数电课程设计报告----《八路数字抢答器》

数字电路课程设计 数字抢答器 设设 计计 报报 告告 姓姓 名 名 学学 号 号 专专 业 业 电子信息工程系 指导教师 指导教师 2012 年 04 月 18 日 八路数字抢答器 1 八路数字抢答器 一 设计目的及任务 1 设计的目的 通过八路数字抢答器的设计实验 要求大家回顾所学数字电子技术的基础 理论和基础实验 掌握组合电路 时序电路 编程器件和任意集成电路的综合 使用及设计方法 熟悉掌握优先编码器 触发器 计数器 单脉冲触发器 555 电路 译码 驱动电路的应用方法 熟悉掌握时序电路的设计方法 达到数字实 验课程大纲所要求掌握的基本内容 2 设计的任务及要求 1 基本功能 设计一个智力竞赛抢答器 可同时供 8 名选手或 8 个代表队参赛 他们 的选号分别是 0 1 2 3 4 5 6 7 各用一个抢答按钮 按钮的编号对应 分别是 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 给节目主持人设置一个控制开关 用来控制系统的清零 编号显示数码 管灭灯 和抢答器的开始 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 编号立即锁存 并在 LED 数码管上显示出选手的编号 此外 要封锁输入电路 禁止其他选手抢答 优先抢答选手的编号一直保持主持人将系统清零为止 2 扩展功能 抢答器具有定时抢答的功能 且一次抢答的时间可以由主持人设定 如 30 秒 当节目支持人启动 开始 键后 要求定时器立即减计时 并用显示器 显示 参加选手在设定的时间内抢答 抢答有效 定时器停止工作 显示器上 显示选手的编号和抢答时刻的时间 并保持到主持人将系统清零为止 如果定时抢答的时间已到 却没有选手抢答时 本次抢答无效 系统短 暂报警 并封锁输入电路 禁止选手超时后抢答 时间显示器上显示 00 二 电路设计总方案及原理框图 1 设计思路 1 本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存 实现这 一功能可选择使用触发器或锁存器等 在得到第一信号之后应立即将电路的输 入封锁 即使其他组的抢答信号无效 同时还必须注意 第一抢答信号应该在 主持人发出抢答命令之后才有效 八路数字抢答器 2 2 当电路形成第一抢答信号之后 用编码 译码及数码显示电路显示出 抢答者的组别 也可以用发光二极管直接指示出组别 3 在主持人没有按下开始抢答按钮前 参赛者的抢答开关无效 当主持 人按下开始抢答按钮后 开始进行 30 秒倒计时 此时 若有组别抢答 显示该 组别并使抢答指示灯亮表示 已有人抢答 当计时时间到 仍无组别抢答 则 计时指示灯灭表示 时间已到 主持人清零后开始新一轮抢答 2 总电路框图 电路总体框图如图 1 所示 图 1 总电路框图 三 单元电路工作原理 1 显示电路 此部分电路主要完成的功能是实现 8 路选手抢答并进行锁存 同时有相应 发光二极管点亮和数码显示 使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成 该电路主要完成两 个功能 一是分辨出选手按键的先后 并锁存优先抢答者的编号 同时译码显 示电路显示编号 显示电路采用七段数字数码显示管 二是禁止其他选手按键 其按键操作无效 工作过程 开关 S 置于 清除 端时 RS 触发器的 R S 端 均为 0 4 个触发器输出置 0 使 74LS148 的优先编码工作标志端 0 使之 处于工作状态 当开关 S 置于 开始 时 抢答器处于等待工作状态 当有选手 将抢答按键按下时 如按下 S5 74LS148 的输出经 RS 锁存后 CTR 1 RBO 1 七段显示电路 74LS48 处于工作状态 4Q3Q2Q 101 经译码显示为 5 此外 CTR 1 使 74LS148 优先编码工作标志端 处于禁止状态 封锁其他按 八路数字抢答器 3 键的输入 当按键松开即按下时 74LS148 的 此时由于仍为 CTR 1 使优先 编码工作标志端 1 5 所以 74LS148 仍处于禁止状态 确保不会出二次按键 时输入信号 保证了抢答者的优先性 只要有一组选手先按下抢答器 就会将 编码器锁死 不再对其他组进行编码 通过 74LS48 译码器使抢答组别数字显 示 0 7 如有再次抢答需由主持人将 S 开关重新置 清除 然后再进行下一轮 抢答 抢答模块原理图如图 2 所示 图 2 抢答模块原理图 1 RS 触发器 保持状态 当输入端接入S R 1 的电平时 如果基本 SR 