數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)通信0306班金明坤學(xué)號：0905030623一 課題名稱六路智力競賽搶答器二 內(nèi)容摘要電路原理框圖如下：圖（原理框圖）如電路原理框圖，當(dāng)主持人清零后，指示燈不亮，這時(shí)搶答無效只有當(dāng)主持人開關(guān)按下，處于搶答狀態(tài)，指示燈發(fā)亮,這時(shí)當(dāng)有一個(gè)選手搶答后，搶答信號通過優(yōu)先編碼器輸送到譯碼驅(qū)動(dòng)器,再送到顯示器,這樣七段led數(shù)碼顯示器就會顯示出其號碼這時(shí)鎖存電路工作，以至于其它的選手再搶答時(shí)就無效了當(dāng)搶答成功后，報(bào)警電路就會發(fā)出搶答成功的聲音，持續(xù)一秒，且頻率為1.2khz當(dāng)主持人清零后,指示燈滅, 七段led數(shù)碼顯示器顯示為0.三

2、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求最多可以容納名選手參賽，編號分別為，各隊(duì)用一個(gè)按鈕搶答，主持人用一按鈕清零搶答具有數(shù)據(jù)鎖存功能，并將鎖存數(shù)據(jù)用led數(shù)碼顯示出來，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出間歇式聲響，持續(xù)時(shí)間為秒主持人清零后，聲音提示停止搶答先后的分辨率為ms四 比較和選擇設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案方案一電路原理圖接上電源后，主持人開關(guān)打開，電路處于清零狀態(tài)，指示燈不亮各個(gè)觸發(fā)器的q端輸出都為，假設(shè)芯片編碼器74148處于工作狀態(tài)，此時(shí)，輸入的都是高電平，而兩輸出使能端eo和gs的輸出狀態(tài)分別為0和，與非門（）被封鎖，輸出為高電平，而與非門（）打開，輸出與cp脈沖源的狀態(tài)相反，并將cp信號送到各個(gè)jk觸發(fā)器當(dāng)主持人把開關(guān)合上，指示燈亮，

3、各觸發(fā)器處于工作狀態(tài)，整個(gè)電路處于搶答狀態(tài)，這時(shí)只要六名選手中有一位選手合上開關(guān)，其所控制的觸發(fā)器在cp脈沖為下降沿時(shí)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，其q端輸出為，信號輸入到優(yōu)先編碼器74148中，經(jīng)編碼輸送到7448七段譯碼驅(qū)動(dòng)器，最后在顯示器上顯示選手的代號在此時(shí)，74148的兩個(gè)輸出使能端eo和gs分別輸出為和這樣與非門（）打開，并輸出為低電平由連接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器受到觸發(fā)，輸出為高電平，這樣就打開了由連接成的多諧振蕩電路，喇叭發(fā)出搶答成功的聲響只要在單穩(wěn)態(tài)和多諧振蕩電路中選擇合適電阻和電容，就可以控制喇叭發(fā)聲的時(shí)間頻率而與非門（）由于gs為而被封鎖，cp脈沖就無法通過這樣就算其它選手再合上開關(guān)，因?yàn)闆]有下降

4、沿其相應(yīng)的觸發(fā)器則無法觸發(fā)當(dāng)主持人打開開關(guān)后，電路就再一次處于清零狀態(tài)在這個(gè)電路中，只要我們使用頻率足夠高的cp脈沖，精度還是比較高的指示燈（）單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（）圖（方案一電路原理圖）方案二電路原理圖如圖當(dāng)電路接上電源后，整個(gè)電路都處于工作狀態(tài)當(dāng)主持人開關(guān)打開時(shí)，電路處于清零狀態(tài)此時(shí)，各個(gè)觸發(fā)器的q端輸出都為，假設(shè)芯片編碼器74148處于工作狀態(tài)，此時(shí)，輸入的都是高電平，而兩輸出使能端eo和gs的輸出狀態(tài)分別為0和，eo的輸出控制一個(gè)與非門，此時(shí)這個(gè)與非門被封鎖gs的輸出信號送到各觸發(fā)器的jk端，此時(shí)都為高電平也就是說，只要有觸發(fā)信號來并且r端為時(shí)，各觸發(fā)器就會被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)當(dāng)主持人開關(guān)合上，指

