数字电子技术课程设计报告-多路智力竞赛抢答器设计.doc

目录摘要11、方案选择21.1实现方案21.2采用数字电路22、基本原理电路42.1原理与分析42.2原理框图43、电路元件的选择及参数53.1 74ls14853.2 744763.3 55583.3.1 ne555构成的单稳态触发器103.3.2 ne555构成的多谐振荡器104、电路设计及仿真124.1单元电路设计124.1.1抢答器电路124.1.2报警电路134.2 整体电路145、仿真分析155.1抢答电路仿真156、收获、体会和建议177、元器件清单188、主要参考资料1919 摘要数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。当今智力竞赛抢答器、有锁定功能抢答器、多功能智力抢答器可以说是多不胜数。抢答器适用于各类知识竞赛、文娱综艺节目，尤其是在电视上的各种知识竞赛，除了可以把各抢答组号、违例组号、抢答规定时限、答题时间倒计时/正计时在仪器面板上显示外，还可外接大屏幕显示屏显示给赛场与观众，活跃现场气氛，便于监督，公平竞争；有的抢答器功能还被用在电脑游戏的抢占上，谁快谁就有奖；有的小型的还可用来训练小孩的反应能力。本报告先分析了抢答器的各种方案并选择了合适的一种，再阐述了总体电路原理。对本设计中的各芯片功能进行介绍，分析其在电路中的用途。单元电路设计以及总体电路设计进行仿真并进行仿真结果分析。关键字：抢答器；复位；显示；报警多路智力竞赛抢答器设计1 方案选择1.1实现方案抢答器的设计方案种类很多，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用可编程逻辑器件plc来实现，他的制作也是比较简单；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们所学内容联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，对我们掌握集成芯片逻辑功能的应用有很大帮助，另外有一些成型电路，如ne555标准秒脉冲电路等，使设计更加方便快捷。1.2采用数字电路定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路显示电路节目主持人控制开关控制电路报警电路主体电路图1图1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；控制电路要使显示电路保持工作，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，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。2、基本原理电路2.1原理与分析其工作原理为：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；主持人将开关置开始状态，宣布开始抢答器工作，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。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答。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。2.2原理框图抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路显示电路节目主持人控制开关控制电路报警电路主体电路图2.2.13、电路元件的选择及参数3.1 74ls1488线-3线优先编码器74ls148图3.1.1 74ls148引脚图输入输出eii0i1i2i3i4i5i6i7a2a1a0gseo1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx01111100010xx011111101010x01111111100100111111111101图3.1.2 优先编码器74ls148功能表74ls148逻辑表达式使能端oe(芯片是否启用)的逻辑方程： oe =i0i1i2i3i4i567ie 当oe输入ie=1时，禁止编码、输出(反码)： a2,a1,a0为全1。当oe输入ie=0时，允许编码，在i0i7输入中，输入i7优先级最高，其余依次为：i6,i5,i4,i3,i2,i0，i0等级排列。 从以上的的功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为i7，i6，i0 。当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。例如：i5=0且i6=i7=1(i6、i7优先级别高于i5) 则此时输出代码010 (为(5)10=(101)2的反码)这就是优先编码器的工作原理。3.27447bcd-七段显示译码器7447 图3.2.1 7447逻辑图 图3.2.2 7447引脚图 功能或数字 输入 输出显示字形abcdefg灯灭0(输入)0000000灭灯试灯011111111 8动态灭零10000000000000灭灯0110000111111100110001101100001210010111011012310011111110013410100101100114510101110110115610110100111116710111111100007811000111111118911001111110119101101010001101111101110011001121110010100011131110111001011141111010001111151111110000000灭灯图3.2.3 7447功能表 要求输出015时，灭灯输入（bi）必须开始时保持高电平。如果不灭，则动态灭灯输入（rbi）必须开路或为高电平。 将一低电平直接加于灭灯输入（bi）时，则不管其他输入为任何电平，所有各段输出都关闭。 当动态灭灯输入/动态灭灯输出（bi/rbo）开路或者保持高电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（rbo）处于低电平（响应条件）。 当灭灯输入/动态灭等输出（bi/rbo）开路或者保持高电平而试灯输入为低电平时，则所有各段都开通。 bi/rbo是线与逻辑，作灭灯输入（bi）或动态灭灯（rbo）之用，或两者兼用。3.3555 图3.3.1 555芯片的引脚图引脚编号 符号 功能说明 1 地线 2 触发 3 q输出 4 r复位 5 控制电压 6 阀值 7 dc放电 8 vcc电源 图3.3.2 ne555引脚功能555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 cmos 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5v16v 工作，7555 可在 318v 工作，输出驱动电流约为 200ma，因而其输出可与 ttl、cmos 或者模拟电路电平兼容。 