三路抢答器设计

数字电路课程设计一、 设计任务和要求：1. 抢答器同时供 3 名选手抢答，分别用 3 个按钮 D1、D2、D3 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，且一次抢答的时间为 8 秒。当主持人启动开始键后，定时器进行计时（0-7） 。5.主持人没有闭合开关之前，有人抢答，数码管显示对应的选手编号，且红灯亮，当 所有选手闭合自己对应的开关时，编号数码管清为 0。6. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，计数器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间,绿灯亮，并保持到主持人将系统清除为止。7. 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 8,且黄灯亮以示警告时间已到,若有人抢答，显示抢答人组号并锁存,直到主持人将系统清零，即黄灯灭，两个数码管显示都为 0。二、 实验框图：1、设计方案 ：抢答器具有锁存、定时、显示功能。抢答之前，两个数码管显示为 0，即主持人没有按下开始按钮之前，有人抢答，亮红灯给以警告，数码管显示对应的选手编号，当选手闭合自己的开关时，对应数码管显示为 0；当主持人按下开始按钮后，进行抢答，若有人抢答，锁存器锁存选手号和抢答时的时间，同时亮绿灯，直到主持人清零，系统才能再次正常工作；如果时间已到，没有人回答，黄灯亮，即在 8 秒的时刻，如果有选手抢答，锁存器锁存选手号，数码管并将选手号显示出来，直到主持人清零。2、系统框图 ：当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行计时，并通过译码器在数码管中显示。当某选手按开关键时，通过控制电路控制锁存器的使能端，并在锁存器中锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，然后在译码器中译码，将编码器输出的 8421BCD 转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。161 全加器抢答按钮 75 锁存器 48 译码器 显示译码555 秒脉冲产生器器48 译码器 显示译码控制电路主持人开关 报警灯三、 单元电路设计：1、实验器材器件名称 数量 备注 器件名称 数量 备注74LS00 1 二输入与非 74LS04 1 非门74LS08 1 二输入与门 74LS20 1 四输入与非74LS32 1 二输入或门 74LS48 2 译码器74LS75 1 锁存器 74LS161 1 加法计数器555 1 定时器 电阻 4电容 2 LED 3数码管 2 导线 若干2、脉冲产生电路由 555 定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为计数器的 CP 脉冲，电路如下图所示：R4 DC 7Q 3GND1VC8TR2 TH 6CV5 U1555VCCGNDR14k7R2100kC14.7ufC20.01uUCC 接+5V 电源，C1 为 4.7Uf，C2 为 0.01Uf,R2 为 100K,R 为 4.7K，第 3 管脚为 CP 脉冲的输出端,接发光二极管可测试是否有脉冲产生。脉冲波形图：3、定时电路：由计数器 74LS161，74LS48 和数码管构成。此电路用一片 74161 来实现模 9 的计数器，用同步置数法来实现，当计数到 1000 后，抢答无效。利用到 1000 时的状态，可以领用最高位 Q3 输出的高电平取非与脉冲信号相与，使计数器上没有脉冲信号，计数器停止计数,停止到某一状态，同时也可以利用最高位控制黄灯，到 1000 时最高位是高电平，说明时间已经到了，黄灯亮，0到 7 的时间段内最高为都是低电平所以黄灯不会亮。当主持人开关闭合时，计数器在不停地装载数据，输入引脚都是 0，所以输出也是 0，在抢答开始之前数码管使显示就为 0。当主持人打开开关时，异步清零端 MR 和同步置数端 LOAD 都接高，计数器正常工作。有人抢答时，利用锁存器引脚输出的电平控制使能端 ENP，是计数器停止工作。计数器的它从 0000 到 1000，其状态转移图如下：定时电路图：00001000 011101000010 0011011000010101DCBA/Z/0/0 /0/0/0/0/1/0 /0D03 Q0 14D14 Q1 13D25 Q2 12D36 Q3 1RCO15ENP7ENT10 CLK2 LOAD9MR1U374LS161A7 QA 13B1 QB 12C2 QC1D6 QD10BI/RBO4 QE 9RBI5 QF 15LT3 QG14U574LS481 10U9:E74LS04SSW-SPST4、抢答电路由 74LS75D 触发器，74LS48 译码器和数码管组成该电路完成两个功能：一是分辨出抢答的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是其他选手按键操作无效。这两个功能只能在抢答时间内和超时使用，而且要配合芯片所对应的门电路才能实现以上描述的功能。其工作过程：开关 S 开始接地，锁存器输出端 Q1、Q2、Q3 均为 0，且开始时 3 个选手开关均接地。计时没开始，在主持人打开开关前如有选手拨动开关则红灯亮同时数码管显示其号码，红灯亮主要是锁存器的四个非门接到四输入与非门上，只要有选手打开自己的开关，四输入与非门就输出高电平，加上一些门电路，则红灯亮。当主持人打开开关接通后，计时器开始计时，此刻选手可以打开自己的开关，显示器显示其号码,且锁存器此时锁定，其余输入均无效，绿灯亮。绿灯的亮是由四输入与非门，和计数器输出最高位的非一起控制，经过门电路，则绿灯亮。当主持人闭合开关时，系统清零，可以重新工作。在设计时，由于没有或门的使用，只用了触发器输出的非门端口。