7路數字搶答器電路設計(論文)

1、四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文)設計(論文)題目: 數字搶答器電路設計 專 業(yè): 應 用 電 子 技 術 班 級: 應 電 08-2 學 號: 0 8 1 8 0 6 3 姓 名: 王 禹 指導教師: 彌 銳 二0一0年七月十日第 25 頁四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計任務書學 生姓 名王禹學號0818063班級應電08-2專業(yè)應用電子技術設計（或論文）題目數字搶答器電路設計指導教師姓名職 稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備 注彌銳高級工程師四川信息職業(yè)技術學計（論文）內容：設計指標搶答器可同時供7名選手或7個代表隊比賽；設置一

2、個系統(tǒng)清除和搶答控制開關，該開關由主持人控制；搶答器具有鎖存與顯示功能；具有搶答報警功能；進度安排：第1周第5周：任務下達，理解消化任務要求；查閱資料；初步設計方案確定；第6周第10周：設計方案確定，分模塊部分完成；第11周：查找問題，分析解決難點；第12周第15周：分模塊調試，整體電路調試，論文書寫等；第16周：答辯。主要參考文獻、資料：1.電工、電子技術實習與課程設計，徐磊、楊錚主編，中國電力出版社2.電子技術綜合實訓，張存禮、韓愛娟主編，北京師范大學出版社3.電子線路課程設計華永平、陳松編著，東南大學出版社4數字電子技術從入門到精通，劉午平主編，國防工業(yè)出版社5實用數字電路原理與設計速成

3、，何書森，何華斌主編，福建科學技術出版社 6數字集成電路應用精粹，肖景和主編，人民郵電出版社7數字集成電路應用300例，黃繼昌，郭繼忠，張海貴等主編，人民郵電出版社8數字電子技術基礎，楊頌華，馮毛官，孫萬蓉等主編，西安電子科技大學出版社9實用電路手冊，楊寶清，宋文貴主編，機械工業(yè)出版社審批意見教研室負責人：年 月 日 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文)目 錄摘 要3第1章 緒 論4第2章 搶答器的基本組成52.1 搶答器的組成52.2 單元電路概述5第3章 單元電路的設計73.1 開關陣列電路73.2 鎖存脈沖形成電路83.2.1 電路設計83.2.2 元件介紹83.3 編碼器103.

4、3.1 電路設計103.3.2 元件介紹113.4 鎖存器123.4.1 電路設計123.4.2 元件介紹133.5 七段譯碼驅動器143.5.1 電路設計143.5.2 元件介紹153.6 數碼顯示器163.6.1 電路設計163.6.2 元件介紹173.7 報警電路設計183.7.1 電路設計183.7.2 元件介紹18第4章 整機電路與仿真22設計總結24致 謝 篇25參考文獻26附錄1 整機電路圖附錄2 元器件清單表摘 要智力競賽是一種生動活潑、寓教于樂的活動形式，而搶答是智力競賽中非常常見的一種答題方式。在進行智力競賽時，往往都是幾個組搶答問題，這就要求在時間上嚴格地區(qū)分先后。若是僅

5、憑主持人的主觀判斷，則很容易造成錯判、誤判。為此，我們需要設計一種具備自動鎖存、置位、清零等功能的智能搶答器來解決這些問題。該電路就是為智力競賽搶答所設計，具有反應迅速，精確無誤，操作簡單等特點。電路主要由三部分組成：數字搶答電路、時序控制電路以及報警電路。其中數字搶答部分有一個74ls148編碼器、74ls175鎖存器、cc4511譯碼器和led數碼管顯示器組成，可以將七位搶答者的按鈕信號通過編碼、鎖存及譯碼后輸出，驅動led數碼管顯示出最先搶答者的編號。而時序控制電路的功能是當參數選手按下?lián)尨鹌鲿r，使揚聲器發(fā)出報警聲。關鍵詞：搶答；編碼；鎖存；譯碼顯示；報警第1章 緒 論隨著集成技術的發(fā)展

