數(shù)字電子課程設計_4路搶答器課程設計報告

1、1 / 23四人智力競賽搶答器課程設計報告一、設計題目題目：四人智力競賽搶答器二、設計任務和要求1 )設計任務設計一臺可供 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， 也分別為 1，2，3, 4。(2) 給主持人設置一個控制按鈕，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

2、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

3、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、原理電路設計:1、方案比較;方案一:搶答電路：使用74IS175作為鎖存電路，當有人搶答時， 利用鎖存器的輸 出信號號將時鐘脈沖置零，74IS175立即被鎖存， 同時蜂鳴器鳴叫1s， 這時搶答 無效， 使用74IS148作為編碼器，對輸入的型號進行編碼，輸出4位的BCD碼, 再將這四位的BCD碼輸入共陰數(shù)碼管里顯示出搶答者的編號。主持人電路：；利用74IS190計數(shù)器作為倒計時的芯片，當主持人按下?lián)尨?按鈕時，74IS190

4、被置九，同時將顯示上次搶到題目的選手編號的數(shù)碼管清零， 并開始倒計時，并通過74IS48編碼器將即時時間進行編碼，并送到7段共陰數(shù) 碼管，顯示此時的時間。假如在9秒內(nèi)有人搶答，則計數(shù)器停止倒計時，將鎖存 器鎖存，禁止選手搶答，蜂鳴器鳴叫一秒，停止倒計時。鎖存電路采用CD4042來觸發(fā)，如果用CD4042則可以用低電平觸發(fā)，當有 人搶答時，利用鎖存器的輸出信號號將時鐘脈沖置零，CD4042立即被鎖存，同2 / 23時蜂鳴器鳴叫1s,這時搶答無效。此外當?shù)褂嫊r到0時，利用借位 RC0 端來將鎖存器的信號置零。而不是像方案一那樣使用max/min端。對以上兩個方案進行比較可以發(fā)現(xiàn)，兩個方案均能理論上

5、實現(xiàn)電路的功能， 但是從實際情況看，CD4042比較少見，很難買到這個芯片，而74IS175則很常見，比較容易買到。而在實際情況中，雖然74IS190的max/min端和 RC0 同樣是借位端，當時 RC0 只有半個周期的變化，并不能將時鐘信號置零，而max/min有一個周期的變化，所以用max/min比較合適。宗上所述，選擇第一個方案比較 合理。2、電路流程圖；整個電路如上圖所示，主要分為兩部分，一個是倒計時部分，一個是搶答電路， 其中搶答器電路由鎖存器電路，編碼器電路，譯碼器電路，數(shù)碼管顯示電路組成， 其中鎖存器電路可用1khz脈沖電路作為其時鐘端輸入脈沖，倒計時電路由倒計 時芯片，編碼器

6、電路路，數(shù)碼管顯示電路，倒計時采樣1hz的脈沖作為時鐘信號 輸入端。單穩(wěn)態(tài)電路可以控制蜂鳴器鳴叫的時間，按要求可設置為1秒鐘。3、單元電路設計；（1）、鎖存器電路的設計鎖存器電路采用以74IS175為中心的鎖存器系統(tǒng)， 當4個搶答輸入端中出現(xiàn) 低電平輸入時信號時，鎖存器立即鎖存，禁止搶答，其原本為4個高電平的輸出 端也變成3高一低，可以利用一個4輸入與非門將其與非，再接一個非門后，可3 / 23以與74IS175的時鐘信號相與非，使得CLK端的輸入信號為底電平，從而阻止其 余選手的搶答，從而達到鎖存的目的74IS175的真值表如下：InputsOutpiitEGlurClockDQQtLXXL

7、HHTHHLHtLLHHLXQ-.V鎖存器的單元電路設計如下:-5445S3S3一?CLRCLKW2D3D4DCLRCLKW2D3D4D(2)、編碼器電路的設計編碼器采樣74IS148作為編碼芯片，將輸入的信號進行編碼，然后輸出2二進制碼，由于74IS175為優(yōu)先編碼其， 故需要將其未用到的高優(yōu)先級的端和74IS175的輸出的4與非端進行連接，避 免在無人搶答時輸出型號。74IS148的真 值表如右圖：INPUTSQUTPUTSEl 0 11 3 45 $ ?AZ Al ACKG3 EOHXXXXXXXXH H HHHL H H H H H H H HH H HHLLXXXXXXKLILL.H

