智力竞赛抢答器

1 电子技术课程设计报告电子技术课程设计报告 学 院 电气与电子工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 林喜荣 完成时间 2013 12 21 成 绩 评阅意见 评阅教师 日期 2 多路智力抢答器设计报告 一 设计要求 试用中小规模集成电路设计并制作一各多路智力抢答器 指标要求如下 1 四名选手编号为 A B C D 各有一个抢答按钮 按钮的编号与选手的编 号对应 也分别为 A B C D 2 给主持人设置一个控制按钮 用来控制系统清零 编号显示数码管灭灯 和抢答的开始 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 改选手编号立即锁存 并在编号显示器上显示该编号 同时封锁输入编码 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 二 设计的作用 目的 关于这次设计的用于智力竞赛抢答的器件 在现实生活中很常见 尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展 越来越多的竞赛抢答器被用在了 其中 这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力 而且能增加节 目现场的紧张 活跃气氛 让观众看得更有情趣 可见抢答器在现实生活中确 实很实用 运用前景非常广泛 在知识竞赛中 特别是做抢答题时 在抢答过程中 为了知道哪一组或哪 一位选手先答题 必须要有一个系统来完成这个任务 如果在抢答中 只靠人 的视觉是很难判断出哪组先答题 这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙 的设计抢答器 使以上问题得以解决 即使两组的抢答时间相差几微秒 也可 分辨出哪组优先答题 本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计 以及它的实 际用途 在设计与制作实验的过程中 结合所学理论知识 进行电子应用电路的设 计 组装与调试 以此来学会测试中规模集成电路的逻辑功能 做到 1 能用中规模集成电路及其基本门电路制作出多路抢答器 2 能查阅手册 了解常用中规模集成电路的逻辑功能 3 会用中规模集成电路设计出一定功能的组合逻辑电路 4 掌握使用数字电路集成芯片设计一个智力竞赛抢答器电路的方法和实践 技能 为以后从事生产和科研工作打下坚实的基础 三 设计的具体实现 1 系统概述 3 1 数字抢答器总体方框图 如图 11 1 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 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 定时器显示零 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 方案说明 方案说明 以下设计的是智力抢答器的方案流程图 秒脉冲计时控制 抢答关于 这次设计的用于 智力竞赛抢答的 器件 在现实生 活中很常见 尤 其是在随着各种 智益电视节目的 不断发展 越来 越多的竞赛抢答 器被用在了其中 这种抢答器的好 处是不仅能够锻 炼参赛选手的反 应能力 而且能 增加节目现场的 紧张 活跃气氛 让观众看得更有 情趣 可见抢答 器在现实生活中 确实很实用 运 用前景非常广泛 在知识竞赛 中 特别是做抢 答题时 在抢答 过程中 为了知 道哪一组或哪一 位选手先答题 必须要有一个系 统来完成这个任 务 如果在抢答 中 只靠人的视 觉是很难判断出 哪组先答题 这 次设计就是用几 个触发器以及三 极管巧妙的设计 抢答器 使以上 问题得以解决 即使两组的抢答 时间相差几微秒 也可分辨出哪组 优先答题 本文 主要介绍了抢答 器的工作原理及 设计 以及它的 实际用途 在设计与制 作实验的过程中 结合所学理论知 识 进行电子应 用电路的设计 组装与调试 以 此来学会测试中 规模集成电路的 逻辑功能 做到 1 能用中规 模集成电 路及其基 本门电路 制作出多 路抢答器 2 能查阅手 册 了解 常用中规 模集成电 路的逻辑 功能 3 会用中规 模集成电 路设计出 一定功能 的组合逻 辑电路 