电子课程设计报告-九人智力抢答器课程设计报告.doc

华北科技学院华北科技学院电子课程设计报告 题目名称： 九人智力抢答器 专 业： 电子信息工程类 班 级： 14级电信4班 学 号： 姓 名： 指导教师： 电气信息工程学院 2016年12月25日 摘要本报告设计的九人智力抢答器电路主要采由74系列常用集成电路组成，涉及到触发器、编码器、译码器、计数器、555定时器和RC电路组成的多谐振荡电路。该抢答器具有基本的抢答功能，通过共阴极数码管显示选手的号码。当一轮抢答开始后，首先抢答的人由触发器保持状态并阻止其他任何选手输入状态，此次设计的抢答器在选手输入信号后先经过优先编码器编码，再经过D触发器，所有选手没有优先级之分，真正做到比赛的公平公正性。编码后的信号经过加法器后输出合适的的二进制码，再经过显示译码器的作用，驱动共阴极数码管显示抢答选手的编号。主持人可以通过控制按钮结束本轮的抢答并可以重新开始下一轮抢答。本次设计的抢答器运用74HC175上升沿D触发器记录第一个抢答人的状态；运用74LS20控制触发器的工作，从而使第一个抢答者的状态保持，而其他人无法再抢答；运用优先编码器74LS148编码；输出合适的二进制数；最后采用BCD-显示译码器74LS48驱动数码管显示选手编号。电路中需要的时钟信号由555多谐振荡电路实现。关键词: 抢答器 触发器 编码器 计数器 显示译码器 555时钟信号发生器目录前言3第1章 设计思路和总体框架图41.1 系统总体框图41.2 设计思路41.3 方案设计41.3.1 方案一41.3.1 方案二51.3.1 方案确定5第2章 单元电路设计62.1抢答电路设计62.1.1电路简介62.1.2工作原理72.1.3集成电路逻辑功能分析82.2数码管显示电路设计102.2.1电路设计分析102.2.2 显示电路132.3时钟信号发生电路设计132.3.1 设计分析132.3.2 工作原理14第3章 总结17附录18元器件清单18完整原理图19参考文献20前言目前无论是国内还是国外，智力抢答类的娱乐节目以其知识的普及性和娱乐宣传性，一直受到广大电视观众的喜好和好评，是全家老少皆宜的电视类节目。说到这类电视节目，就不得不提到节目中的抢答的环节，多位选手在主持人一声令下开始抢答，抢答时间有限，先按抢答器者独占先机，这种情况总是扣人心弦，让观众和选手都心动不已。激动之后，大家有没有想过节目中抢答用的电路时如何实现的吗？选手限时抢答，谁先抢答就会在其前面的LED屏上限时，同时其他较晚的人再按键是没有任何效果的。当一轮抢答结束后，主持人操作手中的控制器就可将先前维持住的抢答状态复位清零。这种抢答方式有效地提高了竞赛的公平和公正性，避免了一些不合理现象的发生。当今社会发展迅速，应用于此类抢答节目的智能抢答器早就问世。其功能的实现方式多种多样，并逐渐趋向于易于扩展、可靠性好、集成度高、制造费用低、功能更加多样话的一种高效能的产品。本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了九人智力抢答器设计，同时制作出了简易的实物以供实践演示。第1章 设计思路和总体框架图1.1 系统总体框图扬声器数码显示脉冲电路倒计时器译码器数码显示扬声器编码器锁存器译码器主持人选手图1.1 总体框图 1.2 设计思路 本次设计的抢答器运用74HC175上升沿D触发器记录第一个抢答人的状态；运用十三输入与非门74HC133控制触发器的工作，从而使第一个抢答者的状态保持，而其他人无法再抢答；运用优先编码器74LS148编码；输出合适的二进制数；最后采用BCD-显示译码器74LS48驱动数码管显示选手编号。电路中需要的时钟信号由555多谐振荡电路实现。如框图所示，当选手进行抢答时，触发器会将最先按抢答器的选手信号锁存起来，不会受其他选手的影响。然后通过编码器编码，显示译码器，正确的显示出选手的编号。主持人可以通过控制触发器“清零”从而使整个系统初始化。1.3 方案设计1.3.1 方案一电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。1.3.1 方案二电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高，所以用其产生的脉冲信号更加稳定，同时在显示更能接近预定的值，受外界环境的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。1.3.1 方案确定选择结果：方案一。原因一：系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。原因二：虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高，但由于前者设计方便，操作简单，成为了设计时的首选。第2章 单元电路设计2.1抢答电路设计2.1.1电路简介图2.1.1所示为最小抢答电路，拥有抢答和清零的基本功能。S0按钮为主持人控制开关，一端接地，另一端连接触发器74HC175的清零端，当S0按下后CLR端接地为低电平，触发器复位清零。J1J9为九位抢答选手对应的抢答按钮，选手们可以按下开关进行抢答。 图2.1.1 最小抢答电路2.1.2工作原理抢答器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。为实现抢答的要求，即当第一个选手抢答后其他选手再按抢答器对其不影响。