八路智力数字抢答器.doc

武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 魏林林 专业班级： 信息sy0901指导教师： 魏洪涛 工作单位： 信息工程学院 题 目: 八路数字抢答器设计 初始条件： 利用定时器、数码管、LED等数字电路器件设计实现简易数字抢答器。（也可以使用单片机系统设计）要求完成的主要任务:1.设计一个可供8名选手参加比赛的8路数字显示抢答器。他们的编号分别为1、 2、 38各用一个抢答按钮，编号与参赛者的号码一一对应，此外还有一个按钮给主持人用来清零。2.抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出来。在主持人将系统清零后，若有参赛者按动按钮，数码管立即显示出最先动作的选手的编号，也可同时用蜂鸣器发出间歇声响，并保持到主持人清零以后。参考书：1.电子线路设计实验测试 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社2.通信电子线路 第二版，刘泉 主编，武汉理工大学出版社3.高频电子线路第三版 张肃文 主编 高教出版社时间安排：第17周：理论讲解，鉴主13楼。第18周：查阅相关资料，学习设计原理；方案选择和电路设计仿真；电路调试和设计说明书撰写。第20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主13楼。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目 录 摘要.31设计目的.52设计指标及要求.63实际方案与论证.74总体框图设计与论证.95功能模块设计及系统工作分析.10 5.1功能模块设计.10 5.2抢答器原理.11 5.3主要元器件功能介绍.12 5.3.1锁存器（74HC573）.12 5.3.2优先编码器（74LS147）.13 5.3.3计数器（74LS192）.13 5.3.4显示译码器（CD4511、74LS48）.14 5.3.5控制电路(74LS00和74LS30).16 6分析电路.17 6.1调试锁存器电路.17 6.2调试编码与译码显示电路.18 6.3调试控制电路.18 6.4秒脉冲.19 6.5调时电路.197电路仿真.208实物图.219心得体会.23参考文献.24附录.25摘 要本设计是一个八路竞赛抢答器，采用中小规模集成电路实现。电路包括以下几部分：抢答判别部分、显示部分、时序控制部分、定时部分和报警部分、主持人部分及时间设定部分。电路选用优先编码74LS148、锁存器74LS279、74LS48译码器和一个七段数码管组成的抢答显示电路；定时显示主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制可逆计数器74LS192减法计数电路和两个4段数码管等相关电路组成；由555定时器和三极管构成的报警电路。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，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布开始抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：编号锁存、优先判断、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开关。 通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。1设计目的1. 通过课题设计一个八路抢答器与可调定时器，运用所学数字电子电路的知识进行理论设计、安装调试、后期制作、分析总结等环节，以提高在电子技术方面的实践技能和科学作风，学习掌握工程设计的方法和组织实践的基本技能。2. 能力培养要求： （1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。 （2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 （3）掌握常用仪器的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。 （4）综合利用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。 （5）培养严谨认真的工作作风和严谨的科学态度。2 设计指标及要求2.1基本要求（1）给定的主要器件：74LS148 74LS279 74LS48 74LS192 NE555 74LS00 发光二极管 共阴极显示器 74LS121 （2） 功能要求：设计一个智力竞赛抢答器，可同时共 8 名选手参加比赛，并具有定时抢答功能。具体功能要求如下： 2.2基本功能： （1） 设计一个智力竞赛抢答器，可同时供 8 名选手或 8 个代表队参加比赛，他们的选号分别是 0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是 S0,S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 （2） 给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。 （3） 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 2.3提高要求（1）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（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时。同时扬声器发出短暂的响声，响声持续0.5秒左右。发光二极管灯亮。（2）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。（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并 禁止抢答，定时显示器上显示00。3 设计方案与论证 方案一：使用单片机的相关知识做一个计数器和相关的清零电路，配置八个分电路给八位选手，使用数码管显示输出的数据。控制电路相对比较简单，但需要较高的编程能力。 方案二：该方案核心元件是一个8D锁存器74HC573实现抢答与锁存功能。它的8个输入分别由限流电阻接到抢答按钮处由选手控制。主持人控制清零复位按钮。74HC573的8个输入接到8输入与非门与非后的结果再与电阻R9与非后接到74HC573的所存允许控制端LE端。如此一来，在主持人按下清零按钮后，只要有一个选手按下抢答按钮，则经过一系列与非LE就跳变高电平，使得74HC573处于锁存状态。那么其他选手再按抢答按钮就无效了。同时74HC573的 8个输出接到编码器的输入端，编码后再由译码器译码后由七段共阴数码管显示出来。