6、，尤其是中、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數字電子技術的應用范圍越來越多地滲透到國民經濟地各個部門，目前數字電子技術已經廣泛應用于計算機、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達、通信等各個領域。其中，搶答器就是典型的一種運用數字集成的設備。在日常生活中，各種智力競賽越來越多，而搶答器是必不可少的設備之一，答題時一般分為必答和搶答兩種。必答有時間限制，到時要告警。而搶答則要求參賽者作好充分準備，由主持人宣讀完題目后，參賽者開始搶答，誰先按下按鈕，就由誰答題，但競賽過程中很難準確判斷出誰先按下按鍵，因此使用搶答器來完成這一功能是很有必要的。這里所設計的搶答器是一種較簡易的搶答器，沒有使用過多的、復雜

7、的元器件。它的特點是電路簡單、制作方便、操作簡單、方便、性能可靠，適用于多種智力競賽活動。該搶答器能供七人使用，它主要實現(xiàn)以下功能：為7位參賽選手各提供一個搶答按鈕，分別編號k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7；主持人可以控制系統(tǒng)的清零與搶答開始；搶答器要有數據鎖存與顯示的功能。搶答開始后，若有任何一名選手按動搶答按鈕，則要顯示其編號，并且揚聲器發(fā)生提示，同時其他人再按對應按鈕時無效，直至系統(tǒng)被主持人清零。這個搶答器設計基本上滿足了實際比賽應用中的各種需要。在實際中有很大的用途。第2章 搶答器的基本組成2.1 搶答器的組成搶答器的構成框圖如圖2-1所示，主要由開關陣列電路、編碼器、譯碼器、

8、鎖存器、報警器和譯碼顯示器幾部分組成。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器為0；主持人將開關置“開始”狀態(tài)時，宣布“開始”搶答。選手按下按鍵后，搶答器完成優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示等功能。當一輪搶答之后，如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關。圖2-1 搶答器的整機組成框圖2.2 單元電路概述1.開關陣列電路該電路主要由多路開關組成，每一位競賽者與一組開關相對應。開關應為常開型，當按下開關時，開關閉合；當松開開關時，開關自動斷開。2.編碼器編碼器的作用是將參賽選手搶答后的開關信息轉化為相應的8421bcd碼，以

9、提供數字顯示電路所需要的編碼輸入。3.鎖存脈沖形成電路鎖存脈沖形成電路的作用是：當有選手按下按鍵的瞬間形成一個脈沖信號，送到鎖存器作為鎖存輸入數碼所需的時鐘脈沖，這里應注意與鎖存器所需的脈沖極性相配合。4.鎖存器當某一開關首先按下時，鎖存電路被觸發(fā)，在輸出端產生相應的開關電平信息，同時為防止其它開關隨后觸發(fā)而產生紊亂，最先產生的輸出電平變化又反過來將本觸發(fā)電路鎖定。5.七段顯示譯碼器譯碼驅動電路將編碼器輸出的8421bcd碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。6.數碼顯示器數碼管通常有發(fā)光二極管（led）數碼管和液晶（lcd）數碼管，本設計選用led數碼管。

10、7.報警電路報警器的作用為有選手搶答時，在報警信號的控制下發(fā)出報警響聲以提示主持人有選手搶答。第3章 單元電路的設計3.1 開關陣列電路如圖3-1所示為8路開關陣列電路，從圖可看出,電路結構較簡單，圖中pr1為限流電阻排，當任意一個開關按下時，相應的輸出為低電平，否則為高電平。圖3-1 開關陣列電路圖圖中，k0開關與清零輸出接通時，數碼顯示都為0。選手17號分別使用k1k7開關。圖中pr1為抗蝕薄膜貼片超精密電阻排，具有特殊抗酸抗?jié)竦逆囥t皮膜，非常小的公差精度0.1%，最低溫度系數為25ppm/，常應用于自動化設備，醫(yī)療設備，通訊設備，自動控制設備及高科技多媒體電子設備等。其特性曲線如圖3-2