当接通电源时，节目主持人将开关置于“接地（清除）”位置时，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器显示0，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“Vcc（开始）”位置，抢答器处于工作状态，蜂鸣器LS1发出短暂的响声提示选手答题，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警灯x2亮，蜂鸣器LS1报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答本次设计的抢答电路巧妙地利用了触发器的工作原理：没有一定频率的时钟信号输入D触发器74HC175就不能正常工作。电路中将触发器输出的九个结果同时钟信号一同接入与非门74LS20中，与非门出来当做74HC175的时钟脉冲。当选手们没进行抢答时蜂鸣器不响，此时74LS20输出端与时钟信号同步，一旦有人抢答时，九个人有一个按下开关，74LS20一输入端变成低电平，使输出端变为“1”，时钟信号输入无效，相应的触发器不能继续正常工作，断绝了其他人抢答的机会，同时，74HC175把抢答选手的编号锁住，显示其编号至主持人系统清零为止。九人抢答电路中，当抢答完毕后，支持人将开关波置“接地”时，74HC175的CLR端接地（有效），会将输出端置零，从而实现无输入时候的清零功能。如果需要继续做下一轮的比赛，支持人可以直接将开关接到“Vcc”端即可立即开始下一轮的比赛。我们将启动功能和清零功能结合在一起，减少了按键操作次数，大大简化了电路还有按键操作次数，这是本设计的一大亮点。2.1.3集成电路逻辑功能分析2.1.3.1触发器输入输出J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q90111111111110111111111110111111111110111111111110111111111110111111111110111111111110111111111110111111111110为达到项目要求的抢答功能，由抢答器相关功能列的的真值表如下表2.1.3所示。表2.1.3 抢答器真值表 分析逻辑功能可知，八个输入状态没有优先级之分，而且输出高低电平要保存下来。这里就要用到触发器。由上面的真值表分析可知选用D触发器74HC175可以满足要求。 74HC175的相应逻辑电路图和功能表如下图2.1.3所示。图2.1.3 74HC175电路结构图和功能表 2.1.3.2 十三与非门接下来是关于13输入与非门74HC133如何控制时钟信号的作用的分析。当电路中没有抢答信号时，十三输入与非门74HC133的选手信号输入端都为高电平。时钟信号输入端为1Hz 500HZ的方波，有效电压为5V。多余的三个输入端连接5V电源，作为闲置端。如下波形图2.1.5所示，时钟信号波形为Clk，当没有抢答信号时：Q=（Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（Clk）=Clk在t 时刻加入抢答信号后输出波形为Q*。例如当一号选手第一个抢答时，Q1=0： Q*=（Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（Clk）= 1。图2.1.4 十三输入与非门这样就会给由555定时器构成的单稳态电路一个脉冲，然后蜂鸣器就会响起，达到报警的作用，由此可见此集成电路在设计中起到非常重要的的逻辑功能。2.2数码管显示电路设计2.2.1电路设计分析为了将锁存的信号显示在数码管上，需要将8个高低电平信号编译成二进制码，在通过显示译码器驱动数码管显示。考虑到经过触发器后信号不受优先级的影响，可以利用优先编码器74LS148对Q1Q8进行编码。74LS148的功能表如下表2.2.1所示：本单元电路选用显示译码器74LS48作为数码管驱动，相应的真值表如下表2.2.1所示，AD为二进制译码输入端，YaYg为译码输出端，直接连接共阴极数码管的对应管脚。 一旦输入和输出对应不上，就不发正确的显示选手的编号。74ls148引脚图74ls148优先编码器管脚功能介绍:为16脚的集成芯片，电源是VCC(16) GND(8),I0I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。EI端上是使能端，作用是控制148工作，低电平有效，即:若该端输入高电平，则148不工作；若该端输入低电平，则148正常工作。GS是用来判断148输入端是否有输入，只要有输入，则输出低电平，的、若没有输入，则出书高电平。EO是用来148之间的级联用的，拓展为16位或更高编码器。如高优先位没有输入，则EO输出低电平，接低优先位的EI端，就控制了低优先位工作，若高优先位有输入，那EO端输出高电平，使下一片148的EI位高，不工作。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。输入输出数字DCBAYaYbYcYdYeYfYg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111 表2.2.1 74LS148实际上带有进位端的编码器74LS148编码出的二进制码与译码器74LS48的输入相差1 但是们可以用两片级联的方式进行九路的输入，我为了方便，就直接用的是19的。这样就不用加法器进行做加法运算了，就可以直接用74LS48译码器进行译码了，减少了资源。