電子線路課程設(shè)計基于Multisim的八路搶答器的設(shè)計與仿真

1、信息工程學(xué)院課程設(shè)計報告書題目: 基于multisim的八路搶答器的設(shè)計與仿真 課 程：電子線路課程設(shè)計專 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2014年 1 月 8 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級） 設(shè)計題目基于multisim的八路搶答器的設(shè)計與仿真設(shè)計技術(shù)參數(shù)8個可彈起按鈕74ls148優(yōu)先編碼器d觸發(fā)器作為鎖存器電路七段顯示數(shù)碼管控制清零和工作的按鈕設(shè)計要求1、電路搶答器可供不少于8名參賽選手使用2、每名參賽選手各有一個搶答按鈕，在主持人用按鈕清零，并發(fā)現(xiàn)搶答指令后，實行搶答3、電路配有l(wèi)ed數(shù)碼顯示，能顯示優(yōu)先搶答的選手編號，

2、同時配有語音提示電路。4、數(shù)碼顯示和語音提示可由主持人用清除按鈕解除；5、電路對參賽選手的動作先后有較強的分辨能力，如分辨率在15ms以內(nèi)。參考資料1 王松武,于鑫，武思君.電子創(chuàng)新設(shè)計與實踐2 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分4 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分5 華成英.電子技術(shù)北京6 趙淑范等.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計7賈更新.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗設(shè)計與仿真8楊旭東等.實用電子電路精選9 王港元等.電子電工實踐指導(dǎo)10 任致程等.經(jīng)典集成電路400例11 謝自美等.電子線路設(shè)計.實驗 2014年1 月8日 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)（班級）： 課程設(shè)計題目： 基于mult

3、isim的八路搶答器的設(shè)計與仿真 成績： 指導(dǎo)教師： 2014年 1 月 8日信息工程學(xué)院課程設(shè)計成績評定表 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，那么也就必然離不開搶答器。因此搶答器是機關(guān)學(xué)校、電視臺等單位開展智力競賽活動必不可少的設(shè)備，通過搶答者的按鍵、數(shù)碼顯示等能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出優(yōu)先搶答者。本產(chǎn)品采用了數(shù)字顯示器直接指示，自動鎖存顯示結(jié)果，并自動復(fù)位的設(shè)計思想，由數(shù)字電路以及外圍電路組成，分為八路搶答；在搶答同時附有

4、聲音輸出接口，提示主持人此時已完成這次的搶答。數(shù)字搶答由主體電路與擴展電路組成。主體電路包括兩部分：一部分是優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示在led上的輸出電路；另一部的分式控制電路和報警電路。通過布線、調(diào)試等工作后搶答器成形。關(guān)鍵字：搶答電路；定時電路；報警電路；ledabstractwith the development of science and technology,promote learning science,scienceand technology,many kinds of means ofknowledgediversity.responder

5、as a tool,has been widely used inall kinds ofintelligence and knowledge competitionsoccasions,modern societyincreasingly fierce competition,talent,knowledge contestwinners,such activitiesbecome more frequent,then it certainlycannot do withoutresponder.so theresponderorganizations and schools,televis

6、ion stations and otherunits to carry outintelligence contest activitiesessential equipment,theresponderbutton,the digital displaycan be accurately,justice,intuitive judgmentpreferredresponder.the product adopts thedigital display direct instructions,automatic latchdisplay results,anddesign idea ofau

7、tomatic reset,composed ofdigitalcircuitand the external circuit,divided intoeight road;in the answerat the same time withthe sound outputinterface,indicating that the hostat this time has beencompletedthisvies to answer.answer the numberfrom the main circuit and expansion circuit.the main circuitcon

8、sists of two parts: one isthe priority encoder circuit,latch,decoder circuit will be the teamsinputsignal in thedisplay output circuiton led;fractionalcontrolcircuit and an alarm circuitto anotherdepartment.through thewiringandcommissioning workresponderforming.keywords:answer circuit;timing circuit

9、;alarm circuit;led目 錄1 任務(wù)提出與方案論證11.2 搶答器目前存在的主要問題11.3搶答器的工作原理簡介21.4搶答器的工作過程22總體設(shè)計42.1總體設(shè)計框圖42.2工作流程框圖52.3整體電路圖如下：63詳細(xì)設(shè)計及其仿真93.1主要元器件功能介紹93.1.1搶答按鈕93.1.2、優(yōu)先編碼電路93.1.3、鎖存器103.1.4、數(shù)碼顯示器123.1.5、主持人控制開關(guān)133.1.6、控制電路143.1.7、報警顯示電路153.2功能模塊詳解153.3 顯示模塊：174總結(jié)18參考文獻(xiàn)201 任務(wù)提出與方案論證1.1 課題研究的相關(guān)背景當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評

