八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-搶答器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

...wd......wd......wd...數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目:八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)姓名:專業(yè):電子科學(xué)與技術(shù)班級:122班學(xué)號:導(dǎo)教師:20年月日安徽科技學(xué)院理學(xué)院八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)題目〔與實(shí)習(xí)目的〕〔一〕、題目：八路智力競賽搶答器設(shè)計(jì)〔二〕、實(shí)習(xí)目的：1．進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識。2．熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應(yīng)用，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會使用其進(jìn)展電路設(shè)計(jì)。3．了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，學(xué)會科學(xué)分析和解決問題。4．培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。5．?dāng)?shù)點(diǎn)課程實(shí)驗(yàn)是大學(xué)中為我們提供的唯一一次動手實(shí)踐的時機(jī)，增強(qiáng)動手實(shí)踐的能力。二、任務(wù)和要求實(shí)現(xiàn)搶答器的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機(jī)、單片機(jī)等，都可以組成搶答器系統(tǒng)?！?〕搶答器設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個搶答器，基本要求：1.搶答器可以實(shí)現(xiàn)基本搶答；可同時供8名選手或8個代表隊(duì)參加比賽，他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。2．給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零〔編號顯示數(shù)碼管滅燈〕和搶答的開場。3．搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開場后，假設(shè)有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號，同時揚(yáng)聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，制止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。三、總體方案的選擇〔1〕總體方案的設(shè)計(jì)針對題目設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過分析與思考，擬定以下二種方案：方案一：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先搶答的選手的編號鎖定，再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報(bào)警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報(bào)警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他局部電路通過門電路實(shí)現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報(bào)警局部電路的控制。主體框圖如下：圖1八路智力搶答器方案一設(shè)計(jì)框圖方案二：主持人按動開場搶答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產(chǎn)生報(bào)警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答，30秒減計(jì)數(shù)器減到00時也會發(fā)出報(bào)警信號，此是完成計(jì)時功能。主體框圖如下：圖2八路智力搶答器方案二設(shè)計(jì)框圖〔2〕總體方案的選擇相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：這種方案原理比較簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能，在有選手搶答后或者計(jì)時開場和完畢時。既減少了布線使整個電路更直觀簡單，又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。四單元電路的設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)所使用的元件及工具：74LS48----------------------------3個；74LS279-----------------------------------1個；74LS192--------------------------------2個；74LS148---------------------------------------1個；74LS00----------------------------------3個；74LS10-------------------------------------------1個；發(fā)光二極管---------------------------------------------------1個；555-----------------------------------------------------1個；電容：0.1μf----------------------------------------------1個；0．01μf-----------------------------------------------1個；電阻：10kΩ---------------------------------------------------------------------9個；15KΩ----------------------------------------------1個；1kΩ------------------------------------------------1個；68KΩ------------------------------------------------1個實(shí)驗(yàn)板一塊；萬用表一個；鉗子一個；導(dǎo)線假設(shè)干。2.各個單元電路〔1〕搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此，選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及譯碼顯示電路完成上述功能。搶答器電路工作原理：SW1-8為八位選手的搶答開關(guān)，SW9單刀雙擲開關(guān)設(shè)為主持人控制開關(guān)。