多路抢答器的设计

1、山西大学课程设计说明书题目名称：基于 Multisim的电子电路仿真课程名称：电子技术基础课程设计开设学院（系）：电子信息工程系专业：自动化学号：学生姓名：指导教师：刁少岚教师职称：讲师2018年6月21日目录1引言 .1设计题目、内容及要求 .1设计目的及意义 .12仿真软件介绍 .3Multisim 发展简介 .3Multisim 10概述 .3界面基本操作4使用注意事项63 系统的组成及工作原理8系统的组成8系统的工作原理84 芯片与常见元器件的介绍974LS148 （ 8-3 线优先编码器）974LS279D （四 R S 锁存器） .1074LS48D （ BCD-七段译码驱动器）.

2、1074LS190D （可预置BCD十进制同步可逆计数器）.12555定时器13常见逻辑门电路145 单元电路设计15抢答电路15定时电路17警报电路18时序电路196 系统仿真与测试20仿真步骤20总电路图20仿真结果及分析207 心得体会22山西大学课程设计任务书23山西大学课程设计成绩评定表251 引言设计题目、内容及要求一、设计题目多路抢答器设计二、设计内容设计一个可同时供6 位选手参加的 6 路数字显示抢答器。选手每人一个抢答按钮，抢答开始后，抢答器具有优先抢答的功能，最先抢答成功的选手编号能被显示，并有音响提示，当有选手抢答成功时，禁止其他选手抢答，直到主持人将系统清零为止。主持人

3、有控制开关，可以手动清零复位，当主持人按下开始按键时才可以抢答，并同时显示倒计时 9 秒，选手在规定时间内抢答才有效，抢答成功时倒计时停止，直到主持人将系统清零为止；如果抢答时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，禁止选手超时后抢答。三、设计要求：1. 多路抢答器需实现选手的按键抢答功能。电路应有开关输入电路，且开关应选用瞬态开关，以备下次继续抢答。2. 电路能显示参赛选手的编号，因此电路应能区分每个选手的输入开关信号，可选用编码器电路实现，并配备 LED数码显示电路。3. 电路具有抢答功能，因此系统应设计封锁电路，一旦检测到有按键输入，立即将其他各路输入封锁。4. 电路的数码显示和语音提示

4、可由主持人用清除按钮解除，因此系统应设计清除电路，为下一次抢答做准备。5. 考虑到系统采用数字控制方式，其控制器为时序电路，因此系统应有时钟发生电路，以产生系统所需要的时钟信号。时钟信号的频率可根据系统的分辨率确定。6. 电路需要语音提示电路和信号指示电路。 比如必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮（也可以驱动组别数字显示即用数码管显示） 。当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一组的灯亮，并发出音响。7. 回答问题的时间应可调整。设计目的及意义一、设计目的1. 熟悉数字集成电路的设计和使用方法2. 通过课程设计提高和巩固所

5、学的专业知识。二、设计意义在信息多元化的今天，各大综艺节目中开始出现各种各样的竞赛，常见的竞赛有知识竞赛、猜歌词竞赛等，在这些竞赛中，我们都会看到抢答器的身影。抢答器是通过设计电路，以实现如字面上意思的能准确判断出抢答者的电器。在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答赛活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的座位号，并能够更好的促进各个团体的竞争意识，让选手门体验到战场般的压力感。传统抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手的抢答时间。而今抢答器可以通过数据来说明裁决结果的准确性、公平性，使比赛大大增加了娱乐性的同时，也更加公平公正。随着科技的不断进步，人们对抢答器的制作更加追

6、求精益求精，在不断摆脱耗费很多元件仅能实现简单的抢答功能同时，人们对它的认识也逐步加深。多路抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。通过定时电路实现计时功能，构成扩展电路。在抢答电路中利用一个优先编码器译出最先抢到答题权的选手的编号并经 LED 显示器显示出来，同时还要封锁电路以防其他选手再抢答。 当选手问答完成后，主持人将系统恢复。2 仿真软件介绍本实验中使用的是Multisim软件。Multisim发展简介工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Mul

