多路数字抢答器

电子课程设计报告题目：多路数字抢答器设计专业班级：电子技术姓名：杨阳时间：2012.05.30～2012.06.08指导教师：完成日期：2012年06月08日2多路数字抢答器设计任务书1．设计目的与要求设计一个八位智力竞赛抢答器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1）设计多组参赛的抢答器，每组设置一个抢答按钮；（2）电路具有第一抢答信号鉴别与锁存功能，抢答成功后，显示组别、发出声响；（3）设置犯规电路，对提前抢答或超时抢答的组别，显示组别、发出声响。2．设计内容（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH文件生成与打印输出；（5）PCB文件生成与打印输出。3．编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。4．答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。3目录1引言………………………………………………………………………………………42总体设计方案…………………………………………………………………42.1设计思路…………………………………………………………………42.2总体设计框图……………………………………………………………43设计原理分析…………………………………………………………………53.1芯片的选择……………………………………………………………53.1.1、BCD-七段显示译码器74LS48…………………………………………..…53.1.2、8线-3线优先编码器74LS148……………………………………………63.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器74LS121…………………………73.1.4、555定时器……………………………………………………………………74.单元电路设计……………………………………………………………………………94.1抢答器电路…………………………………………………………………………94.2定时电路…………………………………………………………………………104.3报警电路…………………………………………………………………………114.4总电路……………………………………………………………………………124.5调试与仿真……………………………………………………………124.5.1抢答器仿真图…………………………………………………………124.5.2报警器仿真图…………………………………………………………………134.5.3定时器仿真图…………………………………………………………………135.电路设计总结和体会………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………………154题目：多路数字抢答器设计摘要：抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。主要由选择电路、锁存电路、复位装置、编译显示电路等组成。抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。关键字：抢答器定时电路报警电路1引言：在各种智力竞赛中，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间的限制，到时间要告警。而抢答则要求参赛者作好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。2总体设计方案2.1设计思路①主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。②用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，如果犯规则闪烁显示队号③如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。④复位键用于恢复犯规或超时状态2.2总设计框图抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路5说明：上图为该抢答器的总体框图，其工作原理是：在接通电源的情况下，要进行抢答之前，主持人需要将开关拨到“清除”状态，编号指示灯灭。抢答器处于禁止状态，定时器也不会有显示时间：此时，主持人可以将开关拨到“开始”状态，宣布开始抢答开始。定时器进行倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答过程完成，此次抢答结束，在这个过程中，优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告诉此次抢答结束。如果在规定时间内没有人抢答，到时间结束时就后发出报警声，再次抢答无效，比赛也会结束。3设计原理分析3.1芯片的选择3.1.1、BCD-七段显示译码器74LS48图174LS48引脚图表174LS48功能表6①要求输出0～15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。②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。③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）。④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。⑤BI/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。3.1.2、8线-3线优先编码器74LS148图274LS148引脚图表274LS148功能表73.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器74LS121图374LS121引脚图3.1.4、555定时器（1）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BJTT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4由555定时器构成的单稳态触发器（2）多谐振荡器由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，其工作波形如b图所示。8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BJTT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5由555定时器构成的多谐振荡器94.单元电路设计4.1抢答器电路A7B1C2D6LT3BI/RBO4RBI5a13b12c11d10e9f15g14U?74LS48A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS?DpyRed-CA1R11Q41S121S232R52Q72S63R103Q93S1113S2124R144Q134S15U?74LS2791R11Q41S121S232R52Q72S63R103Q93S1113S2124R144Q134S15U?74LS27901011121231341526374EI5EO15A9B7C6GS14U?74LS148+5+5GNDGNDGNDGNDR7R6R4R3R2R1R0D?LED2ASBBSBASBBSBASBBSBASBBSBGNDR?RES2ASBR5R?RES2R?RES2图6抢答电路原理图工作原理：如图6，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10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4.2定时电路A7B1C2D6LT3BI/RBO4RBI5a13b12c11d10e9f15g14U?74LS48A7B1C2D6LT3BI/RBO4RBI5a13b12c11d10e9f15g14U?74LS48P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14U?74LS192P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14U?74LS192+5+5+5GNDGNDGNDGNDGND23456781U?555LEDR?RES2231U?A7401564U?B7401+C1C2CAPR?RES2R?RES2R?RES2ASB+5abfcgdeABCDEFGabcdefgDOTdpdpDS?XSQabfcgdeABCDEFGabcdefgDOTdpdpDS?XSQ图7定时电路原理图工作原理：如图7所示，分为两个部分，一是秒脉冲，由555定时器构成的多谐振荡电路，根据公式振荡周期为T=0.7（R1+2R2）C，可计算出该振荡器的振荡周期为1秒，由于是矩形脉冲，所以一个周期内发光二极管会发一次光。另一部分是可预置时间的减计数器，对于预置端可以采用十进制8421BCD码设置，当555振荡器发出一个脉冲时，74LS192的CP-端就接受一个信号，在cp脉冲的上升沿预置数就开始自减，当各位减少到0时，BO2就会输出一个负脉冲，cp2-就会开始减少1，然后74LS192二开始再自减1，直到预置数最后变成00，最后在BO2输出一个周期的负脉冲。在时间未到时，BO2一直到是输出正脉冲，除非最后变成00时，才会输出负脉冲，这就可以作为定时到的信号，如果是时间到了，输出是零，时间不到，输出是1。另外，假如有选手按键的话，则最后不会计数器不11会因为自减为00而最后输出负脉冲，而是应为秒脉冲输出与1Q的非相与后当作脉冲输入74LS192的。当没有选手按键时，1Q的非为0，所以cp脉冲就会停止输入，时间就会停止，所显示的时间就是该选手抢答的时间，但此时的定时到信号还是1。4.3报警电路23456781U55515kR168kR2510kR3510kR41kR5100uFC2GNDGNDGNDNPN0.1uFC1LS?BellGND+5+5图8报警电路原理图工作原理：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