四人抢答器课程设计-资料

1、四人抢答器电子课程设计说明书学生姓名： 学 院： 专 业：指导教师：贾树阳学号： 11050443X14中北大学信息商务学院电气工程及其自动化张樨2013 年 12 月目录1 引 言 1 2 记内容、技术条件和要求 1 2. 1 四人抢答器功能 1 2. 2 四人抢答器技术要求 13 设 计 方 案 及 思 路 1 3. 1 设计回路抢答器 33.2 多谐振荡器工作原理43.2.1 振荡周期63.2.2 74LS175 集成芯片的电路分析 83.2.3 74LS20 集成芯片的电路分析 93.2.4 555 集成芯片的电路分析 104 抢答器的电路设计图 115 心得体会 13参考文献 14引

2、言：现代生活中， 数字电路产品与我们接触的是越来越平凡了，包括计算机、电 子表、智 能仪器表及其它很多领域中，它给我们带来的不仅是工作上的方便， 而且也给我们的生活娱乐添滋加彩。 这次 EDA课程设计中，我做的是四人抢答器， 抢答器在现实中有着广泛的应用， 在各种比赛中我们总是能够找到他的身影， 比 如：智力竞赛、 各种娱乐节目中的活动计时等等都有着他的身影， 本次设计基于 课程任务它要最终能够实现： (1) 四人进行抢答 ；(2) 具有抢答开始后 20 秒 倒计时， 20秒倒计时后无人抢答显示超时，并报警； (3) 能显示超前抢答台号 并显示犯规警报； (4) 能显示各路得分，并具有加、减分

3、功能； (5) 系统复位后 进入抢答状态，当有一路抢答键按下时， 该路抢答信号将其余各路抢答封锁， 同 时铃声响，直至该路按键松开，显示牌显示该路抢答台号 。基于上面要实现的 功能本次设计软件部分采用 VHDL语言进行相关功能的实现，硬件部分主要有数 码管，锁存器、报警器等相关器件进行实现，使用 QuartusII 对编写的 VHDL语 言进行功能的调试和功能的仿真，最终在 FPGA硬件上进行功能的验证和完善。 内容提要：用 74LS175N实现电路的四人抢答功能，用 555 定时器来控制计时， 从而实现当无人抢答时的报警功能，在计时方面则有74LS192N及 74LS247来实现数码管的倒计

4、时。其中， 74LS192N的预置数从高到低依次接 1001(对应的十 进制数为 9)，其 DWN端接高电平实现减技数。 要注意的是 74LS247N和 74LS192N 以及数码管是共阳极的二、计内容、技术条件和要求：2.l 、设计用于竞赛的四人抢答器，功能如下 ：(1) 有多路抢答器，台数为四；(2) 具有抢答开始后 20秒倒计时， 20秒倒计时后无人抢答显示超时，并报警；(3) 能显示超前抢答台号并显示犯规警报；(4) 能显示各路得分，并具有加、减分功能；2.2 、四人抢答器技术要求 系统复位后进入抢答状态， 当有一路抢答键按下时， 该路抢答信号将其余各路抢 答封锁，同时铃声响，直至该路

5、按键松开，显示牌显示该路抢答台号。三、设计方案及思路3.1 、设计回路抢答器由于四人抢答时， 一人按下开关，其他人的开关必须无效，不使电路中同时 有两个抢答指示灯同时亮起。 因此必须一个信号到来的时候封锁下一个信号的到 来，使之作废无效。在主持人手机的开关复位，使工作电路正常工作。 方框图如下脉冲发生器NE555D 触发器 作用是保持信号的 持续输出 74ls175反馈封锁信号74ls204 抢答者4 人相应的信号灯及闹铃提示根据方框图，其中的脉冲发生器的部分由 NE555构成多谐振荡器，其 NE555 的芯片管脚及其作用如下它由分压器、比较器、基本 R-S 触发器和放电三极管等部分组成。分压