7、tisim提炼了SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计。通过Multisim和虚拟仪器技术， PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。目前在各高校教学中普遍使用， 网上最为普遍的是Multisim，NI 于 2007年 08 月 26 日发行 NI 系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。Multisim 10概述Multisim10是美国 NI 公司推出的以 Windows为基础的仿真工具， 适用于板级的模拟

8、、数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。有了 Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。此软件可以提供以下便利：1. 通过直观的电路图捕捉环境 , 轻松设计电路2. 通过交互式 SPICE仿真 , 迅速了解电路行为3. 借助高级电路分析 , 理解基本设计特征4. 通过一个工具链 , 可无缝地集成电路设计和虚拟测试5. 通过改进、整合设计流程 , 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即

9、元器件” 、“软件即仪器”。NI Multisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。NI Multisim10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全， 有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器， 如波特图仪、 字信号发生器、 逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。NI Multisim10具有较为详细的电路分

10、析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。NI Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字、电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。NI Multisim10还

11、提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice 之间的文件接口，也能通过 Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和 VerilogHDL 语言的电路仿真与设计。小结：利用 NI Multisim10 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实

12、验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。界面基本操作用户界面图 2-12. 元器件工具栏图 2-2元器件栏各图标名称及其功能如表所示：3. 仪器仪表栏图 2-3在本次实验中主要用到示波器来观察波形变化，Multisim10 提供的示波器有双通道示波器和四通道示波器两种。双通道示波器Multisim10 提供的双通道示波器与实际的示波器外观和基本操作基本相同，该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒直至纳秒范围内调节。示波器图标有四个连接点：A 通道输入、 B 通道输入、外触发端T

13、和接地端G。图 2-4 四通道示波器四通道示波器与双通道示波器的使用方法和参数调整方式完全一样，只是多了一个通道控制器旋钮，当旋钮拨到某个通道位置，才能对该通道的Y 轴进行调整。图 2-5使用注意事项1. 不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机；2. 删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下；3. 注意数字地与模拟地的差别，使用标准符号；4. LED 数码管的极性；5. 分模块调试，最后综合调试。3 系统的组成及工作原理系统的组成抢答按钮锁存器编码器显示驱动器数码管显示主持人控制控制电路计时器译码显示秒脉冲产生报警电路系统的工作原理抢答器由输入电路、判别电路、显示电路、秒脉冲发生器

14、、计时电路和报警电路等组成。计数器选用十进制加/ 减计数器，计数输入由秒脉冲发生器提供。本课题所设计的电路包括主体电路和扩展电路两部分。主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效；扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。在抢答电路中，其工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，当主持人将控制开关置于 “开始”时，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：1. 优先编码电路判断抢答者的编号， 并由锁存器进行

15、锁存， 然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；2. 警报系统中的蜂鸣器发出声响；3. 控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；同时还设有控制电路，其目的是使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手回答完问题，主持人操作控制开关使系统回复到禁止工作状态， 以便进行下一轮抢答。当定时时间到， 却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。4 芯片与常见元器件的介绍74LS148 （ 8-3 线优先编码器）1. 电路图输入端： D0D7输出端： A0A2选通输入端： EI （低电平有效）选通输出端： EO图 4-12. 功能表输入输出EID0D1

16、D2D3D4D5D6D7A2A1A0GSE01××××××××11111011111111111100×××××××0000010××××××01001010×××××011010010××××0111011010×××01111100010××01

17、1111101010×01111111100100111111111101分析功能表得当 EI=1 时，无论输入端的输入信号如何，则输出端A0A2 的输出信号全为“ 1”，GS=“1”，EO=“1”当 EI=0，输入端的输入信号全为“ 1”时，输出端 A0A2 的输出信号全为“1”，GS=“1”，EO=“0”当 EI=1 时，74LS48D处于有效译码工作状态， 输出端 A0A2 将根据输入端的优先级顺序（ D7D0）输出相应的信号， GS=“0”，EO=“1”74LS279D （四 R S 锁存器）1. 电路图复位端： R置位端： S输出端： Q图 4-2图 4-32. 功能表输入

