龍巖學(xué)院基于數(shù)電模電的數(shù)字搶答

1、物理與機(jī)電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱： 四人競(jìng)賽搶答器 系 部： 電子工程系 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程Z （1）班學(xué)生姓名： 陳嘉俊 指導(dǎo)教師： 李建華、江曉玲 完成時(shí)間： 報(bào)告成績(jī)： 評(píng)閱意見(jiàn)： 評(píng)閱教師 日期 四人智力競(jìng)賽搶答器1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（一）總的指導(dǎo)思想對(duì)本次課程設(shè)計(jì)，原則上指導(dǎo)老師只給出大致的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)思路上不框定和約束同學(xué)們的思維，所以同學(xué)們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，有所發(fā)揮，并力求設(shè)計(jì)方案凝練可行、思路獨(dú)特、效果良好。（二）項(xiàng)目具體要求1、數(shù)字智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明：比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一槍答者，所設(shè)計(jì)的搶答器通常由數(shù)碼顯示、燈光、音響等多種手

2、段指示出第一搶答者。同時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)記分、犯規(guī)和獎(jiǎng)懲記錄等多種功能。設(shè)計(jì)要求：1)、基本部分搶答器可供四組使用，組別鍵(信)號(hào)可以鎖存；搶答指示用發(fā)光二極管(LED)。(1)記分部分獨(dú)立(不受組別信號(hào)控制)，至少用2位二組數(shù)碼管指示，步進(jìn)有10分，并且具有預(yù)置、遞增、遞減功能。(2)要求性能可靠、操作簡(jiǎn)便。(3)自制穩(wěn)壓電源。2）、發(fā)揮部分(1) 增加搶答路數(shù)。(2) 數(shù)碼管顯示組別鍵(信)號(hào)。(3) 自動(dòng)記分(受組別信號(hào)控制)：當(dāng)主持人分別按步進(jìn)得分鍵、遞增鍵或遞減鍵后能夠?qū)⒎种底詣?dòng)累計(jì)在某組記分器上）。(4) 超時(shí)報(bào)警。二、方案設(shè)計(jì)與論證1、設(shè)計(jì)方案搶答器具有鎖存、定時(shí)、顯示和報(bào)警功能。即當(dāng)搶

3、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。

4、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)。2、系統(tǒng)框圖 當(dāng)主持人宣布開(kāi)始，定時(shí)電路開(kāi)始秒脈沖電路的作用而進(jìn)行倒記時(shí)，并通過(guò)譯碼器在顯示器中顯示。報(bào)警電路給出聲音提示。當(dāng)選手首先按某一開(kāi)關(guān)鍵時(shí)，可通過(guò)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(kāi)關(guān)電平信息，同時(shí)為防止其它開(kāi)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(guò)來(lái)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(hào)碼。若有多個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)按下時(shí)，則在它們之間存在著隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，結(jié)果可能是它們中的任一個(gè)產(chǎn)生有效輸出。如圖1.揚(yáng)聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計(jì)時(shí)器譯

5、碼器數(shù)碼顯示揚(yáng)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(hào)的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡(jiǎn)便，但實(shí)際在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時(shí)比較繁瑣難實(shí)現(xiàn)。方案2：采用D觸發(fā)器和譯碼器來(lái)完成搶答部分。雖然元件較多，但在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時(shí)可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用搶答信號(hào)鎖存簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的方案2。然后利用軟件Protues來(lái)進(jìn)行仿真調(diào)試，再進(jìn)行逐步改進(jìn)。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算（一）單元電路設(shè)計(jì)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(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定74LS175的功能真值表即優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)

6、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。 圖2 搶答電路其工作原理為：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

7、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。 （2）定時(shí)電路 如圖3。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

8、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)。圖3 定時(shí)電路（3）報(bào)警電路由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警電路，但仿真中沒(méi)有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡(jiǎn)稱A1）來(lái)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(hào)和Q非的與信號(hào)和借位信號(hào)與在一起來(lái)提供的。當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)為低電平時(shí)，使得A1得到一個(gè)下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個(gè)寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會(huì)響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。 圖4 報(bào)警電路（4）時(shí)序控制電路 時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能：

