电 子 电 工 教 学 基 地

1 电电 子子 电电 工工 教教 学学 基基 地地 实实 验验 报报 告告 实验课程 实验课程 数字电子技术实验 三 数字电子技术实验 三 实验名称 实验名称 八路抢答器的设计八路抢答器的设计 记分式智力八路数字抢答器的设记分式智力八路数字抢答器的设 计计 一 实验目的 二 设计要求与内容 2 三 实验设计及原理 各模块设计方案及原理说明 四 电路仿真 五 实验结果及分析 六 实验总结及体会 七 元件清单 八 参考资料 一 实验目的 通过记分式智力八路数字抢答器的设计实验 要求学生回顾所学数 字电子技术的基础理论和基础实验 掌握组合电路 时序电路 编 3 程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法 达到数字实验课程 大纲所要求掌握的基本内容 二 设计要求与内容 有许多比赛活动中 为了准确 公正 直观地判断出第一抢答者 通常设置一台抢答器 通过数显 灯光及音响等多种手段指示出第 一抢答者 同时 还可以设置记分 犯规及奖惩记录等多种功能 1 设计制作一个可容纳 8 组参赛的数字式抢答器 每组设置一个 抢答按钮供抢答者使用 2 电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能 在主持人系统发出 抢答指令后 若参赛者按抢答开关 则该组指示灯亮并用组别显示 电路显示出抢答者的组别 同时扬声器发出 嘀 嘟 的双音音响持 续 2 3s 此时 电路应具备自锁存功能 使别组的抢答开关不起作 用 3 设置计分电路 魅族在开始时设置成 100 分 抢答后由主持人 记分 答对一次加 10 分 否则减 10 分 4 设置犯规电路 对提前抢答和超时抢答的组别鸣喇叭示警 并 由组别电路显示出犯规组别 三 实验设计及原理 一 总体方案设计 设计思路 1 本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存 实 现这一功能可用触发器或锁存器等 在得到第一信号之后应立即将 4 电路的输入封锁 即使其他组的抢答信号无效 同时还必须注意 第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效 否则应视为 提前抢答而犯规 2 当电路形成第一抢答信号之后 用编码 译码及数码显示电路显 示出抢答者的组别 也可以用发光二极管直接指示出组别 还可以 用鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频率交替变化的音 频振荡器工作 使其推动扬声器发出两态笛音音响 表示该题抢答 有效 3 计分电路可采用 2 位 7 段数码管显示 由于每次都是加或减 10 分 故个位总保持为零 只要十位和百位作加 减计数即可 可采用 两级十进制加 减计数器完成 4 在主持人没有按下开始抢答按钮前 若有人提前抢答 则鸣喇叭 嘟 表示有组别提前抢答 当主持人按下开始抢答按钮后 开 始进行 30 秒倒计时 此时 若有组别抢答 显示该组别并伴有 嘀 嘟 的双音音响持续 2 3s 当计时时间到 仍无组别抢答 则会 发出 嘀 的声音 主持人清零后开始新一轮抢答 总电路框图 二 各模块设计方案及原理说明 1 抢答电路 此部分电路主要完成的功能是实现 8路选手抢答并进行锁存 同 时有相应发光二极管点亮和数码显示 利用74LS148优先编码器对所有组别进行抢答时的输入信 5 号进行编码 将输出结果输入四个 RS触发器进行信号保持 同时利 用的返回值控制 74LS148优先编码器的使能端 即只要有一组选手 先按下抢答器 就会将编码器锁死 不再对其他组进行编码 通过 74LS283加法器使抢答组别数字显示 1 8 清零时显示 9 另外 将 通过加法器的输出信号输入 74LS42译码器 使抢答组别对应在输 出端产生低电平从而使相应的发光二极管点亮 原理图如下 U1 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 VCC 5V VCC 5V VCC 5V VSS 0V VSS 0V VSS 0V VSS 0V J1 Key Space J2 Key Space J3 Key Space J4 Key Space J5 Key Space J6 Key Space J7 Key Space J8 Key Space J9 Key Space U3A 74LS00N U3B 74LS00N U3C 74LS00N U3D 74LS00N U4A 74LS00N U4B 74LS00N U4C 74LS00N U4D 74LS00N U2 DCD HEX BLUE U6B 74LS04D U6C 74LS04D U7 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7LED1 R1 1k LED2 R2 1k LED3 R3 1k LED4 R4 1k LED5 R5 1k LED6 R6 1k LED7 R7 1k LED8 R8 1k 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 VSS 23 22 19 18 VSS VCC 9 13 12 11 VCC 10 8 7 6 5 4 3 2 1 VSS 21 20 24 VCC U5 74LS42N A 15 B 14 C 13 D 12 O0 1 O3 4 O4 5 O5 6 O2 3 O1 2 O8 10 O7 9 O6 7 O9 11 14 1516 17 36 37 38 39 40 