数电课程设计--智力竞赛抢答器.doc

扬州大学能源与动力工程学院本科生课程设计题 目： 智力竞赛抢答器 课 程： 数字电子技术基础 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 1101 学 号： 111704139 姓 名： 张志刚 指导教师： 年漪蓓 蒋步军 完成日期： 2013年6月13日 总 目 录第一部分：任务书 第二部分：课程设计报告第三部分：设计图纸第 一 部 分任务书一、课程设计的目的本课程是在学完数字电子技术基础、数字电子技术实验之后，集中一周时间，进行的复杂程度较高、综合性较强的设计课题的实践环节，通过该教学环节，要求达到以下目的： 1、使学生进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。二、课程设计的要求1、设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；2、必须独立完成设计课题； 3、合理选用元器件； 4、按时完成设计任务并提交设计报告。 三、设计题目及内容 智力竞赛抢答器（1）、抢答器为四路；（2）、显示出最先抢答器的号码；（3）、带裁判员启动控制按钮；（4）、裁判员启动，30秒后无组抢答，抢答器停止工作（应显示30秒递减时间）。 四、设计要求 1、用中小型规模集成电路设计出所要求的电路； 2、在实验箱上安装、调试出所设计的电路。 3、写出设计、调试、总结报告。 五、使用仪器设备 1、稳压电源(5V，15V)； 2、实验电路箱； 3、低频信号发生器； 4、示波器 5、PC机 六、参考文献 1、“数字电子技术基础”教材； 2、有关“电子技术课程设计指导书”； 3、“集成电路特性应用手册”； 4、EDA技术使用教程； 5、其他。第 二 部 分课程设计报告目 录1设计任务及要求72系统总体设计方案82.1总体设计方案82.2方案特点83控制电路设计93.1控制电路工作原理93.2参数计算103.3器件选型104 振荡电路设计114.1振荡电路工作原理114.3器件选型125 计数电路设计135.1计数电路工作原理135.2参数计算145.3器件选型146 译码显示电路设计156.1译码显示电路工作原理156.2参数计算166.3器件选型167系统总体电路设计177.1系统总体电路177.2 电路说明188电路调试198.1振荡电路调试及实验结果分析198.2 计数电路调试及实验结果分析198.3 译码显示电路调试及实验结果分析198.4 控制电路调试及实验结果分析198.5 系统联调及实验结果分析2010器件明细清单23参 考 文 献241设计任务及要求1. 抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮K0 K4表示。2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示,选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时.5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，定时显示器上显示00。2系统总体设计方案2.1总体设计方案数字抢答器总体方框图秒脉冲定时电路译码器主持人开关控制电路抢答按钮译码器显示器显示器它由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编码，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 2.2方案特点 如图所示为总体方框图。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，编号显示器显示“0”，定时器显示设定时间“30”；主持人将开关置于“开始状态，抢答器开始工作，定时器开始减倒计时。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。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开关。若在30秒内无人抢答，定时显示器显示“00”，封锁抢答器。3控制电路设计3.1控制电路工作原理控制电路的单元电路图 正沿双D触发器74LS74 : D触发器功能，4号端子接高电平，1号端子接开关，6号端子接输出。六导向器74LS04：反相器功能。四输入双与非门74LS20：实现与非功能，1、2、4、5号端子输入，6号端子输出。二输入四与非门74LS00：实现与非功能，12、13号端子输入，11号端子输出。工作原理：当主持人控制开关处于“清除”位置时候，各触发器的都被置零，译码器输入端为0000，数码管显示0。