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数字电子技术课程设计题目:八路智力竞赛抢答器设计姓名:专业:电子科学与技术班级:122班学号:指导教师:20年月日安徽科技学院理学院安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页1八路智力竞赛抢答器设计一、课程设计题目（与实习目的）（一）、题目：八路智力竞赛抢答器设计（二）、实习目的：1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。2．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。3．了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。5．数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。二、任务和要求实现抢答器的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成抢答器系统。（1）抢答器设计要求设计一个抢答器，基本要求：1.抢答器可以实现基本抢答；可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。2．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）和抢答的开始。3．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，同时扬声器给出音响提示。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到主持人将系统清零为止。三、总体方案的选择（1）总体方案的设计针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：方案一：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。主体框图如下：安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页2图1八路智力抢答器方案一设计框图方案二：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答，30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。主体框图如下：图2八路智力抢答器方案二设计框图安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页3（2）总体方案的选择相比之下，第二种方案更好些。它的优点表现在以下几个方面：这种方案原理比较简单。主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路；更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时。既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。四单元电路的设计1.设计所使用的元件及工具：74LS48----------------------------3个；74LS279-----------------------------------1个；74LS192--------------------------------2个；74LS148---------------------------------------1个；74LS00----------------------------------3个；74LS10-------------------------------------------1个；发光二极管---------------------------------------------------1个；555-----------------------------------------------------1个；电容：0.1μf----------------------------------------------1个；0．01μf-----------------------------------------------1个；电阻：10kΩ---------------------------------------------------------------------9个；15KΩ----------------------------------------------1个；1kΩ------------------------------------------------1个；68KΩ------------------------------------------------1个实验板一块；万用表一个；钳子一个；导线若干。2.各个单元电路（1）抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按钮操作无效。因此，选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能。安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页4抢答器电路工作原理：SW1-8为八位选手的抢答开关，SW9单刀双掷开关设为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。于是74LS48的BI为高，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST为高电平，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当SW9置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态。74LS279的1R、1S均为高电平，由真值表可知，输出1Q为低电平，从而使74LS148输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。若有选手（假设为3号选手）按动抢答开关（即闭合SW4），此时优先编码器74LS148输入端I3接低电平有效，则输出A2A1A0为100，A2A1A0分别接至4S、3S、2S，根据RS锁存器真值表，2Q3Q4Q输出分别为110，从而74LS48的输入端DCBA为0011，经74LS48译码，显示器上显示“3”。与此同时，当74LS148输入端有一个为低电平时，GS为低电平有效，即标志译码器处于工作状态，从而使1S为0，此时1Q输出为高电平，致使EI为高电平，74LS148处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管变灰，一切恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页5（2）定时电路设计设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为30s）。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能,其引脚图和逻辑图如图10所示。图1074LS192引脚图和逻辑图P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；CR————————清零端；LD————————置数端；CPu———————加法计数CP输入；CPd———————减法计数CP输入；CO————————进位输出端；BO————————借位输出端。表574LS192真值表根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端BO与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页6数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPu端口必须接高电平。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图11所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。图11多谐振荡器因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：t1=RB×C×ln2≈0.7RB×Ct2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C所以555的3端输出的频率为：f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]我们采用的电阻和电容值分别是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。由以上集成芯片设计的定时电路如图12所示。图12定时电路安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页7工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。（3）报警电路设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图13所示。图中555定时器用来构成多谐振荡器，其震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端即可。电路图如下:图13报警电路安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页8（4）时序控制电路时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成以下三项功能：a.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。b.当竞赛选手按动抢答键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。c.当设定的抢答时间到，无人抢答时扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。本设计中采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路、报警电路进行连接，以实现上述三项功能要求（如图14所示）。图14时序控制电路安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页9其中，两输入与非门采用74LS00，引脚图如图15所示。三输入与门采用74LS11，引脚图如图16所示。电路中利用与非门两输入端相连实现非门的逻辑功能。图1574LS00引脚图图1674LS11引脚图工作原理：门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPd始终输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，74LS192的借位输出端BO2为低电平，门G2的输出ST为高电平，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能a的要求。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，1Q=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST为低74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能b的要求。当定时时间到时，来自74LS192的BO2为高，ST为高，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能c的要求。安徽科技学院《数字电子技术》课程设计报告第页10五总体电路图图17总电路图下面介绍八路智力竞赛抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给74LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答