18、输出11Qn（保持）101（置 1）010（置 0）111（不允许出现）分析功能表得当 R1，S1 时，输出端Q保持上一刻的状态不变当 R1，S0 时，输出端Q输出“ 1”（置 1） S 为置位端当 R0，S1时，输出端Q输出“ 0” R 为复位端当 R 0，S 0 时，输出端 Q输出“1”，由于这种情况下当输入端低电平同时消失后， Q将处于不定状态，所以该情况不允许出现74LS48D （ BCD-七段译码驱动器）1. 电路图输入端： AD输出端： OAOG灯测试端： LT （低电平有效）图 4-42. 功能表DCBAOAOBOCODOEOFOG10×××

19、5;1111111111000011111110110001101100001100101110110111001111111001110100101100111101011101101111011010011111110111111100001110001111111111100111110011111010100011011110111001100111110010100011111101110010111111101000111111111110000000××××××00000000100000000000000×&

20、#215;×××11111111分析功能表得 LT 1，RBI 0，BI RBO 1时，无论输入端的输入信号如何， 输出端 OAOG的输出信号全为“ 1” LT 1，RBI 1，BI RBO 1时，74LS48D为驱动状态，即输出端将根据输入端的输入信号输出相应的信号 LT 1，RBI 0，BI RBO 0 同时输入端的输入信号全为“ 0”时，输出端 OAOG的输出信号全为“ 0”（即脉冲消隐）当 BI RBO0 时，无论其他输入端的输入信号如何，输出端OAOG的输出信号全为“ 0”（即消隐）当 LT0时，为灯测试情况，输出端OAOG的输出信号全为“ 1”。此引脚

21、用于测试数码管是否正常工作，不用时吊高电平。74LS190D （可预置BCD十进制同步可逆计数器）1. 电路图输入端：AD输出端：QAQD脉冲输入端：CLK（上升沿）计数使能端： CTEN （低电平有效）异步预置数控制端：LOAD （低电平有效）加/ 减计数方式控制端：U D图 4-52. 功能表CLKDCBAQDQCQBQA分析功能表得00××D0D1D2D3D0D1D2D3010××××加法计数当CTEN0，LOAD 0011××××减法计数时，11×××

22、15;××保持74LS190D处于置数状态，即输出端根据输入端的输入信号输出相应的信号当 CTEN 0，LOAD 1 时，74LS190D工作在加法计数状态， 且每有一个上升沿，74LS190D便完成一次加法计数当 CTEN 0，LOAD 1，U D 0 时， 74LS190D工作在加法计数状态，且每有一个上升沿， 74LS190D便完成一次加法计数当 CTEN 0，LOAD 1，U D 1时， 74LS190D 工作在减法计数状态，且每有一个上升沿， 74LS190D便完成一次减法计数当 CTEN1，LOAD1 时， 74LS190D工作在保持状态555 定时器555 定

23、时器是一种多用途的数字/ 模拟混合集成电路， 具有开关特性， 可以构成各种单元脉冲电路。其功能主要由两个比较器决定。 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。 在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC/3 ， C2 的反相输入端的电压为 VCC/3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC/3，则比较器 C2 的输出为“ 0”，可使 RS 触发器置1 ，使输出端OUT=“ 1”。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3 ，同时TR端的电压大于VCC/3 ，则 C1的输出为“ 0”，C2 的输出为“ 1”，可将 RS触发器置 0 ，

24、使输出为“ 0”。图 4-6常见逻辑门电路图 4-75 单元电路设计抢答电路一、电路功能抢答电路的功能有两个：1. 能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用。2. 在有选手按键后，要使其他选手的按键操作无效。二、所用芯片1. 74LS148 （ 8-3 线优先编码器）2. 74LS279D （四 R S 锁存器）3. 74LS48D （ BCD-七段译码驱动器）三、电路图图 5-1抢答电路四、电路分析1. 主持人未按键（即 S7 键处于断开状态） EI 端的输入信号为“ 1”，74LS148D处于锁存状态，由 74LS148D的功能表可得，无论选手是否按键， 74LS