11、所示：圖3-2 特性曲線3.2 鎖存脈沖形成電路3.2.1 電路設計鎖存脈沖形成電路如圖3-3所示，該電路主要由74ls30和74ls08兩個邏輯門電路組成，圖中電容c1起延時作用。圖3-3 鎖存脈沖形成電路3.2.2 元件介紹1. 圖中邏輯門電路74ls30為8輸入與非門，其邏輯符號和功能表如圖3-4和表3-1所示圖3-4 74ls30邏輯符號表3-1 74ls30功能表輸 入輸 出abcdefghy0101010101010101111111110由功能表可看出，當a為0時，不管其它輸入端為任何電平，輸出端都為1；當b為0時，無論其它輸入端為何值，輸出端都為1；c、d、e、f、g、h也為之

12、一樣，而當其輸入端全為1時，輸出端y為0，簡而言之，“只要有1個輸入端為0，其輸出端為1；當輸入端全為1時，輸出端為0”。其邏輯表達式為：2圖74ls08為四2輸入與門，它的邏輯符號如圖3-5所示。表3-2為其功能表：圖3-5 74ls08邏輯符號表3-2 74ls08功能表輸入輸出aby000010100111從功能表可以看出，當a或b中只要有一個為0時，y為0；只有當a、b都為1時，y為1，則有“有0則0，全1為1”其邏輯表達式為：3.3 編碼器3.3.1 電路設計編碼器電路主要是以74ls148為核心，其電路如圖3-6所示：圖3-6 編碼器3.3.2 元件介紹為了便于鎖存、顯示最先搶答者

13、的選手號,可首先采用8線-3線優(yōu)先編碼器74ls148對搶答輸入信號進行編碼。邏輯符號如圖3-7所示,功能見如表3-3所示：圖3-7 74ls148邏輯符號表3-3 74ls148功能表輸入輸出11111101111111111101000001000100110001101010001110111000111110010001111110110001111111101000111111111110引腳功能簡介：1編碼輸入端從8線-3線優(yōu)先編碼器74ls148的功能表可看出，輸入信號為0表示發(fā)出編碼信號，故邏輯符號輸入端上面均有“-”號，這表示編碼輸入低電平有效，從功能表中看出，優(yōu)先權最高，而

14、的優(yōu)先權最低，只要=0，就對進行編碼，而不管其他輸入信號為何種狀態(tài)。2編碼輸出端、從功能表看出，74ls148編碼器的編碼輸出是反碼。比如：對編碼，應當輸出000，而電路輸出是111；對于編號，應當是101，而電路輸出為010，為此，、上面均有“-”號，表示輸出反碼。因此在設計電路時需要通過一個非門連接到鎖存器。3選通輸出端只有在=0時，編碼器才處于工作狀態(tài)；而在=1時，編碼器處于禁止狀態(tài)，所有輸出端均被封鎖為高電平。4選通輸出端和擴展輸出端和是為擴展編碼器功能而設置的。從功能表可以看出，只有當所有編碼輸入端都是1（即沒有編碼輸入），并且=0時，才為0，可見， =0表示“電路工作，但無編碼輸入

15、”只要任何一個編碼輸入端有0，且=0，則為=0，因此=0表示“電路工作，且有編碼輸入”。3.4 鎖存器3.4.1 電路設計這部分電路的作用是對編碼輸出信號進行鎖存，其工作原理為：比賽前，先清零（clr=0），此時該電路不工作。搶答開始后，開關電路輸出的低電平信號送到編碼器74ls148，經編碼后將信號送到74ls175中，同時，74ls175的端輸出一個低電平信號經門u7a送到時鐘信號cp端將狀態(tài)鎖存，此時若其他選手按下按鈕，將不會起作用，直到主持人按下k9開關復位后，方可重新開始搶答。因此該電路實現(xiàn)了搶答并封鎖其他輸入信號的功能。單元電路如圖3-8所示：圖3-8 鎖存器3.4.2 元件介紹該

