数字电路课程设计--抢答器.doc

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1、-数字电路课程设计-抢答器 目 录 1 引言 . 1 2 设计任务与要求 . 2 2.1设计任务 . 2 2.2 设计要求 . 2 3 总体方案设计 . 3 3.1 主体电路设计 . 3 3.2 扩展电路设计 . 3 4 Multisim10软件介绍 . 3 5 单元模块设计 . 5 5.1脉冲产生电路 . 5 5.2定时时间电路功能介绍 . 5 5.3抢答器电路功能介绍 . 6 5.4抢答器电路 . 7 5.5振荡电路 . 8 5.6 译码、显示电路设计 . 8 6 芯片原理 . 9 6.1 优先编码器 74LS148 . 9 6.2 触发器 74ls279 . 10 6.3 译码器74LS

2、48 . 11 6.4 555 定时器 . 12 7 系统仿真与测试 . 13 7.1 基本操作方法 . 13 7.2仿真步骤 . 13 8 安装调试 . 14 8.1 安装调试 . 14 8.2 调试中出现的问题及解决方法 . 14 9 总结 . 15 参考文献 . 16 附录 . 17 课程设计说明书 1 引言 载许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光及音响等多种手段指示出第一抢答者。同时还可以设置记分、犯 规及奖励记录等多种功能。 该设计就是针对上述各种要求设计出的供 6 名选手参赛使用的数字式竞赛抢答器。数字抢答器由主体电路与扩展电路

3、组成。优先编码电路、锁存器 、 译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器 上输出实现计时功能，构成扩展电路。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。有抢答信号输入（开关S1S6中的任意一个开关被按下）时，并显示出相 对应的组别号码。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持” 第一个开关按下时所对应的状态不变。 经过布线、焊接、调试等工作后，数字抢答器成形 1 课程设计说明书 2 设计任务与要求 2.1设计任务 设计一个可同时供6位选手参加的6路数

4、字显示抢答器，选手每人一个抢答按钮，抢答开始后，抢答器具有优先抢答的功能，最先抢答成功的选手编号能被显示，并有音响提示，当有选手抢答成功时，禁止其他选手抢答，直到主持人将系统清零为止。 主持人有控制开关，可以手动清零复位，当主持人按下开始按键是才可以抢答，显示倒计时9秒，在规定时间抢答有效，同时倒计时停止，直到主持人将系统清零为止。 如果抢答时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，禁止选手超时后抢答。 2.2 设计要求 根据任务要求设计中的各个电路模块； 给出multisim仿真结果； 设计说明书要包含设计总结。 2 课程设计说明书 3 总体方案设计 3.1 主体电路设计 (1) 抢答器同时

5、供6名选手比赛，每人一个抢答按钮，按扭的顺序与选手的编号相对应，分别用S0-S5表示。 (2) 给节目主持与显示的功能。抢答器开始后，若有选手手动按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示出选手的编号。此外，要锁存输入电路，禁止其他选手抢答。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到支持人将系统清除为止。 3.2 扩展电路设计 (1) 抢答器具有定时抢答的功能，抢答的时间可以设定（9S）。当节目支持人启动“开始”键后，定时器立刻进行减计时，并用显示器显示剩余时间。 (2) 参赛选手在设定的时间内进行抢答，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，并保持到支

6、持人将系统清除为止。 (3) 如果定时时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，时间显示器上显示0。 图3-1 总体方框图 3 课程设计说明书 4 Multisim10软件介绍 multisim软件是迄今为止，在电路级仿真上表现最为出色的软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。 multisim软件前身是是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB，后来，EWB将原先版本中的仿真设计模块更名为multisim,之后又相继推出了multisim2001、multisim 7等各个版本。 2005年以后，加拿大IIT公司隶属于美国国

7、家仪器公司，美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美国NI公司推出的Multisim10。相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。完全满足电路的各种仿真需要。 NI Multisim10软件则不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真，其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。 NI Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图

8、仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 4 课程设计说明书 5 单元模块设计 5.1脉冲产生电路 该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路，利用555以及一些电容和电阻实现，使每秒产生一个CP上升沿。555的3端输出的脉冲的宽度为： T=0.7*(15k+2*68k)*10*10e-6，所时钟周期为T=1.5

9、7S。 图5-1 脉冲产生电路图 5.2定时时间电路功能介绍 原理及设计：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74LS190减法计数电路、74LS148译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3.2.2所示。一块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。74190预置数控制端实现预置数，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u7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，

10、同时以后选手抢答无效。 5 课程设计说明书 图5-2 定时电路图 5.3抢答器电路功能介绍 设计电路见图3.1.2所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS279 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（图中5号端）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），7

11、4LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO(图中4端) =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，CTR1，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为CTR1，使优先编码工作标志端为1，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。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后才可能进行。 6 课程设计说明书 5.4抢答器电路 图5-3 抢答电路图 7 课程设计说明书 5.5振荡电路 本系统需要产生两

12、种频率的脉冲信号，一种是频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号。第三中频率为1HZ信号用于计时电路。以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。 图5-4 振荡电路图 5.6 译码、显示电路设计 该部分是由译码器74ls48和一个共阴极7段显示器组成，主要完成数字的，显示和译码功能，直观的反应电路的抢答器功能。通过显示管的显示，从而判断电路的工作状况，原理图如下： 74LS48D 图5-5 译码显示电路 8 课程设计说明书 6 芯片原理 6.1 优先编码器 74LS148 74LS148工作原理如下 该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路