5、示燈亮，此時(shí)電路處于搶答狀態(tài)，當(dāng)六位選手中有其中一個(gè)把開關(guān)合上，其相應(yīng)的觸發(fā)器cp 端就相當(dāng)于有一個(gè)下降沿到來，觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)其q端輸出為，信號輸入到優(yōu)先編碼器74148中，經(jīng)編碼輸送到7448七段譯碼驅(qū)動(dòng)器，最后在顯示器上顯示選手的代號在此時(shí)，74148的兩個(gè)輸出使能端eo和gs分別輸出為和這樣與非門打開，并輸出為低電平由連接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器受到觸發(fā)，輸出為高電平，這樣就打開了由連接成的多諧振蕩電路，喇叭發(fā)出搶答成功的聲響同樣地，只要在單穩(wěn)態(tài)和多諧振蕩電路中選擇合適電阻和電容，就可以控制喇叭發(fā)聲的時(shí)間頻率而此時(shí)因?yàn)間s輸出為，各觸發(fā)器的jk端也就為，就算此時(shí)其它選手再把開關(guān)合上，其對應(yīng)的觸

6、發(fā)器也不會再觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，仍然會保持原來的狀態(tài)當(dāng)主持人把開關(guān)斷開時(shí)，電路又被清零圖（方案二電路原理圖）兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)的比較從上面分析的兩個(gè)方案來看，我們可以知道方案一是同步時(shí)序電路，而方案二是異步時(shí)序電路比較起來兩個(gè)方案主要有以下不同點(diǎn)，方案一中，選手是通過控制觸發(fā)器的j端輸入信號來使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的，這樣就會存在一個(gè)問題，如果有兩個(gè)或是多個(gè)選手都在cp脈沖的非下降沿時(shí)搶答，就會發(fā)生兩個(gè)觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)的情況，這樣就會發(fā)生錯(cuò)誤在方案二中，就不存這樣的問題，因?yàn)槠溥x手控制的是觸發(fā)器的cp輸入端這樣的話精度會高一些再者，在方案一中，因?yàn)樾枰猚p脈沖源，所以在電路中要多用一個(gè)連接的多諧振蕩器來產(chǎn)生cp脈沖由

7、電路原理圖我們也可以看到，方案二明顯要比較方案一簡單得多，所用的器件和元件也相應(yīng)的少一些經(jīng)比較可知，方案二明顯要比方案好五 單元電路設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算及元件器件選擇鎖存電路分析圖（鎖存電路原理圖）如圖所示，鎖存電路是由六個(gè)由下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器和一個(gè)74148優(yōu)先編碼器組成的（優(yōu)先編碼器74148功能表如圖所示）清零后，各觸發(fā)器輸入都為低電平，其反向輸出為高電平，且都輸送到74148中，這時(shí)，74148的輸出使能端gs為高電平，并且高電平信號都送到各觸發(fā)器的jk端，根據(jù)jk觸發(fā)器的工作原理可知，jk同時(shí)為高電平且處于工作狀態(tài)時(shí)，只要cp端有觸發(fā)信號時(shí)就會觸翻轉(zhuǎn)當(dāng)清零端輸入高電平時(shí)，所有的觸發(fā)器處于工

8、作狀態(tài)，這時(shí)如果有一個(gè)觸發(fā)器觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，其輸出就為，反向輸出端則為低電平輸送到74148，編碼器編碼，其gs輸出為低電平，輸送到各觸發(fā)器的jk端，此時(shí)，即使其它觸發(fā)器再有觸發(fā)信號，也不會發(fā)生翻轉(zhuǎn) 在有的設(shè)計(jì)方案中,主要的鎖存是通過一個(gè)六輸入的與非門實(shí)現(xiàn)的.就是把各觸發(fā)器的q非端連到一個(gè)六輸入的與非門中,因?yàn)榍辶愫?各q非端的輸出都是高電平,經(jīng)與非門后,輸出就為低電平,再令其反向,就成了高電平,輸送到各觸發(fā)器的jk端,當(dāng)有一搶答后,其q非端就會由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,由與非門的邏輯功能可知,有一端輸入為零,其輸出就為1,再經(jīng)反相器后就變?yōu)榱?這樣同樣也實(shí)現(xiàn)的鎖存功能. 比較而言,我們用74148的輸