4 掌握使用 数字电路 集成芯片 设计一个 智力竞赛 抢答器电 路的方法 和实践技 能 为以 后从事生 产和科研 工作打下 坚实的基 础 控制器 光提示 计时显示 主持人控制 2 单元电路设计 或仿真 与分析 抢答器电路原理图 4 电路元件实物图 抢答器电路实物图 5 2 单元电路设计 或仿真 与分析 1 抢答按钮电路 本次设计的智力抢答器供四人抢答使用 需要有四个抢答开关和一个主持 人控制开关 每个开关如果想要将控制信号输入 74LS175D 芯片内的 D 触发器进 行锁存 则需要在开关两侧分别串入直流稳压电源和定值电阻 这样在开关闭 合时 将会向 74LS175 芯片的 D 触发器输入高电平 该部分电路图如下图所示 6 A B C D 号选手分别对应 J1 J2 J3 J4 四个开关 每个开关闭合时将会 对 74LS175 芯片的 1D 2D 3D 4D 接口输入高电平 启动 D 触发器 而主持人 控制开关 J5 闭合时 将会直接对芯片的 CLR 脚口输入高电平清空 D 触发器所有 状态 2 74LS175D 锁存电路 该部分电路的主要作用是记录每位抢答选手的抢答器状态 当只有一位选 手按下抢答器时 其所对应的开关闭合 输出高电平进入 D 触发器 此时其他 选手即使按下抢答器芯片也无法记录 D 触发器输出相应的结果输入进四线七 段数码管译码器 对其进行编码 使数码管显示相应的数字 当同时有两位或两位以上选手按下抢答开关时 74LS175 输出多个信号 经过四输入与非门后将对 CLK 输入信号进行清零 触发器不工作 使当两位或 两位以上选手按下抢答开关这种情况无法向译码器输入有效信号 74LS175 芯片的 CLK 时钟信号由 RC 振荡电路产生 此部分主要电路如下图所示 7 3 数码管译码器显示电路 此部分电路将会对 74LS175D 输出信号进行编码 输出的七段二进制码输入 数码管后将会显示抢答选手所对应的序号 当 A 选手按下抢答器时 74LS175D 芯片 1Q 端输出低电平 通过与非门后 变为高电平输入 74LS48D 的 A 端 而 74LS175D 芯片其余输出脚口输出高电平 经过与非门后输出低电平 因此对于 74LS48D 芯片来说 输入信号由 D 到 A 为 0001 对此信号进行译码 可以得到由 a 到 g 的七段二进制码 0110000 此信 号输入数码显示管后 将会显示数字 1 其余三位选手按下抢答器时将会分别 显示数字 2 3 4 在主持人按下开关时 74LS48D 将会接收到信号 0000 此时输出的七段二 进制码为 0000000 在数码显示管上显示出数字 0 这便是主持人复位开关的原 理及作用 此部分电路的电路图如下 8 3 电路的安装与调试 在这次设计的用于竞赛的抢答器 电路图时很简单 组成器 件应该说都是数电和模电中很常见的 指导老师给出的元件 1 集成电路 74LS20D 2 只 74LS14D 1 只 74LS175D 1 只 74LS48D 1 只 2 电 阻 220 4 只 10k 1 只 1k l 只 3 电 容 1UF 4 BCD 数码显示管 5 5V 直流稳压电源 开关 6 无焊面包板 1 块 在实际连接过程中 由于电路过于复杂 很容易产生连接错位的问题 这 将使电路无法正常工作 常常表现为按下抢答开关数码管显示屏并不显示相应 的数字 或者按下主持人复位开关 屏幕上数字并没有清零 这些都是常见的 错误 通过反复检查电路可以改正这些错误 如果电路连接准确无误 那么在按下 1 号开关时 数码管显示屏上显示数 字 1 然后按下主持人复位开关 数码管显示数字变为 0 此时按下 2 号开关 9 数码管显示屏将会显示数字 2 这样说明电路可以执行其主要功能 电路连接 无误 所有器件正常工作 四 心得体会 存在问题和进一步的改进意见等 1 通过这次课程设计 加强了我动手 思考和解决问题的能力 在整个设计过程中 我总共想过两个方案 另一个方案弄了两天 原理图和仿 真图都实现结果 但实物结果总是实现不了题目的要求 所以我又花了一天的 时间做出这个方案 这个相对另一个方案比较简单 包括电路原理和连接 和 芯片上的选择 2 在设计过程 经常会遇到这样的情况 就是心里想老着这样的接法可以 行得通 但实际接上电路 总是实现不了 所以这几天脑子里总是想着如何解 决这些问题 如何想出更好的连接方法 3 