10、選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，如果要是讓搶答者用舉手等方法，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設(shè)備作為裁判員，這就必然離不開搶答器。搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機或數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)

11、在的搶答器有著數(shù)字化，智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識競賽越來越多，操作簡單，經(jīng)濟實用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數(shù)字搶答器這一課題。簡易邏輯數(shù)字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴展電路。通過這次課程設(shè)計,了解簡單多功能數(shù)字電路搶答器的組成原理，初步掌握數(shù)字電路搶答器的調(diào)整及測試方法，提高思考能力和實踐能力。同時通過本課題設(shè)計，鞏固已學(xué)的理論知識，建

12、立邏輯數(shù)字電路的理論和實踐的結(jié)合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法。1.2 搶答器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。目前多數(shù)搶答器存在3個不足之處：首先，現(xiàn)場線路連接復(fù)

13、雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。其次，電路復(fù)雜。因為簡單邏輯電路只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用簡單邏輯電路掃描技術(shù)識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大，最后導(dǎo)致容易出現(xiàn)選手搶按成功現(xiàn)象。1.3搶答器的工作原理簡介如圖1.1所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵

14、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。擴展電路完成檢測數(shù)碼管工作情況。其工作原理為：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)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置于開始狀態(tài)，宣布開始搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。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)。圖1.1 搶答器結(jié)構(gòu)框圖1.4搶答器的工作過程 （1）如果想調(diào)節(jié)搶答時間或答題時間,按加一鍵或減一鍵進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài),此時會顯示現(xiàn)在

15、設(shè)定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下加1s鍵,如果想減一秒按一下減1s鍵，時間led上會顯示改變后的時間，調(diào)整范圍為099s, 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。 （2）主持人按搶答開始鍵，會有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計時（預(yù)設(shè)15s搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進(jìn)入回答倒計時（預(yù)設(shè)10s搶答時間），不進(jìn)行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于5s會每秒響一下提示音。 （3）如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按停止按鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人按搶答開始進(jìn)入下次搶答計時。 （4）如果主持人未按搶答開始鍵，

16、而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，led上不斷閃爍ff和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下停止 鍵為止。2總體設(shè)計對同一種目的的實現(xiàn)，可以用不同的方案，下面就著重介紹以下兩種方案對同一目的的實現(xiàn)方法，并比較兩種方案的優(yōu)劣。2.1總體設(shè)計框圖 如下圖所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)按下即為“清零”狀態(tài)，清零指示燈滅，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關(guān)斷開即為“開始”狀態(tài)，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當(dāng)有人搶答時，蜂鳴器發(fā)出聲響并且燈不斷閃爍。選手進(jìn)行搶答時，搶答器將完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、蜂鳴器鳴叫及燈閃爍的提示等操作。當(dāng)一輪搶答之后，禁止二次搶答

17、。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)。搶答按鈕（8個）優(yōu)先編碼電路（74ls138）鎖存器（d觸發(fā)器）數(shù)碼顯示器 主持人控制 開關(guān)報警顯示電路控制電路具體的說明如下： 1、搶答器按鈕就是改變輸入的電平信號，從原理圖可以看出這里設(shè)計的是是低電平有效。 2、優(yōu)先編碼電路用來把輸入的高低電平信號編碼，74ls148優(yōu)先編碼器及83編碼器，輸出3位2進(jìn)制數(shù)，以代表不同的低電平信號。 3、鎖存器用的是d觸發(fā)器，因為d觸發(fā)器結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，方便使用。d觸發(fā)器使用4個，第四個除用來輸出2進(jìn)制數(shù)的最高位外，還用于控制信號的鎖定，即觸發(fā)或鎖定觸發(fā)器的工作狀態(tài)。 4、數(shù)碼顯示器用帶譯

18、碼功能的數(shù)碼管。使用簡單、方便 。 5、主持人控制開關(guān)就是一個開關(guān)，用來清零和開始工作，設(shè)置了一個指示燈，當(dāng)指示燈亮表示開始，滅了表示開關(guān)閉合主持人清零。 6、控制電路，除了第四個d觸發(fā)器和主持人的開關(guān)外，還需要8個搶答器按鈕組成的8輸入與非門和第四個觸發(fā)器用一個與門共同組成一個控制電路來控制信號的傳輸和鎖定。 7、報警顯示電路，用一個蜂鳴器和一個燈作為報警信號，所以選擇一個led燈來表示信號的鎖定。為了使更明顯一些，給led燈加了個連續(xù)脈沖信號，以使燈能夠按我們需要的頻率一閃一閃。另外，還用到一些其他的與非門和或非門，都是一些實驗室常用的器件。 2.2工作流程框圖工作流程框圖如圖4.2所示。