触发器现态 Q 1 Q 0 则触发器次态Q 1 Q 0 若基本 SR 触发器的现态Q 0 Q 1 则触发器次态Q 0 Q 1 即S R 1 时 触发器保持原状态不变 置 0 状态 当S 1 R 0 时 如果基本 SR 触发器现态为Q 1 Q 0 因R 0 会使Q 1 而Q 1 与S 1 共同作用使Q端翻转为 0 如果基本 SR 触 发器现态为Q 0 Q 1 同理会使Q 0 Q 1 只要输入信号S 1 R 0 无 论基本 SR 触发器的输出现态如何 均会使输出次态置为 0 态 置 1 状态 当S 0 R 1 时 如果触发器现态为Q 0 Q 1 因S 0 会使 G1的输出端次态翻转为 1 而Q 1 和R 1 共同使 G2的输出端Q 0 同理 当Q 1 Q 0 也会使触发器的次态输出为Q 1 Q 0 只要S 0 R 1 无 论触发器现态如何 均会将触发器置 1 不定状态 当S R 0 时 无论触发器的原状态如何 均会使Q 1 Q 1 当 脉冲去掉后 S和R同时恢复高电平后 触发器的新状态要看 G1 和 G2两个门 八路数字抢答器 4 翻转速度快慢 所以称S R 0 是不定状态 在实际电路中要避免此状态出现 2 74LS148 优先编码器 表 1 74LS148 真值表 74LS148 的输入端和输出端低电平有效 如表 174LS148 真值表所示 0 I 7 I 是输入信号 2 Y 0 Y 为三位二进制编码输出信号 S I 1 时 编码器禁止编 码 当 S I 0 时 允许编码 S Y 是技能输出端 只有在 S I 0 而 0 I 7 I 均无 编码输入信号时为 0 EX Y 为优先编码输出端 在 S I 0 而 0 I 7 I 的其中之一有 信号时 EX Y 0 0 I 7 I 各输入端的优先顺序为 7 I 级别最高 0 I 级别最低 如果 7 I 0 有信号 则其它输入端即使有输入信号 均不起作用 此时输出 只按 7 I 编码 2 Y 1 Y 0 Y 000 优先编码被广泛用于计算机控制系统中 当有多 个外设申请中断时 优先编码器总是给优先级别高的设备先编码 输 入输 出 sI0I1I2I3I4I5I6I7I2Y1Y0YEXYsY 1XXXXXXXX11111 01111111111110 0XXXXXXX000001 0XXXXXX0100101 0XXXXX01101001 0XXXX011101101 0XXX0111110001 0XX01111110101 0X011111111001 00111111111101 八路数字抢答器 5 二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输 出信号的电路 也称为变量译码器 若输入端有 n 位 代码组合就有 2n个 当 然可译出 2n个输出信号 显示译码器由译码输出和显示器配合使用 最常用的是 BCD 七段译码器 其输出是驱动七段字形的七个信号 常见产品型号有 74LS48 74LS47 等 字符显示器 分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划 组成 电子计算器 数字万用表等显示器都是显示分段式数字 而 LED 数码显 示器是最常见的 通常有红 绿 黄等颜色 LED 的死区电压较高 工作电压 大约 1 5 3V 驱动电流为几十毫安 如图 3 所示 是七段 LED 数码管的引线 图和显示数字情况 74LS47 译码驱动器输出是低电平有效 所以配接的数码管 须采用共阳极接法 而 74LS48 译码驱动器输出是高电平有效 所以 配接的 数码管须采用共阴极接法 数码管常用型号有 BS201 BS202 等 图 3 是共阴 式 LED 数码管的原理图 使用时 公阴极接地 7 个阳极 a g 由相应的 BCD 七段译码器来驱动 2 秒脉冲发生器电路 该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路 十进制同步加减计数器 74LS192 减法计数电路 74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成 完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后 进行 30s 倒计时 到 0s 时倒计时 指示灯亮 当有人抢答时 计时停止 两块 74LS192 实现减法计数 通过译码 电路 74LS48 显示到数码管上 其时钟信号由时钟产生电路提供 74LS192 的 预置数控制端实现预置数 30s 