41 42 43 2 加减法计数电路 此部分电路主要完成的功能是实现每一组的加减记分功能 利用两片74LS193加减计数器分别实现加数和减数功能 即当按 下加 减 按钮时 进行数字加 减 运算 即控制up与down端 的电位 再用两片 74LS85比较器完成清零和进位 需要用 74LS283 6 加法器实现个位数的数码显示 原理图如下 U1 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U2 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7 U3 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 8V VCC 8V VCC 8V U6 DCD HEX YELLOW U7 DCD HEX YELLOW VSS 0V VSS 0V VSS 0V U8 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 J1 Key Space U9A 74LS04D 16 15 14 13 12 10 VSS VSS VCC 4 3 21 U10 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VCC 8V VSS 0V VCC VSS J2 Key Space 18 VCC VCC U9B 74LS04D U9C 74LS04D 9 6 57 22 17 8 11 VSS 3 倒计时电路 此部分电路主要完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后 进行30s倒计时 到0s时喇叭发出 嘀 的声音 首先用 555 定时电路产生秒振荡频率 控制 74LS193 加减计数器的 down 输入端 按秒频率减数 利用一片 74LS85比较器控制高位减法 另一片74LS85比较器完成当计时器显示 0s时使另一个 555定时电路产生振 荡 放大后可推动喇叭发声 原理图如下 7 U1 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U2 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7 U3 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 8V VCC 8V VCC 8V U6 DCD HEX YELLOW U7 DCD HEX YELLOW VSS 0V VSS 0V VSS 0V U9C 74LS04D U10 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VCC 11 VSS VCC VCC 8V J3 Key Space VCC 8V V1 400 Hz 8 V VCC A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R2 69k R3 100k C3 50nF C4 100nF VCC 5V VSS 0V XSC2 A B Ext Trig VSS 20 VCC 16 19 15 U5C 74LS04D 18 VSS 17 VCC VSS 4 U11D 74LS00N 10 24 28 U8 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VSS 0V 14 9 1 3 2 VCC VSS 8 7 12 13 56 21 4 抢答信号发声电路 此部分电路主要完成的功能是在选手按下抢答器后发出 嘀 嘟 的双音音 响并持续 2 3s 选手按下抢答器后会使 74LS195移位寄存器开始移位 可以使用倒计 时电路中的 555定时电路产生的秒振荡频率来控制移位速度 使发声 时间保持 2 3s 移位寄存器的输出端分别控制两个不同参数的 555 振荡电路 发出不同频率的响声 即 嘀 嘟 的双音音响 原理图如下 8 VSS 0V A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R2 100k R3 100k C3 47nF C4 10nF XSC2 A B Ext Trig VCC VSS 6 7 5 U5 74LS195D A 4 B 5 C 6 D 7 K 3 QA 15 QB 14 QC 13 QD 12 J 2 CLR 1 SH LD 9 CLK 10 QD 11 VCC 5V VSS 0V J4 Key Space VCC 9 VCC 5V VCC 5V VSS 0V VSS 0V VSS 0V A2 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R5 50k R1 50k C5 47nF C1 10nF A3 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R4 50k R6 100k C2 47nF C6 10nF XSC3 A B Ext Trig XSC1 A B Ext Trig 24 VSS 23 VSS VCC 21 22 20 VSS VCC 18 19 14 1 2 VSS 8 5 语音信号的放大输出电路 此部分电路主要完成的功能是将555定时电路产生的高低电平以语音信号输出 将两个555定时电路的 out端通过或门后输入进三极管进行放大 原理图如下 四 电路仿真 1 抢答电路仿真 