课程设计--数字式抢答器的设计与实现.doc

课程设计报告设计题目：数字式抢答器的设计与实现班 级：计算机0902学 号：20092920姓 名：袁山洞指导教师：赵丽红设计时间: 2011年7月摘要数字式竞赛抢答器主要由74 系列集成电路组成，主要包括（译码器，计数器等组合或时序逻辑电路）。电路上电后再抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。抢答者听到抢答命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能，同时配有声、光报警功能，并且有抢答序号锁定功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。系统设计完后还要进行软件仿真，要有仿真电路图，仿真过程，和仿真结果。之后要进行安装调试，然后通过测得方波波形进行故障分析。关键词：译码器、计数器、方波。目录摘要第1章 概述第2章 课程设计任务及要求2.1 设计任务2.2 设计要求第3章 系统设计3.1 方法论证3.2 系统设计 3.2.1 结构框图及说明 3.2.2 系统原理及工作原理3.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理3.3.2 元件参数选择第4章 软件仿真 4.1 仿真电路图4.2 仿真过程4.3 仿真结果第5章 安装调试5.2 安装调试过程5.3 故障分析第6章 结论第7章使用仪器设备清单参考文献收获、体会及建议第1 章 概述 在本次课程设计中，通过数字式抢答器的设计与实现，让我们更深刻的理解与运用中、小规模数字集成电路的工作原理及使用方法，同时掌握数字式抢答器的设计与调试方法。本次设计的主要内容为：电路上电后在抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。同时配有声、光报警，并且有抢答序号锁定功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。在设计中包括：【1】 理论设计部分。【2】 模拟仿真部分。【3】 安装调试部分。理论设计部分需要独立完成系统的原理设计、画出电路图并说明各部分电路的工作原理；模拟仿真部分则需根据理论设计用multisim7在计算机上进行仿真，验证所设计方案的正确性。并且分析电路的工作原理，写出方针报告；安装调试部分包括实现给定的数字式抢答器，进行单元测试和系统分析，若系统出现故障，排除故障并分析记录系统产生故障的原因。最后是本次课程设计的总结。第2 章 课程设计任务及要求2.1 设计任务电路上电后在抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。同时配有声、光报警，并且有抢答序号锁定功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。2.2 设计要求完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。1.理论设计部分【1】独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。【2】画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。2.模拟仿真【1】根据理论设计用multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。【2】分析电路的工作原理，写出仿真报告。3.安装调试部分【1】实现给定的数字式抢答器，进行单元测试和系统调试。【2】若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。4.写出课程设计总结报告第3章 系统设计3.1方案论证 在设计中，先规划处系统的结构框图，然后对各个单元电路进行设计与分析，最后将各个单元电路组装在一起，进行安装调试，如遇到故障，则要进行故障分析，直至整个系统无故障，能安全、可靠的运行。3.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明图3.1 结构框图说明：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关拨到“开始”状态，并宣布“开始”抢答工作。选手在定时时间内抢答时，抢答完成；优先判断、编号锁定、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示时间。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。3.2.2系统原理图及工作原理图 3.2 系统原理图工作原理：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关拨到“开始”状态，并宣布“开始”抢答工作。选手在定时时间内抢答时，抢答完成；优先判断、编号锁定、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示时间。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。3.3 单元电路设计3.3.1单元电路工作原理3.3.1.1 抢答器电路工作原理：当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态当主持人开关打开时，电路处于清零状态此时，各个触发器的q非端输出都为，假设芯片编码器74ls148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端eo和gs的输出状态分别为0和，gs端与个jk触发器的jk端相连，即各输入端均为1，所以只要当r端为无效电平“1”时，同时有效脉冲边沿过来时触发器就能翻转。当主持人闭合开关，宣布可以抢答后，主线灯亮，此时电路为可抢答状态，当选手按下开关时，cp脉冲由高电平变为低电平，即有一个有效地脉冲边沿过来，触发器发生反转，此时q端为1，同时对应的灯亮，q非端输出为0，此时74ls148的其中一个输入端输入信号“0”，oe与gs发生翻转，oe=1，gs=0。使得触发器的jk输入端输入“0”，就算其他选手把开关合上，其对应的触发器也不会翻转。3.3.1.2 显示电路工作原理：当其中一个选手按下抢答器后，74ls148编码器其中一个输入端为0，例如，当1号选手按下开关，则q1输入为0，此时q6q5q4q3q2q1为111110，输出y2y1y0为110经过74ls48译码器为001,则在七段数码管上显示“1”表3.1 74ls148芯片真值表q1q2q3q4q5q6y1y2y3eogs01111111010x0111110110xx011110010xxx01101110xxxx0101010xxxxx000110表3.2七段数码管真值表abcdabcdefg字形0000111111001000011000011100110110120010111100131010011001140110101101151110001111163.3.1.3 报警电路工作原理：报警电路由两个555定时器构成。