我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强 平时看课本时 有时问题老是弄不懂 做完课程设计 那些问题就迎刃而解了 而且还可以记 住很多东西 比如一些芯片的功时看课本 这次看了 下次就忘了 主要是因 为没有动手实践过吧 认识来源于实践 实践是认识的动力和最终目的 实践 是检验真理的唯一标准 故一个小小的课程设计 对我们的作用是如此之大 优点 元器件较少 功能满足要求 不足 1 在设计时 用了 D 触发器来进行抢答信号的筛选和锁存 在同时按下 SE 和 SA 时 其同时按下的几率较小 其可精确到微秒甚至纳秒级 但情况还 是会存在的 会显示 C 而按 SB 时也会显示 C 所以显示 C 的几率 大一点 但几率很小 改良 可改用编码器和锁存器来代替 D 触发器 2 电路跳线较多 使得电路板外观不好 3 改良 焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接 五 附录 74LS48 芯片 芯片引脚图 10 74LS48 芯片功能表 首先 D 触发器的的构成原件见下图 图 3 2 D 触发器 11 此 D 触发器又叫维持 阻塞边沿触发器 该触发器有六 个与非门组成 其中啊 a 和 b 构成基本 RS 触发器下面分析其 工作原理 Sd 和 Rd 接至基本 RS 触发器的输入端 它们分别是预置和 清零端 低电平有效 当 Sd 0 且 Rd 1 时 不论输入端 D 为何 种状态 都会使 Q 1 0 即触发器置一 当 Sd 1 且 Rd 0 时 Q 触发器的状态为 0 Sd 和 Rd 通常又称为直接置 1 和置 0 端 工 作过程如下 CP 0 时 与非门 c 和 g 封锁 其输出 c e 1 触发器 的状态不变 同时 由于 c 至 f 和 e 至 g 的反馈信号将这两个 门打开 因此可接收输入信号 D f g D Dfg 当 CP 由 0 变 1 时触发器翻转 这时 c 和 e 打开 它们 的输出 c 和 e 的状态由 f 和 g 的输出状态决定 C D e fg 由基本 RS 触发器的逻辑功能可知 Q D D 触发器翻转后 在 CP 1 时输入信号被封锁 C 和 e 打 开后 它们的输出 c 和 e 的状态是互补的 即封锁了 D 通往基 本 RS 触发器的路径 该反馈线起了使触发器维持在 0 状态和阻 止触发器变为 1 状态的作用 故该反馈线称为置 0 维持线 置 1 阻塞线 e 为 0 时 将 c 和 g 封锁 D 端通往基本 RS 触发器 的路径也被封锁 维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下 QQ nn D 1 12 表 3 1 D 触发器真值表 Sd RdCPDQ n Q n 1 10 0 011 11 000 11 010 11 101 11 111 通过对 D 触发器的解释 可以大致看出该抢答器的工作流 程 其核心就是该 D 触发器 当主持人宣布开始抢答时 将开 关 S1 断开 选手迅速按键 假设选手 1 首先按下抢答键 此时 一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使 D1 输出高电平同时将该 高电平信号传送给或非门 通过或非门的判断将信号输送到其 它选手的 D 触发器的 R 端并将其锁定使其无法输出信号 其次 运用了放过 LED 管的单向导电性 节能 性能稳定 能醒目的看出结果 4 CLK 3 D 2 1 Q 5 Q 6 CLR PR U A 54AC74FMQB D 触发器如图 其功能有 图 5 4 D 触发器 13 D 触发器具有接收并记忆信号的功能 又称为锁存器 D 触发器属于脉冲触发方式 D 触发器不存在约束条件和一次变化现象 抗干扰性能 强 工作速度快 74LS20D 芯片 芯片引脚图 两个 4 输入与非门 内含两组 4 与非门 第一组 1 2 4 5 输入 6 输出 第 2 组 9 10 12 13 输入 8 输出 74LS20 的真值功能表如下 14 74LS14D 芯片 该芯片是六路施密特触发反相器 其引脚图和真值表如下 74LS00D 芯片 15 该芯片是四 2 输入与非门 其引脚图和真值表如下图所示 具体参数 极限值 电源电压 7V 输入电压 54 7400 54 74H00 54 74S00 5