另外如果想要增加选手人数，两片74LS148级联的方式，很容易拓展开来，直接加一些电阻开关就可以了，但需要注意输出端译码器、显示电路也需要更换。下面介绍一下74LS48译码器的功能，管脚图如图2.2.1所示： 图2.2.1 74LS48管脚图工作电压:5V 74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1)在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。（2）消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时,无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 （3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。 （4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1） 此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。 DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。功能表如图2.2.2所示：图2.2.2 74LS48的功能表其实74LS48的功能可以很多，用途很广，但本仿真课程不需要清零功能所以要把BI/RBO、RBI、LT接高电平。ABCD正常输入，就可以了。输出端直接接一个显示器，这点就不需要多说了吧。需要特别注意的是74LS148是以级联的方式连的，所以需要与门电路进行搭配，到底是使用与门还是与非门，应该根据后一层电路决定，这里后面的74H175的输入是高电有效，所以，我直接就用与门就能实现了。综上，由优先编码器、显示译码器和共阴极数码管组成的显示电路如下图2.2.3所示：2.2.2 显示电路图2.2.3 显示电路2.3时钟信号发生电路设计2.3.1 设计分析考虑到抢答电路中运用到了上升沿触发器74HC175，需要时钟信号才能正常工作，在multisim仿真中可以用信号发生器产生需要的时钟信号，也可以利用555集成电路和RC震荡电路组成多谐振荡器，选取一定参数的电阻和电容就可以产生所需要的时钟信号。本次设计的抢答器主要采用555集成电路作为信号发生器。2.3.2 工作原理 555定时器有TTL型和CMOS型两类产品，它们的功能和外部引脚排列完全相同。管脚1为接地端GND。 管脚2为低电平触发输入端TRI。该端电平低于Vcc3(或Vcc2)时，输出Q为高电 平。管脚3为输出端OUT。 管脚4为复位端RST。RST0时，Q0。管脚5为控制电压输入端CON。管脚6为高电平触发端THR。该端电平高于Vcc3(或Vcc)时，输出Q为低电平。管脚7为放电端DIS。管脚8为电源VCC。当管脚5外接控制电压VCC时，管脚6的比较电压为VCC，管脚2的比较电压为Vcc2。555的脉冲输出口是3号口，我们并不是将555的Vcc端直接接电源，而是通过由将主持人的总开关再接入电路，当主持人把开关打到Vcc端时，555定时器正常工作，产生一个秒脉冲给74LS192，使其能实现计数功能，当主持人把开关打到地的一边时，555定时器无电源供电，不能产生脉冲，计数停止。这样实现了暂停的功能。这部分将另外说明。图2.2.4 555时钟信号发生器当LM555H定时器按图2.2.4所示电路连接时，就构成了自激多谐振荡器，其中R18和R19是外接定时电阻，C2是外接定时电容。图中电阻R18、R19及电容C2构成充放电回路，当Vc22Vcc3时，555内部三极管导通，电容C2通过电阻R2放电；当Vc22Vcc3时，555内部三极管截止，电容开始充电。负脉冲宽度Twh=0.7R2C2，正脉冲宽度Twh=0.7(R1+R2)C2,振荡频率f=1.43/0.7R1+R2C2。 通过计算上图设计的时钟信号发生器的输出频率为： 仿真输出波形如下图2.2.5所示：图2.2.5 555时钟电路输出仿真结果由于仿真结果有点偏差，Multisim 14版本或有些问题，导致结果没有实际理论上的有那么准确，所以仿真的时候我稍微更改了一些数据，使得能看到我们想要的结果。为了抢答时间足够准确我还亲自拿秒表比对。实现了不差毫秒的电路秒脉冲。555 0 CP 0 555 1CP图2.2.6 555时钟脉冲与74LS192脉冲第3章 总结这是我们第一次利用所学的数电知识设计电路。虽然当初选择的这个项目相对简单，所需要的电路单元不多，功能不太繁琐，但是通过这将近一个月的摸索和不断学习，终于设计出了一个相对有个性的九人智力抢答器。回想这一历程，有过激动，有过失望。从简简单单的强大功能的实现到下一步的编码显示；从还不知道如何产生时钟信号到利用555构成的多谐振荡器才生合适的时钟信号；从手中只有零零散散还不够完整的电子元件到最简抢答电路的焊制成功；从一字一句的敲打到这篇实验报告的完成。这是一个艰辛而又充满惊喜的历程。还没有接触过动手研发时，我曾经从一个大三同学的口中听说过这样一句话：从你想做东西到真正做出东西的这种心理历程是很坎坷的。当初我并不同意他的看法，认为只要理论知识掌握了就会很容易做出实物来。现在再回味那句话，还真的很有同感。理论只是零散的理论而已，如何将他们有机的结合并运用到设计上来还真不是一件容易的事。只有通过不断地理论学习和动手实践才会明白和掌握数电中最实在的知识和技巧。电路设计过程中遇到了很多问题，比如：抢答器的触发器不能触发，555多谐