數(shù)字電子技術課程設計報告八路數(shù)字搶答器

1、 課程設計報告題 目 數(shù)字搶答器 課 程 名 稱 數(shù)字電子技術 院 部 名 稱 機電工程學院 專 業(yè) 自動化 班 級 m10自動化 學 生 姓 名 學 號 課程設計地點 工科樓c206 課程設計學時 1周 指 導 教 師 趙國樹 金陵科技學院教務處制目錄一、實驗目的- 2 -二、設計要求與內(nèi)容- 3 -三、設計及原理- 4 -3.1 總體方案設計- 4 -3.1.1 設計思路- 4 -3.1.2 總電路框圖- 4 -3.2 各模塊設計方案及原理說明- 5 -3.2.1 搶答電路- 5 -3.2.2 倒計時電路- 10 -四、電路仿真- 14 -4.1 搶答電路- 14 -4.2 倒計時電路-

2、16 -五、 實驗室調試及分析- 16 -六、收獲、體會和建議- 19 -附錄- 19 -1.總電路圖- 20 -主要參考文獻- 21 -八路數(shù)字搶答器一、實驗目的通過八路數(shù)字搶答器的設計實驗，要求學生回顧所學數(shù)字電子技術的基礎理論和基礎實驗，掌握組合電路、時序電路、編程器件和任意集成電路的綜合使用及設計方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器、單脈沖觸發(fā)器、555電路、譯碼/驅動電路的應用方法，熟悉掌握時序電路的設計方法。達到數(shù)字實驗課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。二、設計要求與內(nèi)容在許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設置一臺搶答器，通過數(shù)顯、燈光或音響等多種手段指示

3、出第一搶答者。1) 數(shù)字搶答器應具有數(shù)碼鎖存、顯示功能，搶答組數(shù)分為八組，即序號0、1、2、3、4、5、6、7，優(yōu)先搶答者按動本組開關，組號立即鎖存到led顯示器上，同時封鎖其它組號。2) 系統(tǒng)設置外部清除鍵，按動清除鍵，led顯示器自動清零滅燈。3) 數(shù)字搶答器定時為30秒，啟動起始鍵后，要求：30秒定時器開始工作；蜂鳴器要短暫報警；發(fā)光二極管亮燈。4) 搶答者在30秒內(nèi)搶答，搶答有效，終止定時；30秒定時到，無搶答者本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，發(fā)光二極管滅燈。三、設計及原理3.1 總體方案設計3.1.1 設計思路本題的根本任務是準確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可選擇使用觸

4、發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號之后應立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號應該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。當電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二極管直接指示出組別。在主持人沒有按下開始搶答按鈕前，參賽者的搶答開關無效；當主持人按下開始搶答按鈕后，開始進行30秒倒計時，此時，若有組別搶答，顯示該組別并使搶答指示燈亮表示“已有人搶答”；當計時時間到，仍無組別搶答，則計時指示燈滅表示“時間已到”，主持人清零后開始新一輪搶答。、3.1.2 總電路框圖總電路框圖3.2 各模塊設計方案及原理說明3.2.1 搶答電路

5、此部分電路主要完成的功能是實現(xiàn)8路選手搶答并進行鎖存，同時有相應發(fā)光二極管點亮和數(shù)碼顯示。使用優(yōu)先編碼器 74ls148 和鎖存器 74ls297 來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字數(shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關s 置于清除端時，rs 觸發(fā)器的 r、s 端均為0，4 個觸發(fā)器輸出置0，使74ls148 的優(yōu)先編碼工作標志端 0，使之處于工作狀態(tài)。當開關s 置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下s3），74ls148 的輸出經(jīng)rs 鎖存后

6、，ctr=1,rbo =1, 七段顯示電路74ls48 處于工作狀態(tài)，4q3q2q=011,經(jīng)譯碼顯示為“3”。此外，ctr 1，使74ls148 優(yōu)先編碼工作標志端，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74ls148 的 此時由于仍為ctr1，使優(yōu)先編碼工作標志端1， 所以74ls148 仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。只要有一組選手先按下?lián)尨鹌?，就會將編碼器鎖死，不再對其他組進行編碼。通過74ls48譯碼器使搶答組別數(shù)字顯示0-7。如有再次搶答需由主持人將s 開關重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。原理圖如下：a. rs觸發(fā)器（74ls