锁存器输入 锁存器输出D1 D2 D3 Q1 Q2 Q31 0 0 1 0 00 1 0 0 1 00 0 1 0 0 1抢答电路图：D02Q016 Q01D13Q115 Q114D26Q210 Q21D37Q39 Q38E0/113 E2/34U274LS75A7 QA 13B1 B 12C2 QC 1D6 D 10BI/RBO4 QE 9RBI5 F 15LT3 QG 14U474LS481 23 U6:A74LS04 56 U6:B74LS012 456 U7:A74LS20SW1SW-SPST2SW-SPST3SW-SPST5、整体电路图R4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U15D02Q016D13Q1154D26Q210D37Q398E0/1132/34U274LS75D03 Q014D14 113D25 Q212D36 31RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS16A7 QA13B1 B12C2 QC1D6 D10BI/RBO4 QE9RBI5 F15LT3 QG14U474LS48A7 QA13B1 B12C2 QC1D6 D10BI/RBO4 QE9RBI5 F15LT3 QG14U574LS48123U6:A74LS0456U6:B74LS0VCGNDR14k7R210kC14.7ufC20.1u12456U7:A74LS20123U8:A74LS08456U8:B74LS089108U8:C74LS0812131U8:D74LS0812U9:A74LS0434U9:B74LS04D2RED D3GRENSW1S-SPT2SW-SPT3SW-SPT1 10U9:E74LS04D1YELOW1312U9:D74LS04SW5SW-SPT123U10:A74LS32D4BLUE要测试控制电路要从整体电路着手，这样才能观察到电路的实现与所设计的理论是否相符。如果有问题就要从电路的连接，导通，以及各芯片引脚值进行分析，直到电路正常工作。本次实验不足的地方就是在抢答之前没有进行对选手抢答的锁存，在仿真环境中设计了，也实现了，还不是很完美，就不再描述了。四、 遇到的问题及解决方案领到了实验的器材和工具，设计电路图的问题不多，在连接和调试的过程中遇到了不少的问题。但是通过自己的思考还有老师的帮助还是得到了解决。在仿真环境下模拟好电路图，可以正常工作，但在实际中就不行，所以要联系实际。按照电路图接好电路后，分模块进行调试。先调试脉冲产生电路，因为比较简单没有出现什么问题，可以加一个 LED 灯测试脉冲是否正常。抢答电路的部分，出现最多的就是面包板的问题，模块连接好，就是不能正常显示，用万用表的测，芯片的引脚与相连的引脚不导通，换地方重新接，或者用导线直接连接引脚，问题才得以解决。调试定时电路时，出现的又是新问题，引脚都导通，就是计数器不工作，所以用万用表测试芯片上每个引脚上的电压值，分析出出现问题的原因，也可能要检查上一级的电路是否正确，也就是芯片的输入是否正确。第一个问题是：在模拟环境中模拟时，两路输出的可以接同一条线，但在试验中要用或门，只用这样引脚上的电压值才不会出错；第二个问题是：测完引脚的工作电压、以及输入电压均正常，输出也基本正常，换个计数芯片后，电路正常工作。在控制电路的调试过程中，要统一全局，总结以上出错的原因的经验，在进行分析，比如：在主持人没按开始按钮之前，选手违规红灯亮，主持人按下开始抢答时，选手抢答红灯、绿灯都亮，超时之后，红灯也亮，通过检查电路，除了电路连接错外，还有线路不通，这个问题解决后，整体电路基本可以工作，就是有的线路会出现不稳定。在完成以上的功能后，还有一点不完美的就是，在抢答之前，选手抢答没有锁存。这次完成的基本电路中，有人抢答就会亮红灯给以提示，之后在仿真图中加了抢答之前的锁存，在连接电路图中还有问题，需要一个专门的清零开关，和主持人的开始开关。五、 心得体会：这次实习主要是针对我们所学的数电知识中各种芯片的理解和应用，以及设计电路的基本步骤。现在我可以主动的去学习，我明白自己该学习那个方面，重点是什么？我也掌握的了在理论中遇到问题，应该怎样去解决，在实际中遇到迷团应该怎样去检查调试。在设计电路的一般步棸：首先要分析每个芯片的基本功能、工作的状态；其次分析所设计电路的功能，以及应用芯片来实现。最后就是搭电路、调试，最重要的就是调试，把理论变成实际。我所设计的抢答器主要是: 1、由具有锁定功能的 D 触发器 74LS75，由输出的四个非经过一个四输入与非门的非和主持人的开关的或门反馈到其是能端的 ENT 和 ENP（正常工作时为“1” ，不工作时为“0” ）来进行锁定选手的抢答，和显示提前抢答的选手号（只要有一个人进行抢答则输出端的非必有一个为 0，然后经过一些门电路到 ENP 则为 0，故锁定其他选手的抢答） 2、74LS161 实现主持人这块的 8 秒的计时，利用四个输入端全接“0” ，输出端 Q3 的与非到置数端/LD 实现模 9 计数，然后是主持人开关、555 产生的 CP 脉冲，74LS161 输出端的 Q3 的与非，以及 7475 的输出的四个非经过一些门电路来控制 74LS161 的 CP 脉冲，目的是实现选手抢答计时停止；计时到 8 时计时也停止，避免循环的计时，也控制黄灯的的显示；以及主持人开关进行清零控制。3、进行红灯和绿灯的控制，通过主持人开关以及 74LS75 的输出的控制实现了红绿灯的显示。通过这次实习使我深深的体会到了理论与实践的结合的重要性，所学的要运用与实际中，在进行实验板的连接时体会很深，在电脑上已经成功的仿真，而在连接电路板时发现经常出现不了效果，最深刻的就是模拟中两个输出的可以接到一起，但在实际中就是不行，必须用或门连接才行，所以设计电路中必须注意每条线上要有输入输出。在搭电路过程中，不是面包板的问题就是连接线的问题，或者芯片的问题，测试引脚的导通性和结合电路图测试引脚的电压值，分析原因，改正电