9、出使能端gs的輸出信號進(jìn)行鎖存,可以節(jié)省一塊芯片,而且連接電路也較簡單,這就體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)電路的節(jié)省與簡潔的優(yōu)點(diǎn).所以在這里我們選擇用74148的輸出使能端gs的輸出信號進(jìn)行鎖存.圖（優(yōu)先編碼器74148功能表）(74148引腳圖)顯示電路圖（顯示電路）顯示電路主要是由一個(gè)優(yōu)先編碼器74148，一個(gè)七段led譯碼驅(qū)動(dòng)器7448和一個(gè)七段led數(shù)碼顯示器組成優(yōu)先編碼器74148的功能表在圖中已經(jīng)列出七段led譯碼驅(qū)動(dòng)器7448的功能表如圖所示在顯示電路中，74148的和輸入是懸空的，只從輸入端輸入信號，只要有一個(gè)信號輸入，就會輸出其相應(yīng)的二進(jìn)碼，這個(gè)二進(jìn)碼送到7448中在7448中，d端是接地的，

10、只從cba三端輸入，再譯碼輸出，最后在七段led顯示器中顯示出來圖（七段led譯碼驅(qū)動(dòng)器7448功能表）報(bào)警電路 圖（定時(shí)器原理圖）在整個(gè)搶答器設(shè)計(jì)中，要求搶答成功后有聲音提示，而且提示聲持續(xù)s，頻率為1.2khz，在設(shè)計(jì)報(bào)警電路時(shí)這里用到了定時(shí)器下面先對定時(shí)器作簡要的介紹定時(shí)器的原理圖和功能表分別如圖和圖所示它是由個(gè)阻值為k歐的電阻組成的分壓器，兩個(gè)電壓比較器c1和c2，基本rs觸發(fā)器，放電bjt td以及緩沖器g4組成.定時(shí)器的主要功能取決于比較器,比較器的輸出控制rs觸發(fā)器和放電td的狀態(tài).圖中rd為復(fù)位輸入端,當(dāng)rd為低電平時(shí),不管其他輸入端的狀態(tài)如何,輸出vo為低電平.由圖可知,當(dāng)5

11、腳懸空時(shí),比較器c1和c2和比較電壓分別為2/3vcc和1/3vcc. 由功能表可知. 當(dāng)vi12/3vcc,vi21/3vcc時(shí),比較器c1輸出低電平,比較器c2輸出高電平,基本rs觸發(fā)器被置0,放電三極管td導(dǎo)通,輸出端vo為低電平. 當(dāng)vi12/3vcc,vi21/3vcc時(shí),比較器c1輸出高電平,比較器c2輸出低電平,基本rs觸發(fā)器被置1,放電三極管td截止,輸出端vo為高電平. 當(dāng)vi11/3vcc時(shí),基本rs觸發(fā)器r=1,s=1,觸發(fā)器狀態(tài)不變,電路亦保持原狀態(tài)不變.圖（定時(shí)器功能表）用555定時(shí)器可以組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩電路.圖10(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖)由555組成的單穩(wěn)態(tài)

12、觸發(fā)器的電路圖如圖10所示. 將555定時(shí)器的6號腳和7號腳接在一起，并添加一個(gè)電容和一個(gè)電阻，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電容接在電源與6號腳之間，電阻接在7號腳和地之間。這個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負(fù)脈沖觸發(fā)的。穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)觸發(fā)器輸出高電平。5號腳懸空時(shí)，輸出脈沖寬度為。5號腳接控制電壓時(shí)，輸出脈沖寬度為。 在這里,單穩(wěn)觸發(fā)器主要是用于控制喇叭聲響的時(shí)長,這就要通過控制觸發(fā)器的輸出脈寬來實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)要求喇叭聲響時(shí)長為1秒.經(jīng)計(jì)算得到在單穩(wěn)觸發(fā)器中的各參數(shù)如下: c=0.01微法 rp=91m歐 圖11(多諧振蕩電路)由555組成的多諧振蕩電路如圖11所示. 電阻和電容