7、279）當輸入端接入=1的電平時，如果基本sr觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)=1、=0，則觸發(fā)器次態(tài)=1、=0；若基本sr觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)=0、=1，則觸發(fā)器次態(tài)=0、=1。即=1時，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。當=1，=0時，如果基本sr觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=1、=0，因=0，會使=1，而=1與=1共同作用使端翻轉為0；如果基本sr觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，同理會使=0，=1。只要輸入信號=1，=0，無論基本sr觸發(fā)器的輸出現(xiàn)態(tài)如何，均會使輸出次態(tài)置為0態(tài)。當=0、=1時，如果觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，因=0，會使g1的輸出端次態(tài)翻轉為1，而=1和=1共同使g2的輸出端=0；同理當=1、=0，也會使觸發(fā)器的次態(tài)輸出為=1、=0；只要

8、=0、=1，無論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)如何，均會將觸發(fā)器置1。當=0時，無論觸發(fā)器的原狀態(tài)如何，均會使=1，=1。當脈沖去掉后，和同時恢復高電平后，觸發(fā)器的新狀態(tài)要看g1 和g2兩個門翻轉速度快慢，所以稱=0是不定狀態(tài)，在實際電路中要避免此狀態(tài)出現(xiàn)。sr觸發(fā)器功能真值 綜上所述基本sr觸發(fā)器具有置0、置1、保持功能且不允許與同時為0，集成產(chǎn)品74ls279就是這種四sr觸發(fā)器。對應的特性方程為： 其中，表示現(xiàn)態(tài)，即原態(tài)。表示次態(tài)，即新狀態(tài)。 74ls279管腳引線圖b. 優(yōu)先編碼器（74ls148）編碼器在同一時刻內(nèi)只允許對一個信號進行編碼，否則輸出的代碼會發(fā)生混亂。優(yōu)先編碼器既在同一時間內(nèi)，當有多個輸入

9、信號請求編碼時，只對優(yōu)先級別高的信號進行編碼的邏輯電路，稱為優(yōu)先編碼器。常用的集成優(yōu)先編碼器有74ls148（8線3線）和74ls147（10線4線）兩種制式。優(yōu)先編碼器是較常用的編碼器，下面以74ls148為例，介紹它的邏輯功能。此芯片為8線3線優(yōu)先編碼器。圖1-1（a）是其功能簡圖，圖1-1（b）是管腳引線圖，表1-1是其真值表。 74ls148的輸入端和輸出端低電平有效。圖（a）是其功能簡圖，圖中電源和地未畫， 是輸入信號，為三位二進制編碼輸出信號，1時，編碼器禁止編碼，當0時，允許編碼。是技能輸出端，只有在0，而均無編碼輸入信號時為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在0而的其中之一有信號時，0。各

10、輸入端的優(yōu)先順序為：級別最高，級別最低。如果0（有信號），則其它輸入端即使有輸入信號，均不起作用，此時輸出只按編碼，000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計算機控制系統(tǒng)中，當有多個外設申請中斷時，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級別高的設備先編碼。c. 顯示譯碼器（74ls48）74ls48bcd七段譯碼驅動器真值表74ls48的輸入端是四位二進制信號(8421bcd碼)，a、b、c、d、e、f、g是七段譯碼器的輸出驅動信號，高電平有效?？芍苯域寗庸碴帢O七段數(shù)碼管，是使能端，起輔助控制作用。使能端的作用如下： 是試燈輸入端，當=0，=1時，不管其它輸入是什么狀態(tài)，ag七段全亮；滅燈輸入，當=0，不論其它輸入狀態(tài)如何，

11、ag均為0，顯示管熄滅；動態(tài)滅零輸入，當=1，=0時，如果=0000時，ag均為各段熄滅； 動態(tài)滅零輸出，它與滅燈輸入共用一個引出端。當=0或=0且=1，=0000時，輸出才為0。片間與配合，可用于熄滅多位數(shù)字前后所不需要顯示的零。74ls48a3 a2 a1 a0 （a）74ls48功能簡圖 （b）74ls48管腳引線字符顯示器：分段式顯示是將字符由分布在同一平面上的若干段發(fā)光筆劃組成。電子計算器，數(shù)字萬用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而led數(shù)碼顯示器是最常見的。通常有紅、綠、黃等顏色。led的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.53v，驅動電流為幾十毫安。圖1-3是七段led數(shù)碼管的引線圖和顯

12、示數(shù)字情況。74ls48譯碼驅動器輸出是低電平有效，所以配接的數(shù)碼管須采用共陽極接法；而74ls48譯碼驅動器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。數(shù)碼管常用型號有bs201、bs202等。圖中是共陰式led數(shù)碼管的原理圖，使用時，公陰極接地，7個陽極ag由相應的bcd七段譯碼器來驅動。 3.2.2 倒計時電路原理圖如下： 倒計時模塊原理圖該部分主要由555 定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74ls192 減法計數(shù)電路、74ls48 譯碼電路和 2 個 7 段數(shù)碼管即相關電路組成。完成的功能是當主持人按下開始搶答按鈕后，進行30s倒計時，到0s時倒計時指示燈亮。當有人