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于清零狀態(tài)時，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端全部為低電平。于是74LS48的BI為高，顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST為高電平，74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當(dāng)SW9置于開場狀態(tài)，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)。74LS279的1R、1S均為高電平，由真值表可知，輸出1Q為低電平，從而使74LS148輸入使能端為低電平有效，即搶答器處于等待工作狀態(tài)。假設(shè)有選手〔假設(shè)為3號選手〕按動搶答開關(guān)〔即閉合SW4〕，此時優(yōu)先編碼器74LS148輸入端I3接低電平有效，那么輸出A2A1A0為100，A2A1A0分別接至4S、3S、2S，根據(jù)RS鎖存器真值表，2Q3Q4Q輸出分別為110，從而74LS48的輸入端DCBA為0011，經(jīng)74LS48譯碼，顯示器上顯示〔2〕定時電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求搶答器具有定時功能，且節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，可設(shè)定一次搶答的時間〔設(shè)為30s〕。設(shè)計(jì)中選用十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)展設(shè)計(jì)，74LS192是具有置數(shù)和清零功能,其引腳圖和邏輯圖如圖10所示。圖1074LS192引腳圖和邏輯圖P0、P1、P2、P3——置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；Q0、Q1、Q2、Q3——計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)輸出；CR————————清零端；LD————————置數(shù)端；CPu———————加法計(jì)數(shù)CP輸入；CPd———————減法計(jì)數(shù)CP輸入；CO————————進(jìn)位輸出端；BO————————借位輸出端。表574LS192真值表根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要兩片74LS192構(gòu)成100進(jìn)制減計(jì)數(shù)器。由功能真值表可知，只需將個位74LS192的借位輸出端BO與十位74LS192的CPd即可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制減計(jì)數(shù)。值得注意的是，要使其實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)，CPu端口必須接高電平。計(jì)數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖11所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。圖11多諧振蕩器因?yàn)橹芷跒橐幻?，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：t1=RB×C×ln2≈0.7RB×Ct2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C所以555的3端輸出的頻率為：f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]我們采用的電阻和電容值分別是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。由以上集成芯片設(shè)計(jì)的定時電路如圖12所示。圖12定時電路工作原理：首先主持人根據(jù)題的難易程度改變74LS192的輸入端D3D2D1D0的電平來確定搶答時間〔假定為30秒〕，555構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路為計(jì)時電路提供脈沖。搶答開場前主持人閉合開關(guān)，74LS192的置數(shù)端PL為低電平有效，處于置數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時時間。搶答開場，主持人翻開開關(guān)，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，555產(chǎn)生的秒脈沖與十位74LS192借位輸出端〔其初始狀態(tài)為高電平〕相與。計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)至00，十位74LS192借位輸出端為低電平，計(jì)數(shù)器停頓工作，產(chǎn)生報(bào)警。計(jì)時期間有人搶答，減計(jì)數(shù)器停頓計(jì)時，顯示器上顯示此刻時間?！?〕報(bào)警電路設(shè)計(jì)由555定時器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖13所示。圖中555定時器用來構(gòu)成多諧振蕩器，其震蕩頻率和秒脈沖產(chǎn)生電路中頻率的計(jì)算方法一樣。3端的輸出信號經(jīng)過三級管驅(qū)動揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號。當(dāng)4端的輸入信號是高電平時，振蕩器工作，有報(bào)警信號，4端輸入低電平時，振蕩器不工作，沒有報(bào)警信號。也就是說需要報(bào)警時只需控制輸入端即可。電路圖如下:圖13報(bào)警電路〔4〕時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要完成以下三項(xiàng)功能：a.主持人將控制開關(guān)撥到“開場〞位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。b.當(dāng)競賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停頓工作。c.當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停頓工作。本設(shè)計(jì)中采用門電路對控制開關(guān)、搶答電路、定時電路、報(bào)警電路進(jìn)展連接，以實(shí)現(xiàn)上述三項(xiàng)功能要求〔如圖14所示〕。圖14時序控制電路其中，兩輸入與非門采用74LS00，引腳圖如圖15所示。三輸入與門采用74LS11，引腳圖如圖16所示。電路中利用與非門兩輸入端相連實(shí)現(xiàn)非門的邏輯功能。圖1574LS00引腳圖圖1674LS11引腳圖工作原理：門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與制止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端。主持人控制開關(guān)從“清零〞位置撥到“開場〞位置時，74LS279的輸出1Q=0，經(jīng)G3反相，A=1，那么從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPd始終輸入端，定時電路進(jìn)展遞減計(jì)時。