三極管驅(qū)動它。三極管接成共集電極輸出形式,電壓跟隨,增大電流?！?時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵,它要完成以下三項功能：主持人將控制開關(guān)撥到"開始"位置時,搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。2當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時,揚聲器發(fā)聲,搶答電路和定時電路停止工作。3當(dāng)設(shè)定的搶答時間到,無人搶答時,揚聲器發(fā)聲,同時搶答電路和定時電路停止工作。圖5搶答與定時時序控制電路根據(jù)上面的功能要求,設(shè)計的時序控制電路如圖5所示。工作原理是：主持人控制開關(guān)從"清除"位置撥到"開始"位置時,74LS175的輸出Q！=1,U9B輸出為1,借位信號為1,使U10A輸出為1,則時鐘信號CP能夠加到74LS192的時鐘輸入端,定時電路進行遞減計時。同時,在定時時間未到時,則74ls192的借位信號為1,U9A和U10A的輸出為1,使74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài),從而實現(xiàn)功能〔1的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時,Q?。?,U9B輸出為0,封鎖CP信號,則U10A輸出為0,定時器停止倒計時處于保持工作狀態(tài)；同時,U9A的輸出為0,使74ls175鎖存。也使U10B輸出為0,給了74ls121一個下降沿,使74LS121處于工作狀態(tài),給蜂鳴器一個一秒的高電平,從而實現(xiàn)功能〔2的要求。當(dāng)定時時間到時,則74ls192的借位信號為0,U10B輸出為0,有給了74ls121一個下降沿,使74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平。同時U9A輸出也為0,使74ls175鎖存,禁止選手進行搶答。同時,U10A輸出為0,封鎖CP信號,使定時電路保持0狀態(tài)不變,從而實現(xiàn)功能〔3的要求?！?元器件列表表1序號器件名稱數(shù)量備注174LS17514D觸發(fā)器274LS1921同步減法計數(shù)器3555定時器2連接成多諧振蕩與秒時鐘脈沖474LS211四輸入與門574LS112三輸入與門674LS472譯碼器774LS1211單穩(wěn)態(tài)振蕩器874LS321二輸入或門9單刀雙擲開關(guān)1總開關(guān)10有源蜂鳴器111BCD七段顯示器2共陽極12電容0.01μF2個10μF2個0.1μF1個13電阻510Ω8個10kΩ2個100kΩ1個150kΩ1個48kΩ2個

14復(fù)位開關(guān)4個用于選手搶答15三極管s80501個5、四路搶答器總電路圖圖6總電路圖四、設(shè)計過程中的問題和解決辦法〔1在用面包板測試電路功能時,剛開始發(fā)現(xiàn)蜂鳴器完全不響,然后上網(wǎng)找了幾個74ls121的連接電路,發(fā)現(xiàn)還是不行。然后就查看數(shù)電數(shù),知道如何連接了。但是蜂鳴器的聲音太小了,于是又采用三極管來放大電流。終于使它發(fā)出1秒的響亮聲音?！?在焊接電路的過程中,盡管已經(jīng)畫了元件分布草圖,但是依然有