为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74HC573的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74HC573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。音频电路可以用二极管的开关特性来控制。 方案三：该电路采用的主要是一个8D触发器集成电路74LS273，接通电源后，复位电路产生复位电压并加至 IC1 的CR端，使 IC1 清零复位。 在未按动抢答按钮 S1-S8 时 ,IC1 的八个输入端 (D1 D8 )和八个输出端 (Q1 Q8) 均为低电平，晶闸管 VT 处于截止状态，LED 数码显示器无显示，扬声器 BL 无声音。当按动抢答按钮 S1-S8 中某支开关时，与该开关相接的隔离二极管将导通，使 VT 导通，其阴极变为高电平；一方面通过C2触发音乐集成电路 IC3 , 使其工作，驱动扬声器 BL 发出 “叮、咚 ”声；另一方面使 IC1 的 CK 端由低电平变为高电平，使 IC1 内相应的触发器动作，相应的输出端输出高电平并被锁存。此高电平经IC2译码处理后，驱动 LED 数码显示器显示相应的数字( 若按动按钮S8，则 IC1 的D8和Q8端均变为高电平，LED 数码显示器显示数字“8”) 。一旦电路被触发工作后，再按其他各抢答开关时，均元法使 IC1 的输出数据再发生改变，LED 数码显示器中显示的数字也不会变化，扬声器 BL 也不会发声，从而实现了优先抢答。只有在主持人按动一下复位按钮 SO 后，电路将自动复位，LED 数码显示器上的数字消失，才能进行下一轮抢答。 经过论证，由于单片机方面的知识欠缺和相应的编程能力不强，所以方案一首先被否决，方案二主要采用集成组合逻辑电路，方案三主要采用的是集成时序逻辑电路。方案三比方案二更容易实现，所以我选择方案三。4总体框图设计与论证 图1设计原理方框图如图所示为总体方框图。其工作原理为：1.接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于静止状态，编号显示器和指示灯灭，等主持人将开关置“开始”位置后，抢答器处于等候状态，此时可以进行抢答。2.抢答器完成，优先判断抢答的组号，并将编号进行锁存，然后通过译码器将编号显示在七段数码管上，并且扬声器提示。3.如果再次抢答必须由主持人操作“清除”和“开始”状态的开关，即需要主持人清零。4.选手答题时可以通过可调计时器设定时间。5功能模块设计及系统工作分析5.1功能模块设计图2 抢答器电路原理图数字竞赛器的电路原理图如图1-2-1，该竞赛器电路由复位电路、抢答触发控制电路、 LED 数码显示电路、计时电路等组成。复位电路由复位按钮、限流电阻、两输入与非门74LS00、八输入与非门74LS30以及D锁存器74LS573的两个使能控制端锁存允许端LE端（高电平有效）和三态允许控制端OE端（低电平有效）等组成。抢答触发控制电路由抢答按钮 -、限流电阻 -以及74LS573的八个输入端等组成。 LED 数码显示电路由10线-4线的编码器74LS147、七段译码器CD4511、七段共阴数码管等组成。可调计时器的原理图如图2，该电路主要由555提供计数脉冲，经过74LS192组成的计数电路，由4511与74LS48译码，再由数码管显示所构成。其中主要由74LS00与非门构成的二选一数据选择器和RC去抖动电路实现该电路的可调性和延伸性。5.2抢答器原理5.2 系统工作原理分析图3可调计时器电路原理图数字抢答器的电路原理图如图3，该电路采用6个数字集成电路，其中74LS573为D锁存器，74LS30为8输入的与非门，74LS00为两输入与非门，74LS147为10线-4线的编码器、CD4511为七段译码器、以及七段共阴数码管等组成。为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74LS573的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74LS573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示，这样正好满足了电路的要求。 比赛时，、由参赛选手控制，由主持人控制。该键在主持人喊“开始”前按下，开始后当任意一个选手抢先按下按钮时，74LS30的输出将跳变为低电平，这个低电平使74LS573处于锁存状态，那么其他选手再按抢答按钮就无效了。此时它的输出、.被锁存，随即编码器进行编码。74LS147为10线到4线的编码器，输入端为低电平有效，输出为反码。编码完毕经CD4511译码后通过七段共阴数码管将相应抢答选手编号显示出来。同时74LS30的这个低电平使二极管VD导通，驱动蜂鸣器BL发出“嘀”声。 一轮抢答结束，由主持人按动清除复位按钮，对D锁存器进行解锁。又进行下一轮抢答。当允许数据输入时，74LS573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。同时BL不发音音。5.3主要元器件功能介绍5.3.1 锁存器(74HC573) 锁存器74HC573的输出端为 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时， 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时， 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据D 而变。当LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。 输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上。 操作电压范围：2.0V6.0V 低输入电流：1.0uA CMOS 器件的高噪声抵抗特性 引出端符号： 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 输出端 74LS573外部管脚图如图4： 图4 74LS573引脚图 真值表如表1所示： 表1 74LS573真值表 5.3.2 优先编码器（74LS147） 优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147的引脚图如图3.4所示，其中第9脚NC为空。74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。 图5 74LS147引脚图5.3.3 计数器 （74LS192） 192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时， 不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。