19、建一數(shù)據(jù)庫建一原理圖文件建一原理圖文件元件制作未知元件建一原理圖文件建一元件庫文件特殊元件設(shè)計特殊元件設(shè)計原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計否否檢查并生成網(wǎng)絡(luò)文件元件布局布線檢查并生成網(wǎng)絡(luò)文件文件的保存圖42 工作流程框圖 2.3整體電路圖如下： 圖中的一個8輸入的與非門，當(dāng)有選手按按鈕時，通過它產(chǎn)生一個高電平信號，此高電平信號與由第四個觸發(fā)器的q端初始的高電平信號通過與門u10來觸發(fā)觸發(fā)器，又通過q端的低電平信號來鎖住信號。優(yōu)先編碼器用來對輸入的信號編碼為三位的二進(jìn)制數(shù)，因此輸出信號最多顯示到111代表十進(jìn)制的7，而000是我們不需要的，所以我們通過一個3輸入的或非門加到數(shù)碼顯示管的第四個管腳，當(dāng)信號為0

20、00時第四個管腳為高電平，這樣顯示8這個數(shù)。后面在給小燈加個脈沖信號來使他閃爍起來。仿真結(jié)果如下：3號先搶答7號先搶答3詳細(xì)設(shè)計及其仿真3.1主要元器件功能介紹3.1.1搶答按鈕選用8個可彈起按鈕作為搶答按鈕。如下圖所示：3.1.2、優(yōu)先編碼電路 采用74ls148優(yōu)先編碼器作為編碼電路。74ls148編碼器功能表如下：74ls148功能表74ls148n是一個優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器是數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理的一個重要邏輯部件。一般編碼器的輸入端只能有一個為有效信號，才能進(jìn)行編碼。優(yōu)先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。優(yōu)先編碼器的每個輸入具有不同的優(yōu)先級別，當(dāng)多個輸入信

21、號有效時，它能識別輸入信號的優(yōu)先級別，并對其中優(yōu)先級別最高的一個進(jìn)行編碼，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出代碼。輸入端： 輸出端： a0a2（低電平有效）使能輸入端：低電平有效eo使能輸出端：當(dāng)=0時，eo=1表示有有效信號輸入擴展輸出端：=0時，表示編碼器工作，=1時表示編碼器不工作其真值表如下：（輸入信號低電平有效）3.1.3、鎖存器 此設(shè)計電路選用d觸發(fā)器作為鎖存器電路。d觸發(fā)器的邏輯功能表如下所示： d觸發(fā)器的特性表cpdqnqn+1xxqnqn+101000010100110101111 d觸發(fā)器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發(fā)的特點，當(dāng)時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端d的值傳輸?shù)捷敵龆恕Ｕ嬷当砣缦?/p>

22、：3.1.4、數(shù)碼顯示器 數(shù)碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數(shù)碼管。 功能表如下：數(shù)字 4 32101234567890000000011000011110000110011000101010101 3.1.5、主持人控制開關(guān)用于控制清零和工作的按鈕。3.1.6、控制電路 控制電路由觸發(fā)器和輸入信號一起控制電路的工作。原理：如上圖所示，4個觸發(fā)器的置數(shù)端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發(fā)器的q非端為1，當(dāng)輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發(fā)器開始工作，經(jīng)過觸發(fā)器將信號傳輸?shù)斤@示數(shù)碼管，而第4個觸發(fā)器q非端變?yōu)榈碗娖?，返回到與門鎖定觸發(fā)器的狀態(tài)，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。3.

23、1.7、報警顯示電路實驗選擇燈來表示信號的鎖定。3.2功能模塊詳解設(shè)計的電路可分為三個主要模塊：編碼模塊、信號鎖定模塊和顯示模塊。下面分別對三個模塊進(jìn)行說明和仿真。 3.2.1、編碼模塊：編碼部分主要利對74ls148，電路原理圖如下，并進(jìn)行了功能的仿真。上面電路是對編碼部分的功能仿真，74ls148是低電平有效的優(yōu)先編碼器，輸出端a0a1a2輸出的二進(jìn)制正好與十進(jìn)制對應(yīng)。例如開關(guān)3接低電平，則輸出a0a1a2=011，數(shù)碼管將會顯示3從仿真結(jié)果中可看出編碼這一模塊的功能是正確的。 3.2.2、 信號鎖定模塊：工作原理：接通電源清零后，四個觸發(fā)器的pr置位端都是低電平，輸出q為0，q為1，當(dāng)有