16、電路利用集成正邊沿d觸發(fā)器74ls175完成數據鎖存功能，74ls175內部含有四個獨立的d觸發(fā)器，其輸入端分別為d1、d2、d3、d4，輸出端為q1、q2、q3、q4及它們的互補輸出端、，四個觸發(fā)器的時鐘信號端（cp）和清零端（clr）是公用的，其邏輯符號如圖3-9所示,功能表如表3-4所示：圖3-9 74ls175邏輯符號表3-4 74ls175功能表輸 入輸 出clrcpdq0011110100110q0從功能表可看出：當清零端（clr）為0時，無論時鐘信號端（cp）和觸發(fā)輸入端d為何值，輸出端q都為低電平；當clr為1，有信號輸入時，輸出端q的值與輸入端d的值相對應，若此時cp變?yōu)?，

17、則輸出端的值一直維持原狀態(tài)。3.5 七段譯碼驅動器3.5.1 電路設計這部分電路的主要作用是驅動顯示器顯示相應的選手編號，電路結構比較簡單，其電路原理圖如圖3-10所示：圖3-10七段譯碼驅動器3.5.2 元件介紹譯碼器是一個多輸入，多輸出的組合邏輯電路，它的作用是把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出，譯碼器在數字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉換、終端的數字顯示，還用于數據分配，存貯器尋址和組合控制信號等，不同的功能可選用不同種類的譯碼器。譯碼器可分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。本設計中采用顯示譯碼器cc4511，下圖3-11為其邏輯符號。圖3-1

18、1 cc4511邏輯符號表3-5 cc4511的功能表輸入輸出ledcbaabcdefg顯示字形01111111010000000消隱0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隱01110111000000消隱01111000000000消隱01111011000000消隱01111100000000消隱0111111100000

19、0消隱111鎖存鎖存引腳功能：a、b、c、dbcd碼輸入端a、b、c、d、e、f、g譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動共陰極led數碼管。測試輸入端，=“0”時，譯碼輸出全為“1”消隱輸入端，=“0”時，譯碼輸出全為“0”le鎖定端，le=“1”時，譯碼器處于鎖定狀態(tài)，譯碼輸出保持在le=0時的數值，le=0為正常譯碼。表3-5為cc4511的功能表，其內接有上拉電阻，故只需在輸出端與數碼管之間串入限流電阻即可工作，譯碼器還有拒偽碼功能，當輸入碼超過1001時，輸出全為“0”，數碼管熄滅。3.6 數碼顯示器3.6.1 電路設計數碼顯示器件是用來顯示數字、文字或者符號的器件，常見的有輝光數碼管

20、、液晶顯示器、發(fā)光二極管數碼管等，電路原理圖如圖3-12所示：圖3-12 數碼顯示器3.6.2 元件介紹led數碼管又稱為半導體數碼管，它是由多個led按分段式封裝制成的。led數碼管有兩種形式，即共陰型和共陽型，共陰型led數碼管，是將內部所有l(wèi)ed的陰極連在一起引出來，作為公共陰極；共陽型led數碼管是將內部所有l(wèi)ed的陽極連在一起引出來，作為公共陽極，具體電路如圖3-13（a）和（b）所示： (a) 共陰型 （b）共陽型圖3-13 led數碼管因為led工作電壓較低，工作電流也不大，所以可以直接用七段顯示譯碼器驅動led數碼管，但是，要正確選擇驅動方式，對共陰型led數碼管，應采用高電平

