数字电路课程分析方案定时抢答器

1、数字电路课程设计报告设计课题题目：定时抢答器专业班级 计算机科学与技术学号 XXXXXXX小组成员：XXXX指导教师：XXXX设计时间：一、设计目的掌握译码器、十进制加 /减计数器的逻辑功能和工作原理，设计可预置时间的定 时电路；分析与设计时序控制电路。画出定时抢答器的整机逻辑电路图，掌握智力抢 答器的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。并能对其在 电路中的作用进行分析。另外还要掌握电路原理和分析电路设计流程，每个电路的设 计都要有完整的设计流程。这样才能在分析电路是有良好的思路，便于查找出错的原 因。二、设计要求设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。 用数字显示

2、抢答倒 计时间，由“ 9”倒计到“ 0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响 1秒。选手抢答 时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响 1秒，倒计时停止。（14名选手编号为：1，2, 3, 4。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1，2，3，4。（2给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零 抢答显示数码管灭灯）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，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出 音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持 到主持人将系统清零为止。（4抢答器具有定时9秒）抢答的功能。当

3、主持人按下开始按钮后，定时 器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声 器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间9秒）内抢答有效，抢答成功，扬 声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编 号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。（5如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器 报警 音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示 器显示0。（6可用石英晶体振荡器或者 555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作 为定时计数器的CP信号。三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计1、设计方案抢答器

4、具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按 动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用 LED数码管把选手的所剩抢答时间显 示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主 持人和选手。抢答时间设定9秒，报警响声持续1秒。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，扬声器给出声响提示。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、扬声器提示。当一轮抢答

5、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。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倒记时，并通 过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键 时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息， 同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来 将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需 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。若有多个开关同 时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它

6、们中的任一个 产生有效输出。如图1.触发器译码电路抢答按钮锁存电路显示电路显示电路图1系统框图3、方案比较方案1:采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽 然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。方案2:采用D触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实 现锁存功能时可以简单的实现。经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件Multisim 来进行仿真调试，再进行逐步改进。4、单元电路设计及元器件选择1 ）抢答电路电路如图2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并 锁定74LS175的功能真值表即优先抢答者的编

7、号，同时译码显示电路显示选手 编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。VCC5VR520kD74LS49DA E C 0 E PG HCKvtcMOBotaDaEarotor no4T軀叔加IDvrcLJJ典tMD74LS175DI IL-R1键复74LS11D图2抢答电路其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个 Q非端与在一起为高电 平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门 U11输出端为低电平给D

8、触发器脉冲端，当一有 人抢答时，抢答信号为高电平，并和 U2的输出信号和借位信号与在一起，使得 U11输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信 号经D触发器触发锁存再经过译码器 74IS48译码，把相应的信号显示在数码管 上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起 后给与门U11,使得U11的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入 端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了 抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。2）定时电路节目主持人通过按复位键来

9、进行抢答倒计时。如图3。定时9秒，把74LS192对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电 路555提供。当复位开关按下时，给 74IS192 一个低电平，从而开始倒计时， 每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得74IS192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再 一次倒计时。Q伞的与時号图3定时电路3）报警电路由74IS121和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有 74IS121，因此用功 能相同的MONOSTABLE VIRTU后文简称A1）来代替仿真，如图4所示。其中 A1的脉冲输入端是由复位信号和 Q非

10、的与信号和借位信号与在一起来提供的。 当其中一个信号为低电平时，使得 A1得到一个下降沿脉冲，从而使 A1的Q端 输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会响一秒。反之，电路停振，蜂 鸣器不响。VCC复位信号Q非的与信号*5VR6C320rs74LS11D她OST迪EVCCQCT/fTCTBAlktMONOSTABLE VRTUSONALERT200 He 蜂鸣器借位信号报警电路JJV-汕mAh;叮0310U1Z11F4L勢甜DliLn也TU11A74LS11D74LS11DJIUGU5l_lC2R?VOCRSrWw461(0TAa stDiSMTueTFXfl55 WERvccIL74LS1

11、92D74LS48DMONOSTAELE VIRTlVCCTU7SONALERT200 He=u*-A1gFRE74LS11D图5抢答与定时时序控制电路2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工 作。3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定 时电路停止工作。根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5所示。图5中，U2与门74ls21作为抢答的控制信号；U12与门74ls11和U13与门74ls21的作用是控制时钟信号 CP的放行与禁止；U11与门74ls11的作用是 控制74LS175的输人脉端，U10的作用是控制74IS121的输入脉冲端。工作

12、原 理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS175的输出Q =1，U2输出为1,借位信号为1,则U12输出为1,使U13输出为1,贝U时钟 信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定 时时间未到时，则“定时到信号”为 1，U11和U13的输出为1,使74LS175和 74IS192处于正常工作状态，从而实现功能1）的要求。当选手在定时时间内 按动抢答键时，Q = 0, U2输出为0,封锁CP信号，则U12输出为0,使U13 输出为0,定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,U11的输出为1使D触 发器触发而输出信号，也使 U10输出为0,

13、给了 74IS121 个上升沿，使 74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为 0, U10输出为0,有给了 74ls121 一个下降沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手 进行抢答。同时，U13输出为0, 封锁CP信号，使定时电路保持0状态不变， 从而实现功能3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声 的时间。OiX53.珀muU1U3m-74LS4SDU11AU13A74LS192D74LS48DMl S2JnUG wci二伽f 9 C L ran74LS110R-1Rm7d

14、LS11DR7AAh48kRREVCCA1IOljFU10A74LS110U9WIDA常:3CK 1Dw iDI心师1DG 1ll/JU7U7SONALERT200 HeMONDSTABLE_VIRTL ftL图6总电路图四、成品调试把电路焊好后，首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现 有几个管脚没接，于是细心地接上。然后用万用表逐一检查有没有虚焊或线路 断路或线路短路，但没发现有虚焊等问题。下一步就接通电源调试，但电路完 全没反应，然后用电源逐个模块进行检查，发现有些管脚还没接上，于是在对 照电路图细心地检查，改进后再进行接电调试，先测试脉冲的输出，正常，女口 图9和图10。但下

15、一步发现倒计时是从“ 6”开始，然后查找74IS192的相关 资料才知道其输出端不只是数字“ 9”才有“ 1001 ”出现，在“ 6”的时候也是 这样 我把“ 1001 ”两边的“ 1”用或门或在一起作为反馈信号），所以修改电 路图把74IS192的反馈信号改接到其借位信号输出端，再进行调试，这次欣喜 地发现功能已经实现了，最后完善一下电路，宣告成品大功告成。图9 555 输出脉冲 图1074IS121输出脉冲五、设计过程中的问题和解决办法1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如 何通过D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。2）在仿真时遇到了 555不能

16、仿真和没仿真元件74IS121的问题。通过翻 阅书本了解555如何准确使用和上网搜索74IS121的代替元件来解决。3）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发 现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74IS192的CLR脚没接地等等。六、设计成品的优点与不足优点：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 S0和S1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“ 3”，而按S2时也会显示“ 3”，所以显示“ 3”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。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。七、心得体会这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48 74IS192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此 次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软