6、器 由三个 5K 的等值电阻串联而成。分压器为比较器 A1、A2 提供参考电压，比较 21 器 A1的参考电压为 2 Vcc ，加在同相输入端，比较器 A2的参考电压为 1 Vcc ，加在1 3 2 3 cc 反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放 A1、 A2 组成。高电平触发信号 加在 A1 的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器 RD 端的输入信号；低电平触发信号加在 A2的同相输入端，与反相输入端 的参考电压比较后，其结果作为基本 RS触发器 SD端的输入信号。基本 R-S 触发器的输出状态受比较器 A1、 A2 的输出端控制。3.2 、 多谐振荡器

7、工作原理由 555 定时器组成的多谐振荡器如图 (C) 所示，其中 R1、R2 和电容 C 为外接 元件。其工作波如图 (D) 所示。设电容的初始电压 Uc，t 时接通电源，由于电容电压不能突变， 所以高、低触发端 VTH VTL 1 ，比较器 1输出为高电平， 输出 TH TL 3为低电平，即 RD 1， SD 0(1 表示高电位， 0 表示低电位)， R S触发器 置，定时器输出 u0 1此时 Q 0，定时器内部放电三极管截止， 电源Vcc经 R1，1R2向电容充电， uc逐渐升高。当 uc上升到 1Vcc时， A2输出由翻转为，3这时 RD SD 1，R S触发顺保持状态不变。 所以 0

8、t t1期间，定时器输出 u0 为高电平。2_t t1时刻， uc上升到 2Vcc ，比较器 A1的输出由变为，这时 RD 0 ， 3SD 1， R S触发器复，定时器输出 u0 0。t1 t t2 期间， Q 1，放电三极管导通，电容通过 R2放电。 uc 按指数2规律下降，当uc 23Vcc时比较器 A1输出由变为，触发器的 3RD SD 1，的状态不变， u0 的状态仍为低电平。 1_t t2时刻，uc下降到1 Vcc ，比较器 A2输出由1变为0，R-S 触发器的 RD 1， 3SD 0，触发器处于 1，定时器输出 u0 1。此时电源再次向电容 C放电，重复上 述过程。通过上述分析可知

9、，电容充电时，定时器输出 u0 1，电容放电时， u0 0， 电容不断地进行充、 放电，输出端便获得矩形波。 多谐振荡器无外部信号输入， 却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3.2.1 振荡周期 由图( D)可知，振荡周期 T T1 T2 。 T1为电容充电时间， T2为电容放电 时间。充电时间 T1 (R1 R2 )C ln 2 0.7(R1 R2)C放电时间 T2 R2Cln 2 0.7R2C矩形波的振荡周期 T T1 T2 ln 2(R1 2R2)C 0.7(R1 2R2 )C因此改变 R1、R2 和电容 C的值，便可改变矩形波的周期和频率。 对于矩形波，除了用

10、幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q ，q=(脉宽tw）/ （周期 T）， tw指输出一个周期内高电平所占的时间。图（ C）所示电路输 出矩形波的占空比 q T1T1R1 R2T T1 T2 R1 2R2由于要快速检测出按键信号 因此需要设置快速脉冲 因此选取电阻为 4k 电容为 100nf 根据公式算出频率为 1.18khz 。电路如图所示仿真波形如下：抢答者部分为输入信号， 因此可选用开关作为输入信号， 开关的一端接电源 的正极，作为高电平输入，开关的另一端接 D触发器的输入端。如图：信号封锁部分： 当抢答者按下开关时，信号封锁在 D触发器中， 持续的输出 电平，其中 D触发器采用