21、驅動方式；對共陽型led數碼管，應采用低電平驅動方式。在本次設計中采用的是共陰型led數碼管。3.7 報警電路設計3.7.1 電路設計報警電路如圖3-14所示，它是由脈沖振蕩器u5（cc4060）、報警控制門電路u7b和振蕩驅動三極管vt1組成。該電路的工作原理為：當無選手搶答時，報警控制信號為低電平，u7b輸出總為低電平，三極管vt1截止，揚聲器無報警聲音；當有選手搶答時，報警控制信號變?yōu)楦唠娖?，經u7b輸出一個高電平信號，三極管vt1在此信號的驅動下工作于開關狀態(tài)，使揚聲器有報警聲音輸出。從圖中可以看出，該電路中有一個脈沖信號發(fā)生器，該發(fā)生器由石英晶體振蕩器加分頻器構成，常見的石英晶體振蕩

22、器由cmos反相器構成，選用振蕩頻率為32768hz的石英晶體，因為32768=215，只要經過215分頻就可以得到穩(wěn)定度很高的秒信號。在此電路中，分頻器選用14位二進制串行計數器cc4060，再加一級觸發(fā)器二分頻，就對石英晶體振蕩器輸出的32768hz信號進行215分頻，從而產生秒脈沖信號。該信號在與報警控制信號相與后輸出，送到三極管vt1的基極，驅動三極管來工作。另外，圖中r8與r11都為限流電阻，電容c2起耦合作用。圖3-14 報警電路3.7.2 元件介紹114位串行二進制計數器/分頻器cc4060cc4060的邏輯符號如圖3-15所示：圖3-15 cc4060邏輯符號cp1：時鐘（計數

23、）脈沖輸入端，下降沿有效cp0、：脈沖輸出，cp0與cp1相位相同，與cp1相位相反。cr：導步清零端，高電平有效，即該端為高電平時計數器清零，該端通常應處于低電平。q4q10、q12、q13：計數器、分頻器輸出。表3-6 cc4060的功能表：輸入輸出cp1crx1清除0計數0保持2jk觸發(fā)器74ls112芯片jk觸發(fā)器在電子技術中廣泛應用，常用的有74ls112、cc4027等。該報警電路中選用74ls112芯片。（1）74ls112的外引腳圖和邏輯符號74ls112為邊沿觸發(fā)的雙jk觸發(fā)器，其外引腳圖和邏輯符號如圖3-16所示。圖中、分別為異步置1端和異步置0端，均為低電平有效。74ls

24、112功能表見表3-7。 (a)外引腳圖 （b）邏輯符號圖3-16 jk觸發(fā)器邏輯符號表3-7 74ls112的功能表jkcp功能說明0001101保持00111100101101置001111011001110置110111101101110翻轉11111010101異步置0異步置1不定狀態(tài)10100011（2）邏輯功能由表3-7所示功能表可知，74ls112中的兩個單元電路都是靠cp下降沿觸發(fā)的邊沿jk觸發(fā)器。當=1時，電路實現(xiàn)jk觸發(fā)器的邏輯功能。當=1、=0時，不管j、k、和cp為何種狀態(tài)，觸發(fā)器都將被置為1，故稱為異步置1端，又稱為直接置1端。當=0、=1時，不管j、k、和cp為何種

25、狀態(tài)，觸發(fā)器都將被置為0，故稱為異步置0端，又稱為直接置0端。如若=0，則觸發(fā)器會出現(xiàn)=1的不定狀態(tài)。通常不允許出現(xiàn)這種取值。26第 26 頁第4章 整機電路與仿真整機電路的工作原理根據以上各單元電路的設計及原理分析,得出整體電路圖如附錄1所示。其工作原理如下：接通電源，編碼器選通輸入端接低電平，處于工作狀態(tài)，等待選手搶答。比賽開始前，無人按下按鍵，這時電路不工作。當主持人宣布搶答開始后，若有選手搶答，如5號選手首先按下開搶答鍵，則該低電平信號立即送到編碼器74ls148的信號輸入端，通過優(yōu)先編碼器將5號選手送入的開關信號轉化為二進制bcd碼101，由于74ls148編碼器的編碼輸出是反碼,所

