7路数字抢答器电路设计(论文).doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目: 数字抢答器电路设计 专 业: 应 用 电 子 技 术 班 级: 应 电 08-2 学 号: 0 8 1 8 0 6 3 姓 名: 王 禹 指导教师: 弥 锐 二0一0年七月十日第 25 页四川信息职业技术学院毕业设计任务书学 生姓 名王禹学号0818063班级应电08-2专业应用电子技术设计（或论文）题目数字抢答器电路设计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注弥锐高级工程师四川信息职业技术学计（论文）内容：设计指标抢答器可同时供7名选手或7个代表队比赛；设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制；抢答器具有锁存与显示功能；具有抢答报警功能；进度安排：第1周第5周：任务下达，理解消化任务要求；查阅资料；初步设计方案确定；第6周第10周：设计方案确定，分模块部分完成；第11周：查找问题，分析解决难点；第12周第15周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等；第16周：答辩。主要参考文献、资料：1.电工、电子技术实习与课程设计，徐磊、杨铮主编，中国电力出版社2.电子技术综合实训，张存礼、韩爱娟主编，北京师范大学出版社3.电子线路课程设计华永平、陈松编著，东南大学出版社4数字电子技术从入门到精通，刘午平主编，国防工业出版社5实用数字电路原理与设计速成，何书森，何华斌主编，福建科学技术出版社 6数字集成电路应用精粹，肖景和主编，人民邮电出版社7数字集成电路应用300例，黄继昌，郭继忠，张海贵等主编，人民邮电出版社8数字电子技术基础，杨颂华，冯毛官，孙万蓉等主编，西安电子科技大学出版社9实用电路手册，杨宝清，宋文贵主编，机械工业出版社审批意见教研室负责人：年 月 日 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录摘 要3第1章 绪 论4第2章 抢答器的基本组成52.1 抢答器的组成52.2 单元电路概述5第3章 单元电路的设计73.1 开关阵列电路73.2 锁存脉冲形成电路83.2.1 电路设计83.2.2 元件介绍83.3 编码器103.3.1 电路设计103.3.2 元件介绍113.4 锁存器123.4.1 电路设计123.4.2 元件介绍133.5 七段译码驱动器143.5.1 电路设计143.5.2 元件介绍153.6 数码显示器163.6.1 电路设计163.6.2 元件介绍173.7 报警电路设计183.7.1 电路设计183.7.2 元件介绍18第4章 整机电路与仿真22设计总结24致 谢 篇25参考文献26附录1 整机电路图附录2 元器件清单表摘 要智力竞赛是一种生动活泼、寓教于乐的活动形式，而抢答是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。在进行智力竞赛时，往往都是几个组抢答问题，这就要求在时间上严格地区分先后。若是仅凭主持人的主观判断，则很容易造成错判、误判。为此，我们需要设计一种具备自动锁存、置位、清零等功能的智能抢答器来解决这些问题。该电路就是为智力竞赛抢答所设计，具有反应迅速，精确无误，操作简单等特点。电路主要由三部分组成：数字抢答电路、时序控制电路以及报警电路。其中数字抢答部分有一个74ls148编码器、74ls175锁存器、cc4511译码器和led数码管显示器组成，可以将七位抢答者的按钮信号通过编码、锁存及译码后输出，驱动led数码管显示出最先抢答者的编号。而时序控制电路的功能是当参数选手按下抢答器时，使扬声器发出报警声。关键词：抢答；编码；锁存；译码显示；报警第1章 绪 论随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围越来越多地渗透到国民经济地各个部门，目前数字电子技术已经广泛应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。其中，抢答器就是典型的一种运用数字集成的设备。在日常生活中，各种智力竞赛越来越多，而抢答器是必不可少的设备之一，答题时一般分为必答和抢答两种。