图3.3.3 555定时器基本原理图 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管 t 及功率输出级。它提供两个基准电压vcc /3 和 2vcc /3 。 555 定时器的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 a1 的反相输入端的电压为 2vcc /3，a2 的同相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 a2 的输出为 1，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 a1 的输出为 1，a2 的输出为 0，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。555定时器在抢答器中的应用有单稳态触发器和多谐振荡器。3.3.1 ne555构成的单稳态触发器 由555构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻r向电容c充电，当v才上升到2/3vcc时，vo为低电平，放电bjt t导通，电容c放电，电路进入稳定状态。 若触发器输入端施加触发信号（vi1/3vcc），触发器发生翻转，电路进入暂稳态，vo输出高电平，且bjt截止。此后电容c充电至vc=2/3vcc时，电路又发生翻转，vo为低电平，t导通，电容c放电，电路恢复至稳定状态。 如果忽略t的饱和压降，则vc从零电平上升到2/3vcc的时间，即为输出电压vo的脉宽tw，tw=rcln3=1.1rc。 （a）电路图 （b）工作波形图3.5.4 由555定时器构成的单稳态触发器3.3.2 ne555构成的多谐振荡器由555定时器构成的多谐振荡器如下图所示，其工作波形如b图所示。接通电源后，电容c被充电，vc上升，当vc上升到2/3vcc时，触发器被复位，同时放电bjt t导通，此时vo为低电平，电容c通过r2和t放电，使vc下降。当vc下降到1/3vcc时，触发器又被置位，vo翻转为高电平。电容器c放电所需的时间为tpl=0.7r2c当c发电结束时，t截止，vcc将通过r1、r2向电容器c充电，vc有1/3vcc上升到2/3vcc所需的时间为tph=0.7(r1+r2)c 当vc上升到2/3vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为 f=1.43/（r1+2r2）*c（a）电路图 （b）工作波形图3.3.4.5 由555定时器构成的多谐振荡器4、电路设计及仿真4.1单元电路设计4.1.1抢答器电路如图，该电路实现两个功能：一是能够过分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码器显示电路显示编号；二是禁止其他选手之后按键无效。工作过程：当开关处于清除端时，74ls279的rs 触发器段均为0信号，所以四个触发器端均输出为0，此时st为0，根据74ls148功能表可以看出，该芯片处于工作状态。当开关达到“开始”端时，抢答器处于等待工作状态，当有选手按下键时，及有一个输入端为低电平，根据74ls148功能表可知，y1，y2，y3处于一种输出状态，yex输出为0，所以1q输出为1，74ls48处于工作状态。根据2q，3q，4q的输出，译码器将显示第一个按下键的选手号码。并且此时1q=1，使74ls148的st=1，所以74ls148处于禁止工作状态，封锁了其他键的再次输入。因为只有8名选手，编号从0000到0111，所以74ls48 芯片的a3端不需要用到，所以可以直接置地。如果没有选手按键的话，七段显示译码器就会一直不亮，直到最后此次比赛结束。抢答器部分仿真如下，当主持人按下开关可实现清零，再次按下开关开始抢答，如选手1按下，数码管显示1并且其他选手无法再次抢答。仿真结果验证了抢答部分电路的设计成功。图4.1.1 抢答器电路部分仿真图4.1.2报警电路图4.1.2.1 报警电路工作原理：该报警电路有555定时器和三极管构成，有555定时器构成一个多谐振荡器，其输出信号可以经三极管推动扬声器。pr为控制信号，当pr为高电平时，4端接高电平，振荡器正常工作，当为低电平时，振荡器停止工作，不会发声。因为来一个高电平是该报警电路会发声，但是只有在一个周期内发声，这个周期非常短，只是多谐振荡器的一个周期，只有一秒钟，所以中间需要加一个单稳态触发器，根据555构成的单稳态触发器的功能原理，这样可以延长这个周期，是发声信号加长，该定时器用到的电阻是10 k，电容是100uf，根据公式计算得到的周期是3秒。 图4.1.2.2 多谐振荡器仿真图4.2 整体电路整体仿真图如图4.2.1，可实现如下功能：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；主持人将开关置开始状态，宣布开始抢答器工作。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。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答。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。图4.2.1 整体电路仿真图5、仿真分析5.1抢答电路仿真对抢答部分仿真如图5.1.1所示。开关置向“清零”一端时，芯片的=0，处于工作状态，但锁存器芯片处于封锁状态，抢答电路不工作。控制关再次置向“开始”端，芯片的端为高电平，处于等待工作状态。有抢答者抢答，则使芯片的=1，处于封锁状态。其后有抢答者抢答，都是无效的。图5.1.1 抢答电路仿真5.3总体电路仿真 图5.3.1 总体电路仿真控制开关由“清零”端拨向“开始”端，芯片处于工作状态。当有人抢答时，芯片触发脉冲被封锁，则其他抢答者不能再抢答，显示器上显示抢答者的编号，并一直保持到系统清零为止。6、收获、体会和建议这次课程设计历时一个星期多，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。此次课程设计的过程中我遇到了许多挫折,如软件使用中的很多问题,但我认为挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。从拿到题目到具体设计，从理论到实践，在一个多星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实