25、148D的输出端 A0 A2 始终为“ 1”（即高电平） ， GS为“ 1”。两个74LS279D 的 R 端均为“1”， 1S11S2A 0 “1”，1S3A1 “1”，2S1A 2 “1”，由74LS179D的功能表可得，74LS279D的输出端Q均为保持状态“1”。 74LS48D的输入端 LT 、 RBI 均为“ 1”， BI RBO =2Q2=“1”，由 74LS48D的功能表可得，此时 74LS48D处于有效译码工作状态， 而 74LS48D的输入端 DCBA=0111（即十进制 7），故此时数码管显示数字“7” 74LS279D的输出端 2Q2还经过或门（7432N）与 74LS

26、148D的 EI 端连接，即将 74LS279D的 2Q2端的输出信号向 74LS148D的 EI 端输出，此时 EI=2Q2=“1”，即 74LS148D处于锁存状态，这也解释了为什么在中指出EI 端的输入信号为“ 1”。2. 主持人按下但还未弹起（即S7 键按下与地接触之时） EI 端的输入信号为“0”， 74LS148D 处于打开状态，GS端的输出信号为“1”，由 74LS148D 的功能表可得，若此刻有选手按键，74LS148D 的输出端A0 A2 将根据输入端情况输出相应的值，同时GS端的输出信号将由“1”变为“ 0” S7 键按下与地接触之时， 两个 74LS279D的 R 端均变

27、为“ 0”，由 74LS179D 的功能表可得，此刻 74LS279D的四个输出端 1Q1、 1Q2、 2Q1、2Q2 均输出“ 0”， 74LS48D的输入端 LT 、 RBI 均为“ 1”， BI RBO =2Q2=“0”，由 74LS48D的功能表可得，此时 74LS48D处于消隐状态（即不显示任何数字） 74LS279D的输出端 2Q2还经过或门（7432N）与 74LS148D的 EI 端连接，即将 74LS279D的 2Q2端的输出信号向 74LS148D的 EI 端输出，此时 EI=2Q2=“0”，即 74LS148D处于打开状态，这也解释了为什么在中指出EI 端的输入信号为“

28、0”3. 主持人按完键后（即 S7 键按下后又被弹起）若没有选手按键，则 EI 端的输入信号为“ 0”，即 74LS148D处于打开状态，等待选手按键，同时GS端的输出信号为“ 1”若有选手按键，则EI 端的输入信号为“1”，即第一个选手按键后锁存74LS148D，使其他选手按键无效。由74LS148D 的功能表可得，此刻74LS148D 的输出端 A0 A2 将根据输入端情况输出相应的值，同时GS端的输出信号将由“1”变为“ 0”，但由于选手按键后使得EI 端的输入信号为“1”，所以GS端的输出信号在变为“0”后又立刻变为“1”，即出现图5-2 所示波形图 5-2两个 74LS279D的 R

29、 端均为“1”，由 74LS179D的功能表可得， 此刻 74LS279D的四个输出端1Q1、1Q2、2Q1、2Q2 将根据输入端的情况输出相应的值。当 S=1，R =1，输出端Q将保持上一刻的状态不变；当 S =0， R =1，输出端Q将变为“1”若没有选手按键，74LS48D的输入端 LT 、RBI 均为“1”，BI RBO =2Q2=“1”，由 74LS48D的功能表可得，此时74LS48D处于消隐状态（即不显示任何数字）若有选手按键， 74LS48D的输入端 LT 、RBI 均为“1”，BI RBO =2Q2=“0”，由 74LS48D 的功能表可得，此时 74LS48D处于有效译码工