必答有时间限制，到时要告警。而抢答则要求参赛者作好充分准备，由主持人宣读完题目后，参赛者开始抢答，谁先按下按钮，就由谁答题，但竞赛过程中很难准确判断出谁先按下按键，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。这里所设计的抢答器是一种较简易的抢答器，没有使用过多的、复杂的元器件。它的特点是电路简单、制作方便、操作简单、方便、性能可靠，适用于多种智力竞赛活动。该抢答器能供七人使用，它主要实现以下功能：为7位参赛选手各提供一个抢答按钮，分别编号k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7；主持人可以控制系统的清零与抢答开始；抢答器要有数据锁存与显示的功能。抢答开始后，若有任何一名选手按动抢答按钮，则要显示其编号，并且扬声器发生提示，同时其他人再按对应按钮时无效，直至系统被主持人清零。这个抢答器设计基本上满足了实际比赛应用中的各种需要。在实际中有很大的用途。第2章 抢答器的基本组成2.1 抢答器的组成抢答器的构成框图如图2-1所示，主要由开关阵列电路、编码器、译码器、锁存器、报警器和译码显示器几部分组成。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器为0；主持人将开关置“开始”状态时，宣布“开始”抢答。选手按下按键后，抢答器完成优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示等功能。当一轮抢答之后，如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。图2-1 抢答器的整机组成框图2.2 单元电路概述1.开关阵列电路该电路主要由多路开关组成，每一位竞赛者与一组开关相对应。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动断开。2.编码器编码器的作用是将参赛选手抢答后的开关信息转化为相应的8421bcd码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。3.锁存脉冲形成电路锁存脉冲形成电路的作用是：当有选手按下按键的瞬间形成一个脉冲信号，送到锁存器作为锁存输入数码所需的时钟脉冲，这里应注意与锁存器所需的脉冲极性相配合。4.锁存器当某一开关首先按下时，锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将本触发电路锁定。5.七段显示译码器译码驱动电路将编码器输出的8421bcd码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。6.数码显示器数码管通常有发光二极管（led）数码管和液晶（lcd）数码管，本设计选用led数码管。7.报警电路报警器的作用为有选手抢答时，在报警信号的控制下发出报警响声以提示主持人有选手抢答。第3章 单元电路的设计3.1 开关阵列电路如图3-1所示为8路开关阵列电路，从图可看出,电路结构较简单，图中pr1为限流电阻排，当任意一个开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。图3-1 开关阵列电路图图中，k0开关与清零输出接通时，数码显示都为0。选手17号分别使用k1k7开关。图中pr1为抗蚀薄膜贴片超精密电阻排，具有特殊抗酸抗湿的镍铬皮膜，非常小的公差精度0.1%，最低温度系数为25ppm/，常应用于自动化设备，医疗设备，通讯设备，自动控制设备及高科技多媒体电子设备等。其特性曲线如图3-2所示：图3-2 特性曲线3.2 锁存脉冲形成电路3.2.1 电路设计锁存脉冲形成电路如图3-3所示，该电路主要由74ls30和74ls08两个逻辑门电路组成，图中电容c1起延时作用。图3-3 锁存脉冲形成电路3.2.2 元件介绍1. 图中逻辑门电路74ls30为8输入与非门，其逻辑符号和功能表如图3-4和表3-1所示图3-4 74ls30逻辑符号表3-1 74ls30功能表输 入输 出abcdefghy0101010101010101111111110由功能表可看出，当a为0时，不管其它输入端为任何电平，输出端都为1；当b为0时，无论其它输入端为何值，输出端都为1；c、d、e、f、g、h也为之一样，而当其输入端全为1时，输出端y为0，简而言之，“只要有1个输入端为0，其输出端为1；当输入端全为1时，输出端为0”。