8、L X X X M X X L HL L HLHL X X X M X IL H HL H ILLHLXXXXLHHHL H HLH|L工冥X L M H H HH L LLHL X X L H H H H HH L HLHLJtLHHHHHHH H L-HL L H H H H H H HH H HHmrii41500k1Q1Q3Q2Q3Q1Q1Q3Q2Q3Q邁4Q4Q4Q4Q74LS175SN74L5148FUNCTION TABLE4 / 23編碼器電路如下:(3)、譯碼器電路和數(shù)碼管顯示電路的設計搶答部分和倒計時部分的譯碼器均采用74IS48芯片，而數(shù)碼管則選擇與之 相對應的7段共陰數(shù)

9、碼管搭配，為避免電路過小，可在譯碼器與數(shù)碼管間接上拉 電阻以增大電流，上拉電阻選用1k的9針排阻。譯碼器電路和數(shù)碼管顯示電路設計如下:5 / 23It emInputsOutputsRBIi.Ca abcd de ef J(rwrtPHL4 4 5V5VGNDGNDGNDGND:州oirroirrOUTOUT OUTOUTOUTOUT亦GMDGMDGNDGND45V45VININ一OUTOUT4.5V4.5VGNDIGNDI1 14.5V4.5V4.5V4.5V璃OUTOUTOUTOUTOUTOUTOUTOUTOUTOUTGSDGSD1 -GNDGNDGNDGND加D DOUTOUTOllio

10、irrOUTOUTOUTOUTOUT(4)、倒計時電路的設計倒計時電路采用74IS190作為倒計時芯片，并將其輸入端置九，elk信號輸 入端采樣1hz的信號輸入，同時可利用其借位輸出端MAXMIN來控制搶答端，并 且可以讓電路在到零時保持。74IS190真值表如下：三| s輸CFA輪出QUQDSQCC/QC CPQCRAa aC DQAQBDBVXLXXdod 1d 2d 3d od 1d 2 d3LHHLL-XXXX加計數(shù)HK XHHLHXXXX減計XL XHHH冥XKXX保持倒計時單元電路如下:6 / 23(5)、時鐘電路的設計在本電路中需要兩種時鐘脈沖，一種是給74IS175提供的1kh

11、z脈沖信號, 另一種是給倒計時電路74IS190提供的1hz，根據(jù)555多諧振蕩器的頻率計算公 式：1(R,2R2)C In2TWO8RTCT(107)我們可以選擇R為36k，C為1OOuf，則在誤差許可范圍內(nèi)，鳴叫時間大約是INPUTSOUTPUTSnRnRD DnAnAnBnBnQnQnQnQLXXLHX XHX XL LZ ZX XX XL LL LH HH HL LTJIVH HLH_TL Ur rLH Hnu u蜂鳴器采用有源蜂鳴器，為避免 單穩(wěn)態(tài)電路輸出端電流不足，可以使 用一個NPN三極管來驅(qū)動蜂鳴器鳴 叫。單穩(wěn)態(tài)電路及蜂鳴器電路如下：o可以求得1hz的電路電阻均取47k，電容取

12、10uf，而1khz電路的電阻取4.7k，電容取O.1uf為保證蜂鳴器鳴叫時間為一秒，可以使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路來實現(xiàn)，單穩(wěn)態(tài)電 路的芯片可以選擇74IS123。根據(jù)74IS123的暫穩(wěn)態(tài)計算公式：1秒。74Is123的真值表如下:7 / 23搶答電路：使用74IS175作為鎖存電路，當有人搶答時， 利用鎖存器的輸 出信號號將時鐘脈沖置零，74IS175立即被鎖存，同時蜂鳴器鳴叫1s,這時搶答 無效，使用74IS148作為編碼器，對輸入的型號進行編碼，輸出4位的BCD碼, 再將這四位的BCD碼輸入共陰數(shù)碼管里顯示出搶答者的編號。主持人電路：；利用74IS190計數(shù)器作為倒計時的芯片，當主持人按下?lián)?/p>

13、答 按鈕時，74IS190被置九，同時將顯示上次搶到題目的選手編號的數(shù)碼管清零， 并開始倒計時，并通過74IS48編碼器將即時時間進行編碼，并送到7段共陰數(shù) 碼管，顯示此時的時間。假如在9秒內(nèi)有人搶答，則計數(shù)器停止倒計時，將鎖存 器鎖存，禁止選手搶答，蜂鳴器鳴叫一秒，停止倒計時。5、整體電路。（具體清晰電路請詳見附件）8 / 23電路元件清單:名稱及標號型號及大小封裝形式數(shù)量鎖存器74IS175DIP161個編碼器74IS148DIP161個譯碼器74ls48DIP162個計數(shù)器74IS190DIP161個4與非門74ls20DIP142個2與非門74IS00DIP141個非門74IS04DI