计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供 按键弹 起后 计数器开始减法计数工作 并将时间显示在共阴极七段数码显示管上 当有人抢答时 停止计数并显示此时的倒计时时间 如果没有人抢答 且倒计 时时间到时 输出低电平到时序控制电路 控制报警电路报警 同时以后选手 抢答无效 倒计时模块电路如图 4 所示 图 3 译码管电路 八路数字抢答器 6 图 4 倒计时模块电路 由 555 定时器和三极管构成报警电路 其中 555 构成多谐振荡器 振荡频 率 fo 1 43 RI 2R2 C 其输出信号经三极管推动扬声器 PR 为控 制信号 当 PR 为高电平时 多谐振荡器工作 反之 电路停振 555 定时器连 接图如图 5 所示 图 5 555 定时器连接图 八路数字抢答器 7 3 报警电路 控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号 当有人在有效时间内抢答时 定时时间到时无人抢答时 输入信号为高电平 报警电路发出报警信号 反之 输入信号为低电平时 报警器不工作 报警电路如图 6 所示 图 6 报警电路 U6 74LS48N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 GND 8 VCC 16 U7 74LS48N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 GND 8 VCC 16 U8 A B C D E F G CK U9 A B C D E F G CK 26 27 28 29 30 31 3233 34 35 36 37 38 39 GNDGND VCC 5V VCC 5V VCCVCC VCC 5V VCC 5V U10 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 GND 8 VCC 16 U11 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 GND 8 VCC 16 40 41 42 43 44 45 46 47 VCC 5V VCC 5V VCC VCC VCC 5V VCC 5V VCCVCC GND VCC 5V VCC VCC 5V VCC VCC GND GND GND VCC GND R14 10 R15 10 50 GND 61 GND GND 48 49 U12A 74LS04N 57 LED3 52 GND GND 八路数字抢答器 8 四 电路仿真 倒计时开始后开始计数 同时倒计时指示灯亮直到倒数到 0 秒熄灭 总电 路图如图 7 所示 图 7 总电路图 在 BO1 和 BO2 端放置示波器 BO1 端仿真曲线如图 8 和 BO2 端仿真曲线图 9 所示 计时器个位减到 0 时 BO1 出现一个下跳 计时器十位减到 0 时 BO2 出现 一个下跳 R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k VCC 5V U1 74LS148N A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 GND 8 VCC 16 VCC J2 0 1 3 6 8 U3B 74LS279N 1Q1 4 1Q2 7 1S1 2 1S2 3 1R1 1 1S3 6 1R2 5 U2A 74LS279N 1Q1 4 1Q2 7 1S1 2 1S2 3 1R1 1 1S3 6 1R2 5 R9 10k J1 Key Space VCC 5V VCC 0 R10 510 U4 74LS48N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 0 16 VCC 5V VCC U5 A B C D E F G CK 20 211922232425 9 10 11 12 VCC 5V VCC LED1 14 17 18 0 2 5 4 7 GND GND U6 74LS48N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 GND 8 VCC 16 U7 74LS48N A 7 B 1 C 2 D 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI RBO 4 GND 8 VCC 16 U8 A B C D E