数字抢答器电路的设计

沈阳航空航天大学课程设计（说明书）数字抢答器电路的设计班级/学号学生姓名指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称电子线路课程设计课程设计题目数字抢答器电路的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个数字抢答器电路，可以同时供8名选手或8个代表队比赛，技术指标如下：1．设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制；2．抢答器具有锁存与显示功能；3．抢答器具有定时抢答功能，定时时间为55秒，当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时；4．如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。二、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED显示。2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。4．完成电路电源的设计。三、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2．进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1．阎石著.数字电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2005年2．南新志、刘计训主编.数字电路实验教程.[M]济南：山东大学出版社，2003年五、按照要求撰写课程设计报告成绩指导教师日期一、概述抢答器已广泛应用在各种竞赛，这次课程设计的题目是数字抢答器电路的设计。本次设计主要应用了数字电子技术基础以及模拟电子技术基础的知识，结合软件仿真达到任务要求。设计中主要用到了74LS373、74LS147、74LS192、BCD译码器和数码管等元器件。数字抢答器的设计利用Multisim10.0进行了原理图设计和电路仿真，具有系统清零、选手抢答及其显示、倒计时显示、系统报警等功能，应用效果良好。二、方案分析本次设计的数字抢答器电路，主要由抢答电路、倒计时几报警电路两部分组成。工作过程是：接通电源时，当主持人将开关打开时，即开关置于清除位置（低电平），抢答器处于禁止工作状态，倒计时电路显示为“55”，抢答显示器显示为“0”，参赛选手不能抢答。当主持人将开关闭合，即置于开始位置（高电平），抢答器处于工作状态，抢答开始，倒计时开始进行减计时。若有选手抢答，用优先编码器分辨出抢答选手，控制电路要对输入编码进行锁存，避免其他选手进行抢答，通过BCD译码器传输抢答信息到数码管；同时抢答显示器显示最先抢答的选手号码并且倒计时停止在抢答那刻。若倒计时结束，即示数为“00”时，一直无人抢答，则报警的发光二极管发光表示时间到。当选手回答完毕，主持人控制开关，让抢答器处于禁止状态，进行下一轮的抢答。设计的数字抢答器电路的原理框图如图1所示。图1数字抢答器电路的原理框图主持人开关报警电路控制电路秒脉冲产生电路译码电路显示电路倒计时电路数码管XIANSHI译码电路编码器触发锁存电路抢答开关三、电路设计1.直流稳压电源电路本次设计的电源电路是将220V交流电先通过一个25：1的变压器，把220V电压降到8.8V；再通过由桥式整流电路整流，通过滤波电容滤波；最后通过经稳压片稳压，稳压片选用LM7805CT型号，最终可输出约5V的直流工作电压。直流电源电路图如图2所示。图2直流电源电路图2.抢答电路抢答电路主要由74LS373、、74LS147和4511BD组成。该电路实现两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者，同时其对应的数码管变亮；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。74LS373是三态缓冲输出的8D锁存器。只有当三态输出控制端OC为低电平、锁存控制ENG为高电平时，74LS373的输出端1Q~8Q和输出端1D~8D状态相同。当OC为高电平时，三态门被封锁，输出端与输入端隔离。接通电源，OC为低电平，ENG始终为高电平，这时按下任意抢答按钮，74LS373的输出端必有一路为低电平，该信号经过组合逻辑电路反馈到OC端使其变为高电平，74LS373的三态门被封锁，这样其他路的抢答信号就无法到达输出端，即只有一路抢答成功。74LS147为8线-4线优先编码器，低电平有效。当输入为低电平时，以反码的形式输出8421BCD码，所以后面接了4个非门电路，转换成8421BCD码，编码器多余的输入端接高电平。显示译码器采用了4511BD，数码管就采用了共阴极数码管。若选用74LS47作译码器，则采用共阳极数码管。数码管显示抢答按钮的编号。第一轮抢答结束后，若要进行下一轮的抢答，在抢答前进行复位，即把三态门使能控制端OC强制变为低电平。即将开关信息和反馈信息相“或”后再加到三态门使能端OC，从而完成。下一轮抢答做好准备工作，这是数码管显示“0”。闭合开关，进行复位，之后再断开开关。抢答电路的原理图如图3所示。图3抢答电路的原理图3..倒计时及报警电路该部分主要由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、报警电路和2个数码管等组成。两个74LS192实现减法计数，将其预置端设置为“0101”、“0101”，前一个为十位，后一个为个位，即“55”。倒计时电路完成的功能是当主持人按下开始抢答开关后，倒计时开始，数码管上从“55”开始倒计时。若倒计时时间到时，无人抢答，本次抢答无效，系统报警即LED灯发光提示时间到，定时显示器上显示“00。倒计时及报警电路原理图如图4所示。图4倒计时及报警电路原理图4.秒脉冲发生电路秒脉冲发生电路主要由多谐振荡电路构成，可得到所需要的时间信号。参数计算T=(R2+2R3)Cln2=(6.63k+2*4k)*10-4*ln2=1.0002s秒脉冲产生电路图如图5所示。图5秒脉冲产生电路图四、性能的测试1.直流稳压电源的测试在电路的输出端用万能表测量，测量结果图6所示。图6直流电源测试结果图2.