其逻辑表达式为：2图74ls08为四2输入与门，它的逻辑符号如图3-5所示。表3-2为其功能表：图3-5 74ls08逻辑符号表3-2 74ls08功能表输入输出aby000010100111从功能表可以看出，当a或b中只要有一个为0时，y为0；只有当a、b都为1时，y为1，则有“有0则0，全1为1”其逻辑表达式为：3.3 编码器3.3.1 电路设计编码器电路主要是以74ls148为核心，其电路如图3-6所示：图3-6 编码器3.3.2 元件介绍为了便于锁存、显示最先抢答者的选手号,可首先采用8线-3线优先编码器74ls148对抢答输入信号进行编码。逻辑符号如图3-7所示,功能见如表3-3所示：图3-7 74ls148逻辑符号表3-3 74ls148功能表输入输出11111101111111111101000001000100110001101010001110111000111110010001111110110001111111101000111111111110引脚功能简介：1编码输入端从8线-3线优先编码器74ls148的功能表可看出，输入信号为0表示发出编码信号，故逻辑符号输入端上面均有“-”号，这表示编码输入低电平有效，从功能表中看出，优先权最高，而的优先权最低，只要=0，就对进行编码，而不管其他输入信号为何种状态。2编码输出端、从功能表看出，74ls148编码器的编码输出是反码。比如：对编码，应当输出000，而电路输出是111；对于编号，应当是101，而电路输出为010，为此，、上面均有“-”号，表示输出反码。因此在设计电路时需要通过一个非门连接到锁存器。3选通输出端只有在=0时，编码器才处于工作状态；而在=1时，编码器处于禁止状态，所有输出端均被封锁为高电平。4选通输出端和扩展输出端和是为扩展编码器功能而设置的。从功能表可以看出，只有当所有编码输入端都是1（即没有编码输入），并且=0时，才为0，可见， =0表示“电路工作，但无编码输入”只要任何一个编码输入端有0，且=0，则为=0，因此=0表示“电路工作，且有编码输入”。3.4 锁存器3.4.1 电路设计这部分电路的作用是对编码输出信号进行锁存，其工作原理为：比赛前，先清零（clr=0），此时该电路不工作。抢答开始后，开关电路输出的低电平信号送到编码器74ls148，经编码后将信号送到74ls175中，同时，74ls175的端输出一个低电平信号经门u7a送到时钟信号cp端将状态锁存，此时若其他选手按下按钮，将不会起作用，直到主持人按下k9开关复位后，方可重新开始抢答。因此该电路实现了抢答并封锁其他输入信号的功能。单元电路如图3-8所示：图3-8 锁存器3.4.2 元件介绍该电路利用集成正边沿d触发器74ls175完成数据锁存功能，74ls175内部含有四个独立的d触发器，其输入端分别为d1、d2、d3、d4，输出端为q1、q2、q3、q4及它们的互补输出端、，四个触发器的时钟信号端（cp）和清零端（clr）是公用的，其逻辑符号如图3-9所示,功能表如表3-4所示：图3-9 74ls175逻辑符号表3-4 74ls175功能表输 入输 出clrcpdq0011110100110q0从功能表可看出：当清零端（clr）为0时，无论时钟信号端（cp）和触发输入端d为何值，输出端q都为低电平；当clr为1，有信号输入时，输出端q的值与输入端d的值相对应，若此时cp变为0，则输出端的值一直维持原状态。3.5 七段译码驱动器3.5.1 电路设计这部分电路的主要作用是驱动显示器显示相应的选手编号，电路结构比较简单，其电路原理图如图3-10所示：图3-10七段译码驱动器3.5.2 元件介绍译码器是一个多输入，多输出的组合逻辑电路，它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出，译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等，不同的功能可选用不同种类的译码器。译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类。