F G CK U9 A B C D E F G CK 26 27 28 29 30 31 3233 34 35 36 37 38 39 GNDGND VCC 5V VCC 5V VCCVCC VCC 5V VCC 5V U10 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 GND 8 VCC 16 U11 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 GND 8 VCC 16 4041 42 43 44 45 46 47 VCC 5V VCC 5V VCC VCC VCC 5V VCC 5V VCCVCC GND VCC 5V VCC VCC 5V VCC VCC OUT U13 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI R11 15k R12 68k C1 10nF C2 910nF 13 51 53 GND LED2 R13 1k 55 U14A 4069BCL 5V CTR U15A 4069BD 5V U17A 74LS11N 15 56 54 58 GND VCC GND GND GND VCC GND U16A 7400N 59 60 VCC 5V R14 10 R15 10 50 GND 61 GND VCC GND 48 49 U12A 74LS04N 57 LED3 52 GND GND 八路数字抢答器 9 图 8 BO1 端仿真曲线 图 9 BO2 端仿真曲线 八路数字抢答器 10 五 电路的安装及调试 电路在面包板上进行安装调试 接通电源 开关打到预置端 倒计时数码 管显示 30 主持人拨动开关后 倒计时电路开始从 30 秒倒数 8 路触点开关处 于待命状态 待命状态电路如图 10 所示 图 10 待命状态电路 八路数字抢答器 11 若有选手按下所在开关 抢答 抢答电路显示选手所在编码 0 7 倒 计时电路停止计时 同时其他选手所在的开关被锁定 抢答无效 抢答显示如图 11 所示 图 11 抢答显示 图 12 计时锁定 如果 30 秒倒计时结束后仍无人抢答 LED 灯熄灭 倒计时电路锁定为 00 抢 答不再有效 蜂鸣器发出 滴 的声音表示报警 这时只需主持人重新将开关打到预置段 整个电路全部回到初态 准备进行下 一轮抢答 计时锁定电路图如图 12 所示 八路数字抢答器 12 六 实验结果 将检查好的电路加上 5 伏直流稳压电源后 显示选手编号的数码管显示 7 按下复位键后 接通电源 开关打到预置端 倒计时数码管显示 29 主持 人拨动开关后 倒计时电路开始从 29 秒倒数 8 路触点开关处于待命状态 若 有选手按下所在开关 抢答 抢答电路显示选手所在编码 0 7 倒计时电 路停止计时 同时其他选手所在的开关被锁定 抢答无效 如果 30 秒倒计时结 束后仍无人抢答 LED 灯熄灭 倒计时电路锁定为 00 抢答不再有效 且蜂鸣 器发出 这时只需主持人重新将开关打到预置段 整个电路全部回到初态 准备进 行下一轮抢答 八路数字抢答器 13 结论 首先感觉学校 老师 同学及在这次试验中所有给过我帮助的人 最后的成 功是离不开他们的 1 用 multisim 软件仿真 虽然以前在模电 Protel 课程设计中接触过一些电 子电路 但在初期还是感到无从下手 这是我第一次接触 multisim 软件 感觉 它比 Protel 更灵活易用 熟练以后十分顺手 在整个电路的设计过程中 花费 时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上 在多种方案的选择中 我们仔细比较分析其原理以及可行的原因 但有时接线 因为不够细心 造成 整个电路无法运行 最后还是在通多次对电路的改进 上机仿真以及接线调试 终于使整个电路可稳定工作 设计过程中 我深刻的体会到在设计过程中 需 要反复实践 其过程很可能相当烦琐 有时花很长时间设计出来的电路还是需 要重做 那时心中未免有点灰心 有时还特别想放弃 此时更加需要静下心 查找原因 设计思路是最重要的 只要你的设计思路是成功的 那你的设计已 经成功了一半 因此我们应该在设计前做好充分的准备 像查找详细的资料 为我们设计的成功打下坚实的基础 2 设计单元电路阶段 这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段 所有 的 设计方法还有步骤在数电书上都有 而且还有例题 这个阶段遇到的主要问题 就 是以前的知识忘记不