同時，在定時時間未到時，74LS192的借位輸出端BO2為低電平，門G2的輸出ST為高電平，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能a的要求。中選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鈕時，1Q=1，經(jīng)G3反相，A=0，封鎖CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門G2的輸出ST為低74LS148處于制止工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能b的要求。當(dāng)定時時間到時，來自74LS192的BO2為高，ST為高，74LS148處于制止工作狀態(tài)，制止選手進(jìn)展搶答。同時，門G1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能c的要求。五總體電路圖圖17總電路圖下面介紹八路智力競賽搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零〞的位置，輸出低電平，分為兩路：一路與鎖存器的1R2R3R4R端相連，使輸出端1Q2Q3Q4Q為低電平，1Q所輸出的低電平經(jīng)與門反響給74LS148的EI端子，編碼器不工作，因此搶答局部顯示器滅燈無顯示，實(shí)現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計(jì)數(shù)器74LS192的LD端，而CR端也是低電平，所以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)。接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74LS192的四個輸入端D、C、B、A的上下電平來進(jìn)展〔例如要設(shè)定時間為30秒,就將十位的74192的D、C、B、A分別置位為0、0、1、1，而將各位的74LS192的D、C、B、A都置于0〕。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開場〞并將開關(guān)置于“開場〞位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到74LS192的LD端，使其處于高電平而開場減計(jì)數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的R端。當(dāng)任意一個選手搶答時，例如3號搶答時，74LS148三號端子輸入低電平有效，此時GS為低電平有效，表征編碼器在正常工作。編碼輸出A2A1A假設(shè)沒有選手按動按鈕，那么74LS279輸出全為高電平，74LS148也輸出高電平，1Q端輸出低電平至74LS48的滅燈輸入RI/RBO端，使得信號經(jīng)74LS48到顯示器上時無顯示；假設(shè)到定時局部計(jì)數(shù)器倒計(jì)時到00還無選手按動按鈕的話，十位74LS192的借位輸出端輸出高電平反響回個位Down端，停頓計(jì)數(shù)。綜上所述，所設(shè)計(jì)的電路基本可以實(shí)現(xiàn)要求中的功能。六電路仿真電路仿真采用Multisim仿真軟件進(jìn)展的。Multisim軟件可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件；可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀信號發(fā)生器、交直流電壓表電流表等。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。因此，選用該軟件對搶答器各單元電路及整體電路進(jìn)展仿真。七、小結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，不僅有效穩(wěn)固了本學(xué)期所學(xué)數(shù)電的相關(guān)知識，加強(qiáng)了對重要知識點(diǎn)的記憶和理解，還學(xué)會如何運(yùn)用Multisim仿真進(jìn)展仿真受益匪淺，現(xiàn)總結(jié)如下。本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于時序控制電路的設(shè)計(jì)，如何在第一位搶答者搶答題目后讓編碼器停頓工作；如何使計(jì)時電路在搶答后停頓倒計(jì)時；如何讓定時電路和搶答電路同時清零。設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)以往搶答器設(shè)計(jì)思路，及查閱相關(guān)資料，可運(yùn)用74LS279的輸出1Q完成上述控制任務(wù)。從這一點(diǎn)，折射出自己在平時的學(xué)習(xí)中較死板，缺乏變通思考的能力。在電路仿真的過程中，由于Multisim操作相對較簡單，因此在仿真過程中較為順利。。通過本次實(shí)踐操作，也讓我深刻明白：只有將課本上的理論知識，結(jié)合實(shí)踐不斷練習(xí)，不斷總結(jié)提煉，反復(fù)思考實(shí)踐中的經(jīng)歷教訓(xùn)，才能夠真正消化為自己的知識。八分析和總結(jié)。本次課程設(shè)計(jì)我只用了一個星期的時間就全部做完，效率很高，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之前根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，每個模塊都仔細(xì)的設(shè)計(jì)分析了，正是整個過程我都認(rèn)真的態(tài)度和方案選擇適宜，才有這么高的效率。而且從本次課程設(shè)計(jì)中收獲很多?？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點(diǎn)：〔一〕、穩(wěn)固數(shù)電知識這次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的一些相關(guān)知識，在整個實(shí)習(xí)過程中，都離不開對數(shù)字電路課程知識的再學(xué)習(xí)。我在最開場，就先將實(shí)習(xí)用到的知識通過翻閱數(shù)電書回憶了一遍〔這也是對這門課的復(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)〕，這樣的回憶讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設(shè)計(jì)起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，關(guān)于芯片的管腳，里面有清晰的描述?！捕?、學(xué)會用電路板、芯片、導(dǎo)線等組裝各種功能的電路；雖然這不是第一次用電路板，因?yàn)橹暗恼n內(nèi)實(shí)驗(yàn)也用過，但當(dāng)時的運(yùn)用也只是插些導(dǎo)線和電阻電容之類的，用了電路板的很小局部。這次的實(shí)習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實(shí)習(xí)后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運(yùn)用。實(shí)習(xí)中通過對電路的連接也懂得了如何通過設(shè)計(jì)的分