30、作状态，即 74LS48D的输出端将根据输入端 DCBA的情况输出相应的信号， 并在数码管上显示相应的数字 （即优先抢答的选手的编号） 74LS279D的输出端 2Q2还经过或门（7432N）与 74LS148D的 EI 端连接，即将 74LS279D的 2Q2端的输出信号向 74LS148D的 EI 端输出。若没有选手按键，则EI=2Q2=“0”，即 74LS148D处于打开状态，这也解释了为什么在中指出没有选手按键时，EI 端的输入信号为“ 0”；若有选手按键，则 EI=2Q2=“1”，即 74LS148D处于锁存状态，这也解释了为什么在中指出有选手按键时，EI 端的输入信号为“ 1”定时

31、电路一、电路功能定时电路的功能为在主持人按下键后开始倒计时，在规定时间内有选手抢答，则倒计时停止，否则直至倒计时结束。二、构成1. 74LS190D（可预置 BCD十进制同步可逆计数器）2. 555 定时器（用以产生秒脉冲）三、电路图图 5-3四、电路分析1. 555 定时器用以产生 74LS190D计数时所需的上升沿脉冲（即一定频率的脉冲波形矩形波），555 定时器产生的波形与来自抢答电路的信号经过一个或门向 74LS190D的 CLK端输出，当来自抢答电路的信号为“ 0”时，则 555定时器产生的脉冲波形无法输给 74LS190D的 CLK端；当来自抢答电路的信号为“ 1”时，则 555

32、定时器产生的脉冲波形输给 74LS190D的 CLK端。2 74LS190D 的输入端 CTEN 的输入信号为“ 0”， U D的输入信号为“ 1”，说明74LS190D为减法计数工作， 若 LOAD 的输入信号为 “0”，则 74LS190D将处于置数状态，若 LOAD 的输入信号为“ 1”，且 74LS190D的 CLK端有脉冲波形输入，则每到一个上升沿， 74LS190D便进行一次减数工作。警报电路一、电路功能警报电路的功能为当选手按键后发出声音， 提示主持人有选手按键， 其他情况下警报系统处于不发声音的状态二、构成1 . 蜂鸣器（用来发出声音）2. 555 定时器（用以产生秒脉冲）三、

33、电路图图 5-4四、电路分析当开关 S8 接到地时， RST端的输入信号为“0”，蜂鸣器始终不响，当开关S8 接向另一侧（即抢答电路与报警电路连接处）时，若从抢答电路传来“1”信号，则蜂鸣器开始响，若从抢答电路传来“0”信号，则蜂鸣器不会响。灯 X1 是作为蜂鸣器是否发出响声的参照物。时序电路时序电路是整个电路的灵魂，它将部分电路逐一连接起来，达到设计的要求：1. 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，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，抢答电路和定时电路停止工作。整个电路其关键点在于

34、的使能端 ET，以此为中心展开电路模块之间的连接 , 使能端 ET 有两方面控制：锁存器中的锁存信号； 74LS190的借位输出端控制。当有人抢答或倒计时时间到，都会使 ET为高电平，最终达到抢答选手被锁定后其他选手选择无效和倒计时时间到后选手不可再抢答的目的。6 系统仿真与测试仿真步骤1. 根据自己所画好的电路图，在Multisim元器件库选择相应的元器件。2. 用导线将元器件按图连接好。3. 将元器件相应参数设置好。4. 进行电路仿真，根据仿真修改相应的参数。总电路图仿真结果及分析此图表示：主持人喊开始抢答后倒计时到6 秒时，第 1 号手抢答到了此题，同时蜂鸣器发出响声。7 心得体会在本次课设中， 从刚开始的毫无头绪到后来的渐渐上手，从刚开始的认为简单到后来的过五关斩六将，从刚开始的头疼难耐到后来的耐心十足， 连自己都不由得暗暗佩服自己可以将这样一个复杂的电路图摸得十分清楚。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。虽然自己的成绩一直很不错，但自己也十分清楚自己会的始终是书本里的知识，一旦要将知识转换为实际问题的解决方案，我便只会傻眼、头疼，很喜欢每一次的课设，因为在动手实践的过程中， 自己可以更加深入地理解书本里的知识， 并进一步发现更多课本上没有的知识。在本次课设中，自己的收获有很多：1. 了解到一些芯片的工作过程，并