由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时,第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平,处于稳定状态,这时,右边的多谐振荡器的复位输入为低电平,所以其输出也为低电平.扬声器不发音.当信号输入为低电平时,单稳态触发器被触发,处于暂稳态,此时其输出为高电平,输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡工作,输出为频率为1.2khz的脉冲波形.这样扬声器就会以1.2khz的频率发出间歇式声响。要求持续23秒，可调节电阻和电容实现。假设t=3s，电阻分别为20k、273k、0.61k、2.4k，电容分别为100pf、100pf、0.22uf、0.01uf。3.3.1.4 定时电路工作原理：定时电路由两片74ls160构成，其本身为十进制同步计数器，真值表如下所示：表3.3clkmrpes1s2qxx1xx全010xx预置数0011计数x000x保持x00x0保持当有效脉冲边沿过来时，有两片74ls160构成的31进制加计数器，当片1输出为0001，片二输出为1100，即转换为十进制时是30，此时片1q0输出和片二q0、q1输出经过三输入与非门后为“0”，使片1的cet、cep输入为0，片1停止工作，所以数码管显示30。3.3.1.5 秒脉冲发生电路工作原理：由555定时器构成的多谐振荡器经过调整电阻电容能改变秒冲周期。当r1=15k，r2=68k，c1=10uf时，t=1s。3.3.2元件参数选择元器件名称 开关 74ls148 74ls48 74ls192 74ls160 74ls126 cd4023bcm dm7402n 555定时器 扬声器 电容 七段数码显示器 灯泡 第4章 软件仿真4.1 仿真电路图4.1.1抢答器电路图4.1抢答器电路4.1.2显示电路图4.2显示电路4.1.3报警电路图4.3报警电路4.1.4定时电路图4.4 定是电路4.1.5秒脉冲发生电路图4.5 秒脉冲发生电路4.2 仿真过程在测试好整个电路后，先将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间：再将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。若是主持人开关并未置“开始”，此时进行抢答，此次在规定时间内进行抢答，看指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。按后再将开关拨到”清零“状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器设定时间，再将开关值”开始“状态，之后，先不抢答，等已过了定时器设定的时间后，在进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。然后再将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间：先不将开关值“开始“状态，进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断，编号锁存，编号显示，扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止，禁止二次抢答，定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态。4.3 仿真结果 仿真过程中，没有错误，所有的可能都进行了仿真，都出现了对应的正确的结果。第5章 安装调试5.1 安装调试过程1在调试抢答器主电路时，主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的ei端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。2调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。3在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。4调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。5.2 故障分析 1在调试抢答器主电路时，发现主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的ei端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。解决方法：反复的调试分析其电路原理，并用示波器测试输入的电源，发现纹波非常之大，之后在电源输出端并接一个220uf的电解电容和一个0.1uf的瓷片电容，再用示波器测试发现纹波减少很多；然后再在74ls148的使能端ei并接一个0.1uf的瓷片电容，很好的消除了开关电源带来的纹波干扰，使抢答电路正常的工作。2调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。解决方法; 高位192显示0的时候，bo2端输出低电平，因此可以利用这信号与门锁住低位192的秒脉冲输入信号。3在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。解决方法：在通过对单稳触发器74ls121的测试后发现其能正常工作，555在121触发后3脚会有一个高脉冲输出，说明555也能正常工作，在检查后级推动蜂鸣器工作电路时发现两个8050管脚装反，原因是protel99里的封装与8050的封装不同。解决这个问题后可以报警，但是声音很小，于是去掉了100uf的耦合电容，问题解决。4调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。解决方法：在按键输出口并接一个电容，去除抖动，但是效果不佳，但是相对没有加之前情况要好很多，对于纯数字逻辑芯片，可以使用锁存器对按键进行消抖，效果要比电容好得多。第6章 结论抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。第7章 使用仪器设备清单元器件名称 数量开关 9个74ls148 1个74ls48 6个74ls192 2个74ls160 2个74ls126 1个cd4023bcm 1个dm7402n 1个555定时器 3个扬声器 1个 电容 20个七段数码显示器 6个灯泡 7个参考文献【1】 王文辉主编 电路与电子学（第3版）电子工业出版社 2005【2】 李晶皎主编 逻辑与数字系统设计 清华大学出版社 2008收获、体会和建议通过这次课程设计，使我在课堂上所学的知识