14、P141個556NE556NDIP141個單穩(wěn)觸發(fā)器74IS123DIP141個復位開關(guān)SW-PBSW-PB5個電阻200 QAXIAL-0.35個47kAXIAL-0.32個35kAXIAL-0.31個4.7kAXIAL-0.32個10kAXIAL-0.31個10QAXIAL-0.31個電容100ufRB.3/.61個10ufRB.2/.4一個104RAD-0.21個103RAD-0.12個九針排阻1kSIP92個7段共陰數(shù)碼管2個NPN三極管8050T092-A2個9 / 23蜂鳴器1個四、電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果：先按照設計圖各個單元電路進行仿真，并對各個電路的性能及波形進行測試，發(fā)現(xiàn)電

15、路的缺點和不足之處，例如74IS190的借位輸出端 RC0 端雖然在倒計時到0時有低電平出現(xiàn)，但是時間只有半個周期，無法與信號與非，故不能用 來和鎖存觸發(fā)器，必須用maxmin代替。當調(diào)試好各個單元電路時，對各個電路 進行連接組裝，連接好后對電路總的性能進行調(diào)試，看各部分的功能能達到要求。本電路在連接后，經(jīng)測試，各部分的功能均能實現(xiàn)，顯示正確五、總結(jié)本電路使用了鎖存器，編碼器，譯碼器數(shù)碼管等構(gòu)成倒計時電路使用了74IS190等電路實現(xiàn)倒計時，并利用使能端及門電路，實現(xiàn)各項鎖存，鳴叫，清 零等功能，總結(jié)如下：優(yōu)點：電路功能原理清晰，各項功能均達到了要求，顯示準確，反應靈敏， 無競爭冒險現(xiàn)象，基本

16、滿足了普通競賽的搶答要求。缺點：如果長按住按鈕不放，主持人清零后將能獲得搶答權(quán)，且由于編碼器 電路是優(yōu)先編碼器，所以如果兩人搶答時間間隔在1ms以內(nèi)，將出現(xiàn)編號靠前的 選手獲得搶答權(quán)的情況。改進：可以更改促發(fā)器的類型，如使用jk觸發(fā)器代替，則長按無效，或者 在搶答端添加一個發(fā)光二極管，當有人作弊，二極管就會亮，從而阻止選手長按 按鈕的缺陷。心得體會:通過這次課程設計，我對于數(shù)字電路知識有了更深的了解，尤其是對數(shù)字邏輯芯片的性能和使用方面的知識有了進一步的研究。同時實物的制作也提升了我的動手能力，實踐能力得到了一定的鍛煉，加深了我對數(shù)字電路設計方面的興趣。理論與實踐得到了很好的結(jié)合。一，搶答器介

17、紹:搶答器適用于各類知識競賽，文娛綜藝節(jié)目，尤其是各類知識競賽，除了了可以把各搶答組 號，違例組號，搶答規(guī)定時限，大體時間倒計時等在儀器等在儀器面板上顯示外，還可以接大屏幕顯示屏顯給觀眾，既可以活躍現(xiàn)場氣氛，又便于監(jiān)督，做到公平競爭。例如：三星智 力快車等大家耳熟能詳?shù)墓?jié)目。二，功能要求：（1） 本例中的搶答器最多可供 4 名參賽選手使用，編號為 14 號，各隊分別用一個按鈕（分別為 S1S4）控制，并設置一個由主持人控制的系統(tǒng)清零，加分控制開關(guān)S，倒計時開關(guān)。（2） 搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能，并將鎖存數(shù)據(jù)用 LED 數(shù)碼管顯示出來，同時蜂鳴器發(fā)出 聲響，主持人清零后，聲音提示停止。10 / 2

18、33)搶答器先后的分辨率為 1ms.4)開關(guān) S 作為清零及搶答器控制開關(guān)，當開關(guān) S 被按下時，搶答電路清零，松開后則 允許搶答。輸入搶答信號由搶答按鈕開關(guān) S1S4 實現(xiàn)。5)有搶答器信號輸入(開關(guān) S1S4 中任意一個開關(guān)被按下)時，顯示出對應的組別號 碼，此時再按下其他任何一個開關(guān)無效，指示燈依舊“保持”第一開關(guān)按下時所對 應的狀態(tài)不變。6)加分電路由主持人控制，每次加分為一分，如果一人答錯，則由剩下的人再搶答， 直至回答正確為止，倒計時電路是20 秒倒計時電路。三，總電路：11 / 23四，使用說明：在總電路中，為了方便看圖，我只畫出了一號的號碼顯示電路，計分電路，聲音發(fā)生電路。二號，三號