13、構(gòu)成一個(gè)積分電路，其輸入端接施密特觸發(fā)器的輸出端，其輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器就是這個(gè)思路。于是，先用555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器，再把這個(gè)施密特觸發(fā)器改接成多諧振蕩器。與555定時(shí)器內(nèi)部的放電管構(gòu)成了一個(gè)反相器。邏輯上，這個(gè)反相器的輸出與555定時(shí)器的輸出完全相同。因此，這個(gè)施密特觸發(fā)器有兩個(gè)輸出端，分別為555定時(shí)器的3號腳和7號腳。我們看到，電阻和電容構(gòu)成了積分電路，施密特觸發(fā)器的一個(gè)輸出端（7號腳）接積分電路的輸入端，積分電路的輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。這樣，一個(gè)多諧振蕩器就成了。 多諧振蕩器用在報(bào)警電路中,主要是用于控制喇叭聲響頻率.這里要求為

14、1.2khz.在方案一中,還用到了多諧振蕩器來產(chǎn)生cp脈沖.經(jīng)計(jì)算得到多諧振蕩器各參數(shù)如下: r1=0.6k歐 r2=2.4k歐 c1=0.22微法 c2=0.01微法 報(bào)警電路主要就是由以上所介紹的一個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器,一個(gè)多諧振蕩器,再加一個(gè)揚(yáng)聲器組成的.其組成原理圖如圖12所示.圖12(報(bào)警電路原理圖) 由圖中可以看到,接上電源后,當(dāng)信號輸入為高電平時(shí),第一個(gè)555連接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出為低電平,處于穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí),右邊的多諧振蕩器的復(fù)位輸入為低電平,所以其輸出也為低電平.揚(yáng)聲器不發(fā)音.當(dāng)信號輸入為低電平時(shí),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā),處于暫穩(wěn)態(tài),此時(shí)其輸出為高電平,輸入到多諧振蕩器的復(fù)位端,多諧

15、振蕩工作,輸出為頻率為1.2khz的脈沖波形.這樣揚(yáng)聲器就會以1.2khz的頻率發(fā)出間歇式聲響.六 選定一種方案因?yàn)榉桨付确桨敢挥须娐泛唵?所用器件少,精度高等優(yōu)點(diǎn),在這里我們就選定方案二作詳細(xì)的分析.圖13為方案二的完整電路圖.這個(gè)電路主要是由鎖存電路,顯示電路和報(bào)警電路組成的.其工作原理為, 當(dāng)電路接上電源后，整個(gè)電路都處于工作狀態(tài)當(dāng)主持人開關(guān)打開時(shí)，電路處于清零狀態(tài)此時(shí)，各個(gè)觸發(fā)器的輸出都為，反相輸入端輸入為0.芯片編碼器74148處于工作狀態(tài)，此時(shí)，16端口輸入的都是高電平，而兩輸出使能端eo和gs的輸出狀態(tài)分別為0和，eo的輸出控制一個(gè)與非門，此時(shí)這個(gè)與非門被封鎖gs的輸出信號送到

16、各觸發(fā)器的jk端，此時(shí)都為高電平也就是說，只要有觸發(fā)信號來并且清零端為時(shí)，各觸發(fā)器就會被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)當(dāng)主持人開關(guān)合上，指示燈亮，各觸發(fā)器的清零端就為1了.此時(shí)電路處于搶答狀態(tài)，當(dāng)六位選手中有其中一個(gè)把進(jìn)行搶答，其相應(yīng)的觸發(fā)器cp 端就由高電平變?yōu)榈碗娖?這相當(dāng)于有一個(gè)下降沿到來，觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)其反相端輸出為，信號輸入到優(yōu)先編碼器74148中，經(jīng)編碼輸送到7448七段譯碼驅(qū)動(dòng)器，最后在顯示器上顯示選手的代號在此時(shí)，74148的兩個(gè)輸出使能端eo和gs分別輸出為和這樣與非門打開，并輸出為低電平報(bào)警系統(tǒng)就等到有效的信號輸入,喇叭發(fā)出搶答成功的聲響而此時(shí)因?yàn)間s輸出為，各觸發(fā)器的jk端也就為，由鎖存電路