9、1）主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 圖5 搶答與定時(shí)時(shí)序控制電路2）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 3）當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無(wú)人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路如圖5所示。 圖5中，U2與門74ls21作為搶答的控制信號(hào)；U12與門74ls11和U13與門74ls21的作用是控制時(shí)鐘信號(hào)CP的放行與禁止；U11與門74ls11的作用是控制74LS175的輸人脈端，U10的作用是控制74ls121的輸入脈沖端。工作原理是：主持人控制開(kāi)關(guān)從“清除”

10、位置撥到“開(kāi)始”位置時(shí)，74LS175的輸出 Q！=1，U2輸出為1，借位信號(hào)為1，則U12輸出為1，使U13輸出為1，則時(shí)鐘信號(hào)CP能夠加到74LS192的時(shí)鐘輸入端，定時(shí)電路進(jìn)行遞減計(jì)時(shí)。同時(shí)，在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，則“定時(shí)到信號(hào)”為1，U11和U13的輸出為1，使 74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能（1）的要求。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，Q！0，U2輸出為0，封鎖 CP信號(hào)，則U12輸出為0，使U13輸出為0，定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)處于保持工作狀態(tài)；同時(shí),U11的輸出為1使D觸發(fā)器觸發(fā)而輸出信號(hào) ，也使U10輸出為0，給了74ls121一個(gè)上升沿，使74LS121處

11、于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個(gè)一秒的高電平，從而實(shí)現(xiàn)功能（2）的要求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，則“定時(shí)到信號(hào)”為0，U10輸出為0，有給了74ls121一個(gè)下降沿，使 74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個(gè)一秒的高電平，禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí)，U13輸出為0，封鎖 CP信號(hào)，使定時(shí)電路保持0狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能（3）的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時(shí)間。 主要參數(shù)計(jì)算：脈沖發(fā)生電路： ?。? 0 得：10四、仿真過(guò)程與仿真結(jié)果（1）在設(shè)計(jì)方案時(shí)，遇到了信號(hào)不能鎖存的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)查找資料，了解如何通過(guò)D觸發(fā)器的輸出信號(hào)來(lái)反饋回D觸發(fā)器的脈沖端來(lái)進(jìn)行鎖存。（2）在仿真時(shí)遇到了555不能

12、仿真和沒(méi)仿真元件74ls121的問(wèn)題。通過(guò)翻閱書(shū)本了解555如何準(zhǔn)確使用和上網(wǎng)搜索74ls121的代替元件來(lái)解決。（3）當(dāng)焊完電路調(diào)試時(shí)，數(shù)碼管沒(méi)顯示。于是對(duì)照電路圖來(lái)逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳沒(méi)接上。例如數(shù)碼管的接地端沒(méi)接地、74ls192的CLR腳沒(méi)接地等等。五、總原理圖及元器件清單 表1 序號(hào) 器件名稱 數(shù)量 備注 1 74LS175 1 D觸發(fā)器2 74LS192 1 同步減法計(jì)數(shù)器3 555定時(shí)器 2 連接成多諧振蕩與秒時(shí)鐘脈沖4 74LS202 四腳與非門5 74LS11 2 三腳門6 74LS48 2 譯碼器7 74121 1 單穩(wěn)態(tài)振蕩器8 單刀雙擲開(kāi)關(guān) 5 9 揚(yáng)聲器 1 10