抢答电路性能测试当主持人将开关断开时，选手开始抢答，其对应的发光二极管变亮。若7号选手最先抢答，其他选手8号和4号落后于7号，所以8号和4号抢答无效，即7号选手抢答成功，测试结果如图7所示。图77号抢答成功结果图3.倒计时报警电路性能测试没有选手抢答时，倒计时由“55”~“00”，之后停止计数，报警LED灯发光报警提示时间到。无人抢答结果如图8所示。图8无人抢答结果图4.秒脉冲发生电路的性能测试用示波器测试秒脉冲发生电路，多谐振荡电路测试及其结果如图9所示。图9多谐振荡电路测试及其结果图5.电路整体性能测试1)主持人闭合开关A，定时器从“55”开始进行计时。5号抢答成功，1号、3号和8号抢答无效。抢答器具有锁存和显示功能，显示器显示“5”。与此同时，倒计时停止在5号抢答成功那刻。5号抢答成功如图10所示。图105号抢答成功结果图2)主持人闭合开关A，定时器从“55”开始进行倒计时。定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示“00”。无人抢答结果如图11所示。图11无人抢答结果图五、结论设计的数字抢答器电路能满足本次课程设计的要求。可以同时供8名选手或8个代表队比赛，同时达到了所要求的技术指标。功夫不负有心人，只要认真、用心，不懂的地方，，多问，多查资料就会完成任务。六、性价比本次设计的电路在选用元器件时，都选用的是较为常见的。在使用的过程中，每个器件都尽量最优使用，做到了节省，降低了成本，比如报警时选用的LED发光二极管，其使用寿命较长，可以减少总体费用，并且采用半导体技术，属于绿色光源。整体过程比较容易实现，用到的器件都比较便宜，成本较低，容易测量，因此性价比比较高。七、课设体会及合理化建议一直比较喜欢做实验，这次通过十天时间的努力，终于完成了本次课程设计。经过十天时间的努力，终于从最开始的毫无头绪到了现在熟悉电路的每一个器件，每部分功能。将书本上的理论的知识，运用于实践中去，其乐无穷。我一步一步认真完成，最终取得了成功。在不断的修改和仿真中，弄懂并学会了各个元器件的功能，并且实现了本次课程设计的要求。设计思路是最重要的。首先根据任务书上的要求，将电路的功能分析出来；然后划分为三个模块：抢答电路、倒计时报警电路和电源设计电路；再一部分一部分分别实现他们的功能；最后把各部分连一块，实现总功能。在设计过程中，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，有时候真的不想再做了。在这个时候更加需要静下心来，我都先稍稍休息一下，回头再去查找原因。最终通过不懈努力，在与同学的商讨和老师的答疑后完成了各部分电路及其仿真。报警电路的LED灯因之前不知道其工作条件而不能报警，最终在老师的讲解下明白了并且设计出了正确的方案。本次数字抢答器的设计，涉及到许多方面，比如数电、模电等基础专业课的知识。我去图书馆借了相关书籍并在网上查询了相关的资料。在这个过程中，我不但复习了以前学的模拟电子电路和数字电子技术基础知识，也知道了他们之间的一些联系。同时在老师的帮助下，了解了一些关于来年毕业设计的东西，知道了做课程设计的一般步骤，学会了具体怎么去完成一个课程设计报告。我们在每一个步骤中，都必须做到认真、仔细，不能有半点马虎。写报告时，按照老师的要求，一步一步来。课程设计锻炼了我们的自学能力。怎样去实现所需要的功能，是需要我们去认真独立思考的。对Multisim10.0软件的使用更加熟悉了，通过仿真，不紧对理论知识加深了了解，还培养了我们的动手能力，为电子电路的实际制作打下了良好基础。作为一名工科生，最重要的就是把理论运用到实践中去！对于我们学通信工程的同学来说，多做实验，多独立思考是必不可少的能力。在今后的专业课学习中，不仅要学好理论知识，还得提高自己的动手能力，多去实验室做实验！参考文献[1]阎石主编.数字电子技术.[M]北京：高等教育出版社，2006年[2]童诗白、华成英编.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年[3]吕思忠主编.数字电路实验课程设计.[M哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001年[4]李学明主编.数字电子技术仿真实验教程.[M]北京:清华大学出版社2012年[5]南新志、刘计训主编.数字电路实验教程.[M]济南：山东大学出版社，2003年附录I总电路图U974LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U1374LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14J1Key=AU14DCD_HEX_BLUEU15DCD_HEX_BLUEU16LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R56.43kΩR64kΩC110nFC2100uF565554525049484746454443U17A74HC01D_6V53U12A74LS08D63U174LS147DA9B7C6D143134152212111857463910U4A74LS02DU8ABCDEFGCKJ2Key=1J3Key=2J4Key=3J5Key=4J6Key=5J7Key=6J8Key=7J9Key=8U1074LS373DW1D32D43D74D85D136D147D178D18~OC1ENG111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19R2180ΩRPACK8R110kΩU1174LS30DU24511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3R3300ΩRPACK7624241403938373635343332313029282726242322212019181714131211109876U7A74ALS32MU7B74ALS32M102103105104U7C74ALS32M24J10Key=B31LED1R4200Ω2551585960575T1TS_POWER_25_TO_1C3470uFV1220Vrms50Hz0°D11B4B421243U6LM7805KCLINEVREGCOMMONVOLTAGE67666564U5A74LS04D