本设计中采用显示译码器cc4511，下图3-11为其逻辑符号。图3-11 cc4511逻辑符号表3-5 cc4511的功能表输入输出ledcbaabcdefg显示字形01111111010000000消隐0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隐01110111000000消隐01111000000000消隐01111011000000消隐01111100000000消隐01111111000000消隐111锁存锁存引脚功能：a、b、c、dbcd码输入端a、b、c、d、e、f、g译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极led数码管。测试输入端，=“0”时，译码输出全为“1”消隐输入端，=“0”时，译码输出全为“0”le锁定端，le=“1”时，译码器处于锁定状态，译码输出保持在le=0时的数值，le=0为正常译码。表3-5为cc4511的功能表，其内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管之间串入限流电阻即可工作，译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。3.6 数码显示器3.6.1 电路设计数码显示器件是用来显示数字、文字或者符号的器件，常见的有辉光数码管、液晶显示器、发光二极管数码管等，电路原理图如图3-12所示：图3-12 数码显示器3.6.2 元件介绍led数码管又称为半导体数码管，它是由多个led按分段式封装制成的。led数码管有两种形式，即共阴型和共阳型，共阴型led数码管，是将内部所有led的阴极连在一起引出来，作为公共阴极；共阳型led数码管是将内部所有led的阳极连在一起引出来，作为公共阳极，具体电路如图3-13（a）和（b）所示： (a) 共阴型 （b）共阳型图3-13 led数码管因为led工作电压较低，工作电流也不大，所以可以直接用七段显示译码器驱动led数码管，但是，要正确选择驱动方式，对共阴型led数码管，应采用高电平驱动方式；对共阳型led数码管，应采用低电平驱动方式。在本次设计中采用的是共阴型led数码管。3.7 报警电路设计3.7.1 电路设计报警电路如图3-14所示，它是由脉冲振荡器u5（cc4060）、报警控制门电路u7b和振荡驱动三极管vt1组成。该电路的工作原理为：当无选手抢答时，报警控制信号为低电平，u7b输出总为低电平，三极管vt1截止，扬声器无报警声音；当有选手抢答时，报警控制信号变为高电平，经u7b输出一个高电平信号，三极管vt1在此信号的驱动下工作于开关状态，使扬声器有报警声音输出。从图中可以看出，该电路中有一个脉冲信号发生器，该发生器由石英晶体振荡器加分频器构成，常见的石英晶体振荡器由cmos反相器构成，选用振荡频率为32768hz的石英晶体，因为32768=215，只要经过215分频就可以得到稳定度很高的秒信号。在此电路中，分频器选用14位二进制串行计数器cc4060，再加一级触发器二分频，就对石英晶体振荡器输出的32768hz信号进行215分频，从而产生秒脉冲信号。该信号在与报警控制信号相与后输出，送到三极管vt1的基极，驱动三极管来工作。另外，图中r8与r11都为限流电阻，电容c2起耦合作用。图3-14 报警电路3.7.2 元件介绍114位串行二进制计数器/分频器cc4060cc4060的逻辑符号如图3-15所示：图3-15 cc4060逻辑符号cp1：时钟（计数）脉冲输入端，下降沿有效cp0、：脉冲输出，cp0与cp1相位相同，与cp1相位相反。cr：导步清零端，高电平有效，即该端为高电平时计数器清零，该端通常应处于低电平。q4q10、q12、q13：计数器、分频器输出。表3-6 cc4060的功能表：输入输出cp1crx1清除0计数0保持2jk触发器74ls112芯片jk触发器在电子技术中广泛应用，常用的有74ls112、cc4027等。该报警电路中选用74ls112芯片。（1）74ls112的外引脚图和逻辑符号74ls112为边沿触发的双jk触发器，其外引脚图和逻辑符号如图3-16所示。图中、分别为异步置1端和异步置0端，均为低电平有效。74ls112功能表见表3-7。 (a)外引脚图 （b）逻辑符号图3-16 jk触发器逻辑符号表3-7 74ls112的功能表jkcp功能说明0001101保持00111100101101置001111011001110置110111101101110翻转11111010101异步置0异步置1不定状态10100011（2）逻辑功能由表3-7所示功能表可知，74ls112中的两个单元电路都是靠cp下降沿触发的边沿jk触发器。当=1时，电路实现jk触发器的逻辑功能。当=1、=0时，不管j、k、和cp为何种状态，触发器都将被置为1，故称为异步置1端，又称为直接置1端。当=0、=1时，不管j、k、和cp为何种状态，触发器都将被置为0，故称为异步置0端，又称为直接置0端。如若=0，则触发器会出现=1的不定状态。通常不允许出现这种取值。26第 26 页第4章 整机电路与仿真整机电路的工作原理根据以上各单元电路的设计及原理分析,得出整体电路图如附录1所示。其工作原理如下：接通电源，编码器选通输入端接低电平，处于工作状态，等待选手抢答。比赛开始前，无人按下按键，这时电路不工作。当主持人宣布抢答开始后，若有选手抢答，如5号选手首先按下开抢答键，则该低电平信号立即送到编码器74ls148的信号输入端，通过优先编码器将5号选手送入的开关信号转化为二进制bcd码101，由于74ls148编码器的编码输出是反码,所以电路输出为010,故需通过一个非门将其变换为101后再送到锁存器74ls175中，经过74ls175锁存后输出送到译码驱动器，再送到数码管中显示选手号。同时，5号选手的开关信号通过一个与非门74ls30产生一个高电平输出，作为与门74ls08的一个输入端信号，而另一个输入端的信号由锁存器74ls175的输出端来控制。由图可知，74ls175的输入端d4接选通输出端，而由于选手的抢答使其端输出为高电平，故输出为低电平。经过与门74ls08后输出为低电平，再送到74ls175的时钟信号cp端，由74ls175的功能可知，当cp端为低电平时，无论输入端为何种状态，输出都一直保持原状态，即完成锁存的功能。说明在五号选手之后再按下按键的选手都无法进行抢答了。另外，由石英晶振产生的32768hz的频率经过cc4060的14次分频后得到2hz的频率,再经过一个jk触发器进行一次分频就得到一个秒脉冲信号,将产生的秒脉冲信号送到与门74ls08的输入端，当74ls175的输出端q4为高电平时，经过74ls08与其相与后输出的高电平使其三极管工作于开关状态，因此扬声器发出声响提示主持人有人抢答。电路中，复位开关k9与锁存器74ls175的清零端clr相连接，由于clr是低电平有效，所以当主持人按下复位开关后电路复位。而图中的ko开关也是起清除作用，使其显示器重新显示为0。所以当一轮抢答结束后，必须由主持人按下复位开关使其电路复位后，方可再次抢答。电路仿真本次设计我才用的是protel99se软件进行仿真，因为它操作比较简单，仿真效果也比较明显。由于protel99se中没有cc46060，故用一个信号发生器代替秒脉冲发生器发出秒脉冲。仿真图如图4-1图4-1设计总结毕业设计是学校对我们在大学中所学知识的一个总的检验，它几乎包含了我们学习的全部专业知识。毕业设计工作做的好坏，直接体现了个人所学专业知识的掌握情况,所以我们必须拿出百分百的热情，用心搞好毕业设计，顺利完成自己的大学生涯。本文设计的抢答器，它不仅具有抢答功能，而且还具有复位、报警等功能。其设计主要分为四个部分，第一部分是讲述设计该抢答器的目的及其功能；第二部分是描述了其抢答器的组成框图并进一步说明了各个单元电路的作用；第三部分主要详细的介绍了各个单元电路的设计情况；最后一部分则举例说明整个电路的工作原理。通过这次设计，我得到了很大的收获，我不仅仅学到了许多以前没有的知识，而且还加深了对自已所学知识的理解。培养和增强了我的自学和独自查找所需资料的能力，并较好地把着三年来所学的理论知识和实际的具体工作紧密地结合在一起。使我掌握了更多的电子知识，提高了对问题的综合分析能力，以及对所学知识运用的灵活性。致 谢 篇本毕业设计是在弥锐老师的亲切关怀和细心指导下完成的，在设计过程中，自始至终凝聚着导师的心血。恩师那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。除此之外，在设计进行当中，还得到了其他老师的细心指导和诸多帮助。他们的无私