192 的预置是异步的。当置入控制端（）为低电平时， 不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态。 192 的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4 个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时， 错位输出端（）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。功能表如表2： 表2 74LS192真值表5.3.4 显示译码器（CD4511、74LS48） CD4511、74LS48是用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。引脚排列如图 3.5 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。 图6 CD4511引脚图 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 图7 74LS48引脚图 输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。 当要求输出 015 时，消隐输入（）应为高电平或开路，对于输出为0 时还要求脉冲消隐输入（）为高电平或者开路。 当为低电平时，不管其它输入端状态如何，YaYg均为低电平。 当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（）为高电平时， Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（）也变为低电平。 当为高电平或开路时，为低电平可使YaYg均为高电平。 48 与248 的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6 和9,248 所显示的6 和9 比48 多出上杠和下杠。 引出端符号 A0A3 译码地址输入端 /消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） 灯测试输入端（低电平有效） 脉冲消隐输入端（低电平有效） YaYg 段输出 5.3.5 控制电路(74LS00和74LS30)74LS30 74LS00的引脚图真值表下（图8和图9）：图8 74LS30的引脚图及真值表图9 74LS00的引脚图及真值表6分析电路6.1调试锁存器电路图10 锁存电路 如果不能锁存，或是锁存不了1和7，则问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。锁存电路的设计原理是：启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。如何设计呢，我们对09十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。由此可以区分0与其它数字。我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1（锁存与否）。当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时， LE=1，芯片锁存。这样只要显示器上显示为0，CD4511译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示18的数字，LE=1芯片锁存显示18的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。例如键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按，显示器上仍显示1，按下之后的任一按键信号均不显示。直到主持人按清零键，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。若所有的数字都不能锁存，说明不管LED显示什么数字，CD4511管脚的5脚输入为低电平，可能是5脚与地短接或者是锁存电路的两个二极管VD13和VD14断开等故障；若只有1和7两个数字不显示则可以分析一下其原因：显示1和7数字时g段不亮，CD4511的g输出端为低电平，VD14截止，而b段亮d段不亮本应该三极管VT截止而使VT13导通，产生高电平（锁存信号）给LE， 现在不能锁存说明VD13截止，推断是三极管击穿损坏。6.2 调试编码与译码显示电路显示器上不显示数字，我们从后级往前级进行测试，首先用1.52V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。若完好则继续检测CD4511芯片是否完好。在CD4511的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码，看是否能显示数字。无显示的故障一般问题出在这两个环节。若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出ag与LED管的ag笔段是否连接有错。其方法是CD4511的输出ag分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。如果有什么错误的话要立刻对所得电路作相应的调整。然后把正确的电路接好，然后再进行调试。图11 编码与译码显示电路6.3 调试控制电路 在测试的过程中一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。比如，针对LED管，高电平只能用1.52V,而在CD4511的输入端高电平要用到8V以上的电源电压。选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。 进行整体电路调试，观察抢答器工作情况，并记录结果。6.4秒脉冲 由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，产生1Hz的脉冲信号。图12 秒脉冲产生电路6.5 调时电路 当要为选手给定答题时间时，可以通过调整十位和个位得到所要的时间。由于开关闭合和断开是能会产生抖动，为防止这一情况的发生我们接入一个RC组成的防抖动电路来控制。图13 调时电路7电路仿真 图14仿真图8实物图图15实物图图16仿真图9心得体会俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是做好设计的预习，认真的研究老师给的题目，选一个自己有兴趣的题目。其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便。硬件的设计跟焊