当主持控制开关打在高电平后，即可进行抢答，每个抢答选手操纵一个微动开关，抢先按动者按动后，数码管显示抢答选手所对于的号码，此时封锁其他选手的选择权，只有主持人按清零开关后，才可以解除封锁。3.2参数计算由分析可知，若1先抢答，Q1为“1”，Q2、Q3、Q4必须均为“0”，所以D1可以设定为Q2的非和Q3的非和Q4的非的与非。同理D2、D3、D4。3.3器件选型正沿双D触发器74LS74四块六导向器74LS04一个四输入双与非门74LS20一块 二输入四与非门（74LS00）一块4 振荡电路设计4.1振荡电路工作原理74LS160是十进制分频，74LS74是二进制分频，4MHZ的石英晶体经过了六个十进制分频器和两个二进制分频器后最后的频率为1HZ，即最后得到所需要的秒脉冲。4.2参数计算根据实验室提供的4MHZ的晶振，我们选用六个74LS160用作六级十倍分频获得4HZ的方波信号，再选用两个D触发器用作两级两倍分频获得我们需要的1HZ的方波信号作为秒脉冲信号，另外，我们还用到容值分别为0.01uF和10pF的电容。4.3器件选型 十进制分频器7LS160六块 二进制分频器74LS74一块 反相器74LS04一块 石英晶体一块 电容10PF， 0.01UF各一个 电阻1K两个5 计数电路设计5.1计数电路工作原理计数电路的单元电路图二输入四与非门74LS00：实现与非功能，4、5号端子输入，6号端子输出。十进制可逆计数器74192：可逆计数器功能，5、9、10、11、15号端子接高电平，14号端子接地，4号端子接第二片74192的7号端子。六倒相器74LS04： 反相器功能。四输入双与非门74LS20：与非门功能，9、10、12、13号端子接输入，8号端子输出。工作原理：选用十进制可逆计数器（74192）进行设计.将个位置数为0000,十位数为0011,个位的BO端接到十位的DOWN端,这样,数码管显示的数可以从30减到0。主持人开关控制两个计数器的置数端,当主持人将开关打到低电平时,就会置数在30。当主持人开关打到开始按钮（高电平）后,计数器开始工作,从30开始递减。5.2参数计算要构成30进制计数器，首先将两片192用并行进位方式连成一百进制计数器，由于192是异步置数，所以计数器从30开始减到00时立即跳为30，即00为不稳定状态，正好计数器几入了30个脉冲。所以我们把高位192置入3（即0011），低位置入0（即0000）。5.3器件选型二输入四与非门74LS00一块十进制可逆计数器74192两块六倒相器74LS04八块四输入双与非门74LS20二块6 译码显示电路设计6.1译码显示电路工作原理译码是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态。用于驱动液晶数字显示屏的CMOS七段液晶显示译码器，只要在它的输入端输入8、4、2、1码，七段液晶显示器就能显示十进制数字，如图： BCD七段显示译码器74LS48： 3、4、5号端子接高电平，6号端子接地，13、12、11、10、9、15、14号端子分别与数码管的A、B、C、D、E、F、G相连。6.2参数计算当A、B、C、D输入端输入信号经过74LS48到达LED上时，LED就会显示相应的数字。6.3器件选型LED共阴七段数码管三块BCD七段显示译码器74LS48三块7系统总体电路设计7.1系统总体电路7.2 电路说明主持人开关有工作和清零两个工作状态，其中工作时开关处在高电平，清零则处在低电平。当主持人将开关置于低电平端时，触发器被清零，该电路部分的数码显示管显示数字“0”；与此同时，倒计时部分电路被置数为三十秒，该电路部分的数码显示管显示数字“3”和“0”并随着CP脉冲逐秒递减。倒计时电路逐秒递减的条件是主持人开关处在工作的高电平状态，且有秒脉冲送进来。而秒脉冲又受到其他两个因素的控制：（1）抢答电路只要且只要有一个抢答开关工作秒脉冲就将被锁定，时间显示电路将停止工作，数码管示数也将被锁定不变；（2）主持人开关启动抢答功能三十秒后仍然没人抢答，则秒脉冲同样被锁定，时间显示电路也将停止工作，数码管示数将被锁定在“0”和“0”状态。秒脉冲一旦被锁定，倒计时部分电路就将停止工作，同时会给抢答电路提供一个封锁抢答功能的高电平信号，这是抢答器将不能实现抢答功能，需要主持人重新清零之后，这两部分的电路才能重新工作。8电路调试8.1振荡电路调试及实验结果分析根据进入实验室之前绘制的电路原理图在电脑软件上接线，并仔细检查之后将脉冲信号的输出端接电脑软件上的小灯泡，同时用导线将标准1HZ的脉冲信号接到另一个小灯泡上，接通电源，观察两个小灯泡的闪烁频率。实际观察结果：小灯泡闪烁频率相同，得到所需要的秒脉冲。8.2 计数电路调试及实验结果分析根据进入实验室之前绘制的电路原理图在面包板上接线，并仔细检查之后，接入标准1HZ脉冲信号，接通电源，观察该部分电路中的数码管数字显示。