13、搶答時，計時停止。兩塊74ls192 實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路 74ls48 顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74ls192 的預置數(shù)控制端實現(xiàn)預置數(shù)30s，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時， 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。 a. 555定時器555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。按其工藝分雙極型和cmos型兩類，其應用非常廣泛。1 555定時器的組成和功能下圖是55

14、5定時器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器a1、a2，一個rs觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5k電阻的分壓器而構成。555定時器組成框圖它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端vss或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源vcc，雙極型時基電路vcc的范圍是4.5 16v，cmos型時基電路vcc的范圍為3 18v。一般用5v。3腳：輸出端vo2腳：低觸發(fā)端6腳：th高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、th處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：vc為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端

15、串入一只0.01f電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器a1、a2基準電壓分別為的情況下，555時基電路的功能表如下表所示。 555定時器的功能表清零端高觸發(fā)端th低觸發(fā)端qn+1放電管t功能00導通直接清零10導通置011截止置11qn不變保持b. 計數(shù)器（74ls192）計數(shù)器選用匯總規(guī)模集成電路74ls192進行設計較為簡便，74ls192是十進制可編程同步加鎖計數(shù)器，它采用8421碼二-十進制編碼，并具有直接清零、置數(shù)、加鎖計數(shù)功能。74ls192是同步十進制可逆計數(shù)器，其邏輯符號和引腳排列如圖（a）

16、、(b)所示。q3 q2 q1 q074ls192d3 d2 d1 d0 crcpucpdld（a）（b）74ls19212345678161514131211109vcc d0 cr bo co ld d2 d3d1 q1 q0 cpd cpu q2 q3 gnd74ls192功能真值表 是異步清零端，且高電平有效。 是并行置數(shù)端，低電平有效，且在有效。 和是兩個時鐘脈沖，當，時鐘脈沖由端接入。并且時，74ls192處于加法計數(shù)狀態(tài)；當脈沖從端輸入，且時，74ls192處于減法計數(shù)狀態(tài)；時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)。 是進位端，是借位端。它的計數(shù)原理是 : 只有當?shù)臀?端發(fā)出借位脈沖時 , 高位計

17、數(shù)器才作減計數(shù)。當高、低位計數(shù)器處于全零 , 且 為 0 時 , 置數(shù)端 =0, 計數(shù)器完成并行置數(shù) , 在 端的輸入時鐘脈沖作用下 , 計數(shù)器再次進入下一循環(huán)減計數(shù)。四、電路仿真4.1 搶答電路 第2路搶答器搶答后的顯示，同時發(fā)光二極管指示燈發(fā)光，如下圖：11端的示波器波形：如圖，撥動開關后，為低，有人搶答時，為高。4.2 倒計時電路 倒計時開始后開始計數(shù)，同時倒計時指示燈亮直到倒數(shù)到0秒熄滅，如下圖：5、 實驗室調試及分析1. 元件清單器件名稱型號數(shù)量可逆計數(shù)器74ls19228 線3 線優(yōu)先編碼器74ls1481rs 觸發(fā)器74ls2791共陰數(shù)碼管3顯示譯碼器74ls483非門74hc

18、042二輸入與非門74hc001三輸入與非門74hc101555ne5551電阻10k9電阻5101 電阻39k1 電阻51k1 電阻503電解電容10uf1發(fā)光二極管led12. 調試過程1) 將各元件在線路板上進行排版2) 按原理圖接線3) 先將555構成的秒脈沖連好，用示波器測試波形4) 再按照原理圖先將搶答電路連好，調試是否正常工作5) 然后按照原理圖把倒計時電路連好，調試是否正常工作6) 最后把秒脈沖電路連接上去，進行總體測試3. 調試結果1) 秒脈沖波形2) 倒計時狀態(tài)3) 搶答狀態(tài)六、收獲、體會和建議這次課程設計的電路是比較復雜的。雖然以前在模電課程設計中接觸過multisim軟件，但在初期還是感到無從下手。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計上，在多種方案的選擇中，我們仔細比較分析其原理以及可行的原因，最后還是在通多次對電路的改進，上機仿真以及接線調試，終于使整個電路可穩(wěn)定工作。設計過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時花很長時間設計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經(jīng)成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，像查找詳細的資料，為我們設計