26、以電路輸出為010,故需通過一個非門將其變換為101后再送到鎖存器74ls175中，經過74ls175鎖存后輸出送到譯碼驅動器，再送到數碼管中顯示選手號。同時，5號選手的開關信號通過一個與非門74ls30產生一個高電平輸出，作為與門74ls08的一個輸入端信號，而另一個輸入端的信號由鎖存器74ls175的輸出端來控制。由圖可知，74ls175的輸入端d4接選通輸出端，而由于選手的搶答使其端輸出為高電平，故輸出為低電平。經過與門74ls08后輸出為低電平，再送到74ls175的時鐘信號cp端，由74ls175的功能可知，當cp端為低電平時，無論輸入端為何種狀態(tài)，輸出都一直保持原狀態(tài)，即完成鎖存的

27、功能。說明在五號選手之后再按下按鍵的選手都無法進行搶答了。另外，由石英晶振產生的32768hz的頻率經過cc4060的14次分頻后得到2hz的頻率,再經過一個jk觸發(fā)器進行一次分頻就得到一個秒脈沖信號,將產生的秒脈沖信號送到與門74ls08的輸入端，當74ls175的輸出端q4為高電平時，經過74ls08與其相與后輸出的高電平使其三極管工作于開關狀態(tài)，因此揚聲器發(fā)出聲響提示主持人有人搶答。電路中，復位開關k9與鎖存器74ls175的清零端clr相連接，由于clr是低電平有效，所以當主持人按下復位開關后電路復位。而圖中的ko開關也是起清除作用，使其顯示器重新顯示為0。所以當一輪搶答結束后，必須由

28、主持人按下復位開關使其電路復位后，方可再次搶答。電路仿真本次設計我才用的是protel99se軟件進行仿真，因為它操作比較簡單，仿真效果也比較明顯。由于protel99se中沒有cc46060，故用一個信號發(fā)生器代替秒脈沖發(fā)生器發(fā)出秒脈沖。仿真圖如圖4-1圖4-1設計總結畢業(yè)設計是學校對我們在大學中所學知識的一個總的檢驗，它幾乎包含了我們學習的全部專業(yè)知識。畢業(yè)設計工作做的好壞，直接體現(xiàn)了個人所學專業(yè)知識的掌握情況,所以我們必須拿出百分百的熱情，用心搞好畢業(yè)設計，順利完成自己的大學生涯。本文設計的搶答器，它不僅具有搶答功能，而且還具有復位、報警等功能。其設計主要分為四個部分，第一部分是講述設計

29、該搶答器的目的及其功能；第二部分是描述了其搶答器的組成框圖并進一步說明了各個單元電路的作用；第三部分主要詳細的介紹了各個單元電路的設計情況；最后一部分則舉例說明整個電路的工作原理。通過這次設計，我得到了很大的收獲，我不僅僅學到了許多以前沒有的知識，而且還加深了對自已所學知識的理解。培養(yǎng)和增強了我的自學和獨自查找所需資料的能力，并較好地把著三年來所學的理論知識和實際的具體工作緊密地結合在一起。使我掌握了更多的電子知識，提高了對問題的綜合分析能力，以及對所學知識運用的靈活性。致 謝 篇本畢業(yè)設計是在彌銳老師的親切關懷和細心指導下完成的，在設計過程中，自始至終凝聚著導師的心血。恩師那治學嚴謹的態(tài)度，淵博的學識感染著我。他那誨人不倦、寬厚樸實的作風給我們留下了不可磨滅的影響，是我學習的榜樣，使我終生受益無窮。在此論文完成之際，特向恩師表達誠摯的謝意同時以最崇高的敬意。除此之外，在設計進行當中，還得到了其他老師的細心指導和諸多幫助。他們的無私