实际观察结果：刚开始的时候，由于粗心所致，第一片192的4端子和第二片192的7端子没有连起来，所以导致集成块不能正常工作，后来经过检查改正后，数码管从30开始递减到0，然后锁定在0处不变，符合要求。8.3 译码显示电路调试及实验结果分析（该部分内容已经包括在计数电路和抢答电路中）8.4 控制电路调试及实验结果分析根据进入实验室之前绘制的电路原理图在面包板上接线，并仔细检查之后 ，接通电源，观察该部分电码数字管显示。 实际观察结果：观察结果正常，当主持人清0时，数码管显示为0，当抢答选手按动自己所对应的开关后，数码管显示所对应选手的号码，此时其他选手按动自己的开关后，数码管显示的数字不会因此而改变。刚开始，在接好线之后不管怎么检查，数码管总是不亮，后来才发现原来是因为数码管的38线没有接。待我们接好之后，控制电路部分就开始正常工作了。8.5 系统联调及实验结果分析将抢答电路部分和计数（倒计时）电路部分按照实验电路原理图连接起来，秒脉冲用数字逻辑箱上的标准1HZ脉冲代替，认真仔细检查之后，接通电源。实验结果分析：当主持人清0时，控制电路部分的数码管显示0，计数部分的数码管显示30，主持人开关打到高电平后。如果有选手抢答，控制部分的数码显示管会显示该选手的序号，与此同时30秒倒计时开始。而如若在他之后又有其他的选手抢答，计数部分则不会有显示,倒计时部分也不会有影响。30秒倒计时结束后指示灯自动亮。 9改进意见及收获体会改进意见:整个电路逻辑性比较强,但还是有些值得改进的地方：用优先编码器代替与非门,将所要的数据传入译码器,可以减少电路接线的复杂性，还可以加强电路的逻辑功能,可以用555接成报警器电路，当选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。在接线的过程中，所接的线显得杂乱，可以在接线的过程中适当减少接线的数量，改善布线格局，提高面包板上的美观度。收获体会：这一周的课程设计既充满了艰辛又充满了欢笑，我再次体会到了书到用时方恨少的感觉，同样也体会到了知识的伟大性，这是我第一次将知识成功转化为实物，我将永远铭记。同时也明白了团结协作的重要性,要想取得成功单靠一个人的力量是不够的,合作使一家一大于二!说实话刚拿到课程设计任务的时候就懵了,以前从未做过这么复杂的电路,感觉无从下手,但是晚上还得硬着头皮做,看书翻资料,上网查阅,能用的方法都用了一遍,一个小单元一个小单元的接,奋战到晚上十二点多终于搭出了一个完整的电路,但是,功能不全,仿真结果也不正确,第二天我们又去找各学霸,高手请教,然后我们小组成员再深入探讨,收获与付出是成正比的,周日下午我们用multisim软件仿真成功了。呵呵，这是第一个小高潮！接下来是最为重要的部分，也是考验一个人细心谨慎与耐力和体力的时候。我们打算先接三十秒那一部分，可是，刚接好准备测试接好电源，一片74192竟然冒烟了，赶紧中止，鲁波回去问班长又要了两块，我检查线路，最后只得全部拆掉重新连接。这是第一个打击。但是当计数电路连好之后却发现数码管永远锁定在30不变,与秒脉冲信号没有任何关系。后来经过我们一条线一条线地排查，发现第一片192的4号端子和第二片192的7号端子没有接，我们满怀期待地连好这根线之后，满以为计数电路完成了，可让我们几个大跌眼镜的是：显示数码管仍然停在30不变化。我们一致认为是192的片子坏了，换了两次，可是还是不管用。正好这时已经快晚上7:00了，我们肚子实在是饿的得受不了了，便跑到食堂去吃晚饭，等我们吃完晚饭回到实验室之后，无意间调试了一下计数电路，竟然发现有用了。“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”啊，每人一个人拥抱，这是第二个小高潮。在接到最后一部分的时候已经晚上九点多了，还有想到明天早上的时候就可以直接给老师验收抢答器，兴奋紧张导致较简单的一部分又出问题了，最后一个显示器总是不亮，我们反复检查后发现线路并没有接错，那是什么原因呢？几遍下来都快没耐心了，趴在桌子上无聊的看着这些线，突然脑子一灵光，我发现最后一个数码管的38线没有接地，我很确信就是这个问题，因为接第一部分的时候也出现了这个问题，于是我屏住呼吸，将38线轻轻地接好了地，手近乎颤抖的。打开开关、调试，成功了！成功了！我们几个激动地大叫了起来，我们小心翼翼的把板子藏起来，生怕有人给我们弄坏了，藏好后，高杰又要拿出来拍照各种pose，各种喜悦，各种成就感，咔，咔，咔！这次课程设计在相机的咔嚓声中结束。总结这次课程设计，可以用“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”来形容了。每一部分电路的连接都不是那么顺利，总是将导线拆了又接，接了又拆，反反复复，才接完的，虽然牺牲了端午假期，少了一次游玩的机会，但是却收获颇丰，值了！通过这次课程设计，我更加深深地感受到了团队的力量，一个人的能力再怎么强，始终是“众人拾柴火焰高”的，所以我要真心感谢年老师的悉心指导、吴晗的热心协助、以及