13、还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。 当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。 由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS1时，表示8个

14、输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS0时，A2A1A0=111表示响应。输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多的。 输入端的优先编码器。从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6.，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入。端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先码器的工作原理。 4567 (21 GND VCCS EX32100 图6-1

15、74LS148管脚图 (b) 9 课程设计说明书 表6-1 74LS148功能表 输入 ST 1 0 0 0 0 0 0 o 0 0 D0 x 1 x x x x x x x 0 D2 x 1 x x x x x x 0 1 D2 x 1 x x x x x 0 1 1 D3 x 1 x x x x 0 1 1 1 D4 D5 x 1 x x x 0 1 1 1 1 x 1 x x 0 1 1 1 1 1 D6 x 1 x 0 1 1 1 1 1 1 输出 D7 A2 A1 A0 x 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1

16、 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 YEX 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 YS 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 6.2 触发器 74LS279 74LS279就是4R-S触发器，每片上有四路R-S触发器。每路R-S触发器有R和S两个输入和一个输出端Q。主要功能如下： 当S输入低电平（0）时，输出Q为低电平（0），当S输入高电平（1）时，如果R输入低电平（0），则Q为高电平（1），当S输入高电平（1）时，如果R输入低电平（1），则Q保持不变。 图6-2 74ls279引脚图 10 课程设计说明书 6.3 译码器74LS48 74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器

17、驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，本抢答器电路就运用到了译码器，用作译码显示的一部分功能，具体的逻辑功能下面我就给大家介绍一下以及这个元件的一些参数。 图9 74ls48引脚图 表6-2 74LS48功能表 输入 LT RBI A3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 A1 A0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 BI/RBO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 输出 Ya Yb 1 0 1

18、1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 Yc 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 Yd 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 Ye 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 Yf 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 Yg 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x x x x x x x 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 课程设计说明书 1 1 x 1 0 x x x 0 x 1 1 x 0 x 1

19、 1 x 0 x 1 1 x 0 x 0 1 x 0 x 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 6.4 555 定时器 555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路。(图上述已有)。 12 课程设计说明书 7 系统仿真与测试 7.1 基本操作方法 元件选用：打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。 元件的移动、旋转、反转、复制和删除：用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹

20、出菜单，选定需要的动作。 元器件参数设置：双击元件，设定相应的参数。 导线的连接：要包括导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。 连接：鼠标指向一元件的端点，出现小圆后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小圆后松开鼠标左键。 删除和改动：选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete 。或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。 7.2仿真步骤 根据自己所画好的电路图，在multisim元器件库选择相应的元器件。 用导线将元器件按图连接好。 将元器件相应参数设置好。 进行电路仿真，根据仿真修改相应的参数。 13 课程设计说明书 8 安装调试 8.1 安装调

21、试 抢答电路连接好以后，测试时，发现电路并不稳定。最初，我以为电路锁存数据是在5号管脚为高电平时，数据才被锁存的。以这为理论依据，我认为电路不稳定是因为5号管脚在到达高电平时，需要一段时间，由于在这段时间内，74ls279的s端是不确定的，电路不稳定，就是在这段不确定的时间内造成的。我想了很多办法，使当有人抢答时，缩短5号管脚为高电平的时间，结果电路还是不稳定。我又仔细的想一想电路的锁存原理，发现我最初的想法是错的，输入信号并不是在5号管脚为高电平时锁存的，而是在当抢答者按下开关弹起时，由于此时无编码输入Y0,Y1,Y2端为高电平，保存了输入的编号。后来我在输入端加上电阻，电路就变稳定了。 8

22、.2 调试中出现的问题及解决方法 显示电路不稳定问题:在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。 控制开关无法控制电路:在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。 数码管不能正常倒计时:

23、在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。 14 课程设计说明书 9 总结 针对课设题目六路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到： 拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的

24、熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的. 调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。 15 课程设计说明书 参考文献 1 阎 石. 数字电子电路. 北京：中央广播电视大学出版社. 1992 2 康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2000 3 任为民. 数字电子电路学习和实

25、验指导. 北京：广播电视大学出版社. 1992 4 赵雅兴 编著. PSpice与电子器件模型. 北京邮电大学出版社，2004 5 Nilsson, James William. Introduction to PSpice manual for Electric Circuits using orcad release 9.1. 科学出版社，2003. 6 辛长平 著 .电工应用电路图说 .电子工业出版社，2006 7 谢自美 主编 电子线路设计实验测试（第二版） 华中科技大学出版社，2000 16 课程设计说明书 附录 图10倒计时刚开始，无人抢答时 17 课程设计说明书 图11表示倒计时

26、剩2秒时第6组同学抢到，同时倒计时停止 18 课程设计说明书 图12表示倒计时结束，无人抢到答题机会 19 课程设计说明书 序号 1 2 3 4 5 6 7 元件类型 74LS279（RS锁存器） 74LS48（4线7段译码驱动器） 74LS148（8线3线优先编码器） 74LS190（十进制可逆计数器） LM555CM 七段数码管（共阴极） B键（触发开关） 数量 2 1 1 1 1 1 9 8 发光二极管 1 11 电阻（10K） 电阻（15K） 电阻（68K） 电容（100nF） 电容（10F） 74LS32 74LS04 9 2 2 1 2 4 2 9 10 B键（输入开关） 电阻（510） 8 2 12 13 14 15 16 17 20