17、的鎖存功能可知,其它選手如果再進(jìn)行搶答時(shí)已經(jīng)無效了. 圖13(方案二的完整電路圖)七 組裝調(diào)試1.檢測與查閱器件 用數(shù)字即成電路測試儀檢測所用的集成電路。通過查閱集成電路手冊，標(biāo)出電路圖中各集成電路輸入、輸出端的引腳編號。2.連接電路按電路圖連接電路。先在電路板上插好各種器件。在插器件的時(shí)候，要注意器件的活口方向，同時(shí)要保證各管腳與插座接觸良好，管腳不能彎曲或折斷。指示燈的正、負(fù)極不能接反。在通電以前先用萬用表檢查各器件的電源接線是否正確。3.電路調(diào)試首先按照搶答器的功能進(jìn)行操作，若電路滿足要求，說明電路沒有故障。若某些功能不能實(shí)現(xiàn)，就要設(shè)法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由輸入

18、到輸出）查找，也可以按信息流程逆向（右輸出到輸入）查找。1).顯示電路的調(diào)試顯示電路主要是由一塊74148和一塊7448芯片以一個(gè)七段led數(shù)碼顯示器組成的.在調(diào)試時(shí),可以在編碼器的各輸入端接上開關(guān),當(dāng)接上電源后,用各開關(guān)打開或斷開來判斷七段led數(shù)碼顯示器是否顯示正常.2)鎖存電路的調(diào)試在調(diào)試鎖存電路時(shí),我們可以在各觸發(fā)器的q端接各接上一個(gè)發(fā)光二極管,接上電源,主持人開關(guān)打開,任意按下一路搶答開關(guān),看其對應(yīng)的發(fā)光二極管是否亮,然后再按其它開關(guān),這時(shí)其它的二極管應(yīng)該不發(fā)亮才算正常.3)清零電路調(diào)試清零是由主持人控制的.這個(gè)電路比較簡單,只有一個(gè)指示燈,當(dāng)主持人開關(guān)斷開時(shí),指示燈通過接地連接到各

19、觸發(fā)器的清零端,這時(shí)七段led數(shù)碼顯示器應(yīng)顯示為0,如果不為零則電路不正常.4)報(bào)警電路調(diào)試調(diào)試本電路時(shí),可以借助示波器來進(jìn)行.把由555組成的單穩(wěn)觸發(fā)器和多諧振蕩器的信號輸出端分別接到示波器的兩個(gè)通道上,接上電源,由示波器的波形來判斷報(bào)警電路是否工作正常.八 總結(jié)設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)，課題的核心及應(yīng)用價(jià)值，改進(jìn)意見和展望 在這里采用了兩種不同的方案,方案一是同步電路,方案二是異步電路,而且還就方案二的原理作了詳細(xì)的分析.這個(gè)方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于其電路比較簡單,用到的元器件少,而且精度高.在這兩個(gè)方案中,它們的核心部分都是一樣的,主要是鎖存電路,報(bào)警電路和顯示電路. 在現(xiàn)在這種信息化的時(shí)

20、代里,我們?nèi)粘Ｖ袝?jīng)常舉行一些有意義的知識競賽或是一些娛樂活動(dòng),在這其中,我們就會用到這里所設(shè)計(jì)的搶答器.在沒有搶答器之前,我們都是通過其它一些方法進(jìn)行搶答的,比如舉手等等.這些方法都是通過人的觀察來判斷誰搶到的,比如有兩個(gè)以上的選手同時(shí)舉手時(shí),主持人就不能分辨出到底誰是第一個(gè)搶答的了.這種情況顯然會給活動(dòng)或競賽帶來不便.然而當(dāng)我們有了搶答器以后,就不用擔(dān)心這個(gè)問題了,我們的搶答器就是為這個(gè)而服務(wù)的.它讓同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)以上選手同時(shí)搶答成功成為了”不可能”. 當(dāng)然,我們這搶答器同樣還存在一些令人不太滿意的地方.這里設(shè)計(jì)的是數(shù)字電路的搶答器,我們還可以設(shè)計(jì)出模擬電路和單片機(jī)的搶答器,可以用軟編程實(shí)現(xiàn),這樣的話精度就會更高.而且易于修改.我們只需對程序作必要的修改就可以應(yīng)用于不同的場合,實(shí)用性更強(qiáng)九 所需元器件清單本次設(shè)計(jì)所用到的元器件清單如下(