第五路抢答器抢答后的显示 同时对应的发光二极管发光 如 9 下图 U1 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 VCC 5V VCC 5V VCC 5V VSS 0V VSS 0V VSS 0V VSS 0V J1 Key Space J2 Key Space J3 Key Space J4 Key Space J5 Key Space J6 Key Space J7 Key Space J8 Key Space J9 Key Space U3A 74LS00N U3B 74LS00N U3C 74LS00N U3D 74LS00N U4A 74LS00N U4B 74LS00N U4C 74LS00N U4D 74LS00N U2 DCD HEX BLUE U6B 74LS04D U6C 74LS04D U7 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7LED1 R1 1k LED2 R2 1k LED3 R3 1k LED4 R4 1k LED5 R5 1k LED6 R6 1k LED7 R7 1k LED8 R8 1k 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 VSS 23 22 19 18 VSS VCC 9 13 12 11 VCC 10 8 7 6 5 4 3 2 1 VSS 21 20 24 VCC U5 74LS42N A 15 B 14 C 13 D 12 O0 1 O3 4 O4 5 O5 6 O2 3 O1 2 O8 10 O7 9 O6 7 O9 11 14 1516 17 36 37 38 39 40 41 42 43 2 加减法计数电路 通过加减计数调节到数字 11 下面是高位 如下图 U1 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U2 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7 U3 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 8V VCC 8V VCC 8V U6 DCD HEX YELLOW U7 DCD HEX YELLOW VSS 0V VSS 0V VSS 0V U8 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 J1 Key Space U9A 74LS04D 16 15 14 13 12 10 VSS VSS VCC 4 3 21 U10 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VCC 8V VSS 0V VCC VSS J2 Key Space 18 VCC VCC U9B 74LS04D U9C 74LS04D 9 6 57 22 17 8 11 VSS 3 倒计时电路 10 在倒计时过程中 555 定时电路不工作 下面是高位 无输出波形 如下图 U1 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U2 74LS283D SUM 4 10 SUM 3 13 SUM 1 4 SUM 2 1 C4 9 B4 11 A4 12 B3 15 A3 14 B2 2 A2 3 B1 6 A1 5 C0 7 U3 74LS193D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 VCC 8V VCC 8V U6 DCD HEX YELLOW U7 DCD HEX YELLOW VSS 0V VSS 0V VSS 0V U9C 74LS04D U10 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VCC 11 VSS VCC VCC 8V J3 Key Space VCC 8V V1 400 Hz 8 V VCC A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R2 69k R3 100k C3 50nF C4 100nF VCC 5V VSS 0V XSC2 A B Ext Trig VSS 20 VCC 16 19 15 U5C 74LS04D 18 VSS 17 VCC VSS 4 U11D 74LS00N 10 24 28 U8 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 VSS 0V 14 9 1 3 2 VCC VSS 8 7 12 13 56 21 11 当倒计时显示 00 时 555 定时电路开始振荡 如下图 4 抢答信号发声电路 当 74195 工作即支持人按下开始抢答开关 有两个不同频率的波形 输出 如下图 五 实验结果及分析 在完成各个部分的实验设计仿真后 就需要将各部分连接起来由于 都是由抢答信号控制 所以只需要将抢答信号输出 作为其他电路 12 的控制源 具体的过程是将显示组别前的二进制码输入有预置的 7485 比较器 输出比较结果的高低电平来启动犯规电路 抢答发声 电路 同时 主持人有两个开关 分别控制组别的清零和倒计时电 路的开启 最后一级是语音信号的放大输出 六 实验总结及体会 这次实验是数电实验的最后一个综合性实验 通过这次实验 使我们将以前我们所学习到的芯片知识综合应用到这个实验上 从 结