24、低電平信號時，或非門為1，與門輸出為1，四個觸發(fā)器都開始工作，由于第四個觸發(fā)器的輸入端一直是1，所以使輸出端q為1，q為0，u4輸出變?yōu)?，鎖住觸發(fā)器的狀態(tài)，這樣來鎖住信號的，當(dāng)進(jìn)行下一次工作時必須要清零。仿真結(jié)果請查看附件中的swf屏錄文件。3.3 顯示模塊：顯示電路就是一個dcd4線的數(shù)碼顯示管，他的輸入二進(jìn)制正好與十進(jìn)制對應(yīng)，在上面的仿真實驗中都用到了數(shù)碼管。4總結(jié)從上面的仿真結(jié)果看，電路基本滿足要求。此次設(shè)計雖然很簡單，但是卻也花了不少時間，設(shè)計所用到的知識都是老師在后半學(xué)期給我們詳細(xì)講過的數(shù)電知識，如：編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等等，在設(shè)計之前要清楚應(yīng)該包括哪些功能模塊，并且要對每個功能

25、模塊進(jìn)行仿真驗證，最后再綜合起來仿真驗證，一般不會一次性驗證通過，那么久要結(jié)合所學(xué)知識去判斷哪里還不夠完善的地方，找到進(jìn)行修改完善，一步一步的將所需的功能實現(xiàn)。 這次設(shè)計不但可以讓我再次認(rèn)真去復(fù)習(xí)這些知識，而且很重要的一點是能提高我獨立思考的能力以及設(shè)計思想，在設(shè)計過程中肯定是少不了自己的獨立思考，那么在思考的過程中可以很好的鞏固知識以及學(xué)到更多新知識、活躍思維以提高創(chuàng)新能力！在以下方面有待提高 1、設(shè)計 因為是初次接觸，剛開始無從下手，通過上網(wǎng)查資料（網(wǎng)上的電路圖基本上錯了，還好多是copy別人的）知道大概如何做，經(jīng)過整理開始做搶答電路，做搶答電路是我從選了芯片74ls148一個測看輸出是否

26、和我先前計算的一樣，同時可以熟悉這一芯片，如些到整個作品完成。在開始選擇了138這塊芯片做但后面遇到問題（驗證電路上有分析）放棄了。在這個設(shè)計中第一次用到數(shù)碼管這個器材，在沒有對其充分了解的情況下就用了，但一直沒有結(jié)果（沒顯示）直到上課聽到老師說數(shù)碼管有共陰、共陽之分，要求接地或接電源。定時電路由禹龍設(shè)計的，他從網(wǎng)上了解到用74ls192,我把各個芯片的資料從網(wǎng)上找到后，選擇了高低位，知道進(jìn)位與信號輸入及輸出后輕松搞定。對于時鐘脈沖產(chǎn)生器的設(shè)計，因為有了上學(xué)期555的學(xué)習(xí)，通過參考8.4.4節(jié)-用555定時器組成的多諧振蕩器，很快設(shè)計出來，但在檢測時放在仿真中并不是1s，這一問題還是通過多次實

27、驗測出。整體的控制中，因為熟悉了芯片還是比較容易出來。如對搶答器的鎖存，可以通過74ls148的使能端ei來控制，最后計數(shù)到零后74ls192的進(jìn)位端是輸出高電平，而148使能端要ei=0時充許輸入，所以加一個非門。2、實物焊接 開始我想走錫線，所以花了很多時間放在布線上，但一焊接才知道走錫線不是那么容易，也就只能走錫線了。焊接了要事先想好，如比須知道每塊芯片的引腳，當(dāng)然也要熟悉接線圖，并且要有先后順序來焊接，我在焊接48時因為沒想好，先焊了兩個中間沒焊，后面就不好焊，把電線的絕緣皮搞壞了。后面又因為焊槍不給力好多引腳接到一起了，花了很多時間來開分，所以工期也長了。這種情況還會使心情浮燥，甚至不想焊了，所以焊接時一定要心平氣和，沉著冷靜，仔細(xì)的想好，盡量一步到位。3、檢查 由于時間緊，又要做信號實驗，有些引腳沒焊上，導(dǎo)致實物不行，在排查中我先排電源和地線，這兩線要連所有芯片，必須一個不落。開始我的定時芯片沒有顯示，我以為是芯片壞了，但經(jīng)過檢查，是因為沒有接地而造成的，接上就ok了。這次的實品沒做好，我想花點時間一個一個的排查，一塊塊芯片的來。這次電子設(shè)計雖然花了很多時間，但是很值得，不但熟悉了很多芯片的功，學(xué)到了在上課學(xué)不到的東西通過自己分析和設(shè)計更好地運用了它們，而且還學(xué)會了它們更多的功能，發(fā)現(xiàn)它們的功能遠(yuǎn)比書上說的多很多，可以利用不同的