13、BCD七段顯示器 2共陰極11電容 512電阻 713三極管1四路搶答器總電路圖 圖6 總電路圖四路搶答器總PCB圖圖7 總PCB圖六、安裝與調(diào)試把電路焊好后，首先是對(duì)照電路圖逐一檢查電路有沒(méi)有漏焊，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)管腳沒(méi)接，于是細(xì)心地接上。然后用萬(wàn)用表逐一檢查有沒(méi)有虛焊或線路斷路或線路短路，但沒(méi)發(fā)現(xiàn)有虛焊等問(wèn)題。下一步就接通電源調(diào)試，但電路完全沒(méi)反應(yīng)，然后用電源逐個(gè)模塊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳還沒(méi)接上，于是在對(duì)照電路圖細(xì)心地檢查，改進(jìn)后再進(jìn)行接電調(diào)試，先測(cè)試脈沖的輸出，正常，如圖9和圖10。但下一步發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)是從“6”開(kāi)始，然后查找74ls192的相關(guān)資料才知道其輸出端不只是數(shù)字“9”才有“1

14、001”出現(xiàn)，在“6”的時(shí)候也是這樣（我把“1001”兩邊的“1”用或門或在一起作為反饋信號(hào)），所以修改電路圖把74ls192的反饋信號(hào)改接到其借位信號(hào)輸出端，再進(jìn)行調(diào)試，這次欣喜地發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，最后完善一下電路，宣告成品大功告成。七、性能測(cè)試與分析（一）、設(shè)計(jì)成品的優(yōu)點(diǎn)與不足優(yōu)點(diǎn)：元器件較少，功能滿足要求不足：在設(shè)計(jì)時(shí)，用了D觸發(fā)器來(lái)進(jìn)行搶答信號(hào)的篩選和鎖存，在同時(shí)按下S0和S1時(shí)（其同時(shí)按下的幾率較小，其可精確到微秒甚至納秒級(jí)，但情況還是會(huì)存在的）會(huì)顯示“3”，而按S2時(shí)也會(huì)顯示“3”，所以顯示“3”的幾率大一點(diǎn)，但幾率很小。(2) 可靠性：整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路分為四個(gè)部分，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，

15、每一部分都經(jīng)過(guò)了仔細(xì)的檢測(cè)，各部分功能完好；通過(guò)焊接搭接將各部分按電路圖連接成完整的搶答器電路，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，連接無(wú)誤，最終實(shí)現(xiàn)搶答器的功能，保證了搶答器電路的可靠性。(3) 易測(cè)性：搶答器電路由四部分構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，依次完成每部分，如果出現(xiàn)什么問(wèn)題，可以隨時(shí)檢測(cè)該部分的功能或連線是否出現(xiàn)故障。(4)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：該電路只是用發(fā)光二極管顯示結(jié)果，沒(méi)有聲音，沒(méi)有顯示，應(yīng)該還要接入一個(gè)蜂鳴器和LED顯示器。改良：可改用編碼器和鎖存器來(lái)代替D觸發(fā)器。（5）電路跳線較多，使得電路板外觀不好。改良：焊線路前應(yīng)細(xì)心考慮元件的排布和線路的連接。八、結(jié)論與心得 這一課程設(shè)計(jì)使我們將課堂上的理論知識(shí)有了進(jìn)步的了解

16、，并增強(qiáng)了對(duì)數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同時(shí)也暴露出我在知識(shí)上掌握不足等缺點(diǎn)。其次在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中由于我們頻繁的使用一電子設(shè)計(jì)軟件如：Multisim等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時(shí)在電腦的電子設(shè)計(jì)和繪圖操作上有了進(jìn)一步提高。加上在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，使得我得查找相關(guān)資料，從而增長(zhǎng)知識(shí)的同時(shí)增強(qiáng)解決問(wèn)題和動(dòng)手的能力，鍛煉我做事細(xì)心、用心、耐心的能耐。這一課程設(shè)計(jì)，使我向更高的精神和知識(shí)層次邁向一大步。所以在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，積極參加多種設(shè)計(jì)活動(dòng)，培養(yǎng)自己的綜合能力，從而使得自己成為一個(gè)有綜合能力的人才而更加適應(yīng)社會(huì)。九、參考文獻(xiàn)1閻 石數(shù)字電子電路. 北京：高等教育出版社.20072康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分