11、74LS175芯片3.2.2 、74LS175集成芯片的电路分析其功能及其引脚如下图上图中的 74ALS175N为一四路的锁存器，当 CLK引脚输入上涨沿时， 1D-4D 被锁存到输出端（ 1Q-4Q）。在 CLK其他状态时，输出与输入无关。其中仿真芯片如下信号反馈部分：由于四人抢答时，当一人按下时，必须使电路停止工作，让其中 的第二个人按下开关无效， 这就必须有反馈信号反馈给脉冲发生器的复位端， 使 其停止工作，使脉冲消失，调入失效。实现此电路是由 74LS200芯片实现，其功 能及引脚图如下74LS20是常用的双 4输入与非门 集成电路，常用在各种数字电路和单片机系统 中，他的 cmos版

12、本是 74hc20。3.2.3 、74LS20集成芯片的电路分析面我给大家介绍一下这个芯片的相关资料，下面是 74LS20的管脚图：这个 74ls20 芯片的功能很简单，就是包含两个 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功能表仿真芯片如下其中 74LS20 芯片是两个时输入与非门芯片，其中与非门电路必须检测到第 一个抢答者信号，而使反馈信号发生反馈，必须在与非门的电路初始信号输入 1111. 但其中一个信号变为 0时，其输出 Y端由“ 0”变为“ 1”。可以检测到抢答 者的开关按下，因此 74LS

13、20的四输入接 D 触发器的 Q端。由于其反馈信号需要 使脉冲触发器停止产生脉冲，而有效信号必须是低电平，因此时的高电平“1”及 Y1必须经过与非门电路转换为 0，接入 R 端，而与非门的电路由 74LS20另外 的与非门来实现，及其余 3个输入高电平。 Y1接第四个输入端，输出端 Y2接 Rd。 32.4 555 集成芯片的电路分析根据方框图，其中的脉冲发生器的部分由 NE555构成多谐振荡器，其 NE555 的芯片管脚及其作用如下A四、抢答器的电路设计图它由分压器、比较器、基本 R-S 触发器和放电三极管等部分组成。分压器 由三个 5K 的等值电阻串联而成。分压器为比较器 A1、 A2提供

14、参考电压，比 21 较器 A1的参考电压为 2 Vcc ，加在同相输入端，比较器 A2的参考电压为 1 Vcc， 33 加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放 A1、 A2组成。高电平触发信号加在 A1 的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S 触发器 RD 端的输入信号；低电平触发信号加在 A2的同相输入端，与反相 输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 RS 触发器 SD 端的输入信号。基 本 R-S 触发器的输出状态受比较器 A1、 A2的输出端控制。信号灯部分：当答题者按下开关时，必须使主持人知道是几号抢答者，因 此必须有相应的信号灯。因此在 74LS1

15、75输出端 Q0Q3接灯，灯的一端接地， 当未按下开关时， Q0Q3为低电平，反之为高电平，构成回路，灯亮。其中一号抢答仿真效果闹铃部分：当其中有人按下开关时，闹铃响，提示有人按下开关，由于不用考虑 是其中任何一人按下的开关，因此可以在检测部分中的 Y1 端接入小闹铃，使另 一端接地。构成回路，使其发出声响。主持人复位：在抢答者按下开关时，电路中脉冲发生器锁死， 74LS175保持 电路电平信号，使闹铃无法关闭。因此需要主持人将 74LS175置位，关闭闹铃， 其中 NE555R端变为高电平，恢复脉冲发生器产生脉冲，电路正常工作。下图为 电路图，其中绿线为主持人接线示意图。整体仿真电路如图所示

16、五、心得体会本次设计基本上完成对任务目标， 但也有一些模块没有完成，例如：在报警 模块，由于时间和能力的问题不能够进一步完善， 在下载后的操作有时无法报时， 或者报时的声音太小。在设计中也出现一些错误，如：抢答完成后，计时器还在 继续计时，在大家的努力下， 重新修改程序进行新一轮的仿真， 下载等操作最终 完成任务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、74ls192 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件如： Multisim 等，因此使我熟 悉了软件的使用， 同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。 加上在 设计过程中遇到了一些问题， 使得我得查找相关资料， 从而增长知识的同时增强 解决问