數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)--搶答器

1、目 錄1 引言12 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求22.1設(shè)計(jì)任務(wù)22.2 設(shè)計(jì)要求23 總體方案設(shè)計(jì)33.1 主體電路設(shè)計(jì)33.2 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)34 Multisim10軟件介紹35 單元模塊設(shè)計(jì)55.1脈沖產(chǎn)生電路55.2定時(shí)時(shí)間電路功能介紹55.3搶答器電路功能介紹65.4搶答器電路75.5振蕩電路85.6 譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)86 芯片原理96.1 優(yōu)先編碼器 74LS14896.2 觸發(fā)器 74ls279106.3 譯碼器74LS48116.4 555 定時(shí)器127 系統(tǒng)仿真與測(cè)試137.1 基本操作方法137.2仿真步驟138 安裝調(diào)試148.1 安裝調(diào)試148.2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法149

2、 總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄17課程設(shè)計(jì)說明書1 引言載許多比賽活動(dòng)中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設(shè)置一臺(tái)搶答器，通過數(shù)顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時(shí)還可以設(shè)置記分、犯 規(guī)及獎(jiǎng)勵(lì)記錄等多種功能。該設(shè)計(jì)就是針對(duì)上述各種要求設(shè)計(jì)出的供 6 名選手參賽使用的數(shù)字式競(jìng)賽搶答器。數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器 、 譯碼電路將參賽隊(duì)的輸入信號(hào)在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動(dòng)報(bào)警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時(shí)電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號(hào)在顯示器 上輸出實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路。通過搶答者的指示燈顯示、數(shù)碼顯示和警示顯示等手段指

3、示出第一搶答者。有搶答信號(hào)輸入（開關(guān)S1S6中的任意一個(gè)開關(guān)被按下）時(shí)，并顯示出相 對(duì)應(yīng)的組別號(hào)碼。此時(shí)再按其他任何一個(gè)搶答器開關(guān)均無效，指示燈依舊“保持” 第一個(gè)開關(guān)按下時(shí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)不變。 經(jīng)過布線、焊接、調(diào)試等工作后，數(shù)字搶答器成形 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)可同時(shí)供6位選手參加的6路數(shù)字顯示搶答器，選手每人一個(gè)搶答按鈕，搶答開始后，搶答器具有優(yōu)先搶答的功能，最先搶答成功的選手編號(hào)能被顯示，并有音響提示，當(dāng)有選手搶答成功時(shí)，禁止其他選手搶答，直到主持人將系統(tǒng)清零為止。主持人有控制開關(guān)，可以手動(dòng)清零復(fù)位，當(dāng)主持人按下開始按鍵是才可以搶答，顯示倒計(jì)時(shí)9秒，在規(guī)定時(shí)間搶答有效，同

4、時(shí)倒計(jì)時(shí)停止，直到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果搶答時(shí)間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，禁止選手超時(shí)后搶答。2.2 設(shè)計(jì)要求 根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)中的各個(gè)電路模塊； 給出multisim仿真結(jié)果； 設(shè)計(jì)說明書要包含設(shè)計(jì)總結(jié)。3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 主體電路設(shè)計(jì)(1) 搶答器同時(shí)供6名選手比賽，每人一個(gè)搶答按鈕，按扭的順序與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別用S0-S5表示。(2) 給節(jié)目主持與顯示的功能。搶答器開始后，若有選手手動(dòng)按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào)。此外，要鎖存輸入電路，禁止其他選手搶答。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到支持人將系統(tǒng)清除為止。3.2

5、 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (1) 搶答器具有定時(shí)搶答的功能，搶答的時(shí)間可以設(shè)定（9S）。當(dāng)節(jié)目支持人啟動(dòng)“開始”鍵后，定時(shí)器立刻進(jìn)行減計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示剩余時(shí)間。(2) 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到支持人將系統(tǒng)清除為止。(3) 如果定時(shí)時(shí)間已到，卻沒有選手搶答時(shí)，本次搶答無效，時(shí)間顯示器上顯示0。顯示電路優(yōu)先編碼電路譯碼電路搶答按鈕 鎖存電路控制電路主持人控制開關(guān)顯示燈定時(shí)電路顯示電路計(jì)數(shù)電路圖3-1 總體方框圖4 Multisim10軟件介紹multisim軟件是迄今為止，在電路級(jí)仿真上表現(xiàn)最為出色的軟件，就相當(dāng)于擁有了一

6、個(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。multisim軟件前身是是加拿大IIT公司在20世紀(jì)八十年代后期推出的電路仿真軟件EWB，后來，EWB將原先版本中的仿真設(shè)計(jì)模塊更名為multisim,之后又相繼推出了multisim2001、multisim 7等各個(gè)版本。 2005年以后，加拿大IIT公司隸屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司，美國(guó)NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美國(guó)NI公司推出的Multisim10。相對(duì)于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面，并且提供更加豐富的元件庫、儀表庫和各種分析方法。完全滿足電路的各種仿真需要。N

7、I Multisim10軟件則不僅僅局限于電子電路的虛擬仿真，其在LabVIEW虛擬儀器、單片機(jī)仿真等技術(shù)方面都有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA技術(shù)的更高層次范疇。NI Multisim 10的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。NI Multisim 10具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、

8、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。5 單元模塊設(shè)計(jì) 5.1脈沖產(chǎn)生電路該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路，利用555以及一些電容和電阻實(shí)現(xiàn)，使每秒產(chǎn)生一個(gè)CP上升沿。555的3端輸出的脈沖的寬度為： T=0.7*(15k+2*68k)*10*10e-6，所時(shí)鐘周期為T=1.57S。圖5-1 脈沖產(chǎn)生電路圖5.2定時(shí)時(shí)間電路功能介紹 原理及設(shè)計(jì)：該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS190減法計(jì)數(shù)電路、74LS148譯碼電路和1個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3.2.2所示。一塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS

9、48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74190預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管u7上，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，同時(shí)以后選手搶答無效。圖5-2 定時(shí)電路圖5.3搶答器電路功能介紹設(shè)計(jì)電路見圖3.1.2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS279 來完成。該電路主要完成兩個(gè)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(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）

10、；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S置于"清除"端時(shí)，RS觸發(fā)器的 R、S端均為0，4個(gè)觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時(shí)（如按下S5），74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，CTR=1,RBO(圖中4端) =1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，CTR1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）1，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí)，

11、74LS148的 此時(shí)由于仍為CTR1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端為1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置“清除”然后才可能進(jìn)行。5.4搶答器電路圖5-3 搶答電路圖5.5振蕩電路本系統(tǒng)需要產(chǎn)生兩種頻率的脈沖信號(hào)，一種是頻率為500KHZ的脈沖信號(hào)，用于觸發(fā)器的CP信號(hào)。第三中頻率為1HZ信號(hào)用于計(jì)時(shí)電路。以上電路可用555定時(shí)器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經(jīng)過分頻得到。圖5-4 振蕩電路圖5.6 譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)該部分是由譯碼器74ls48和一個(gè)共陰極7段顯示器組成，主要完成數(shù)字的，顯示和譯碼功能，直觀的

12、反應(yīng)電路的搶答器功能。通過顯示管的顯示，從而判斷電路的工作狀況，原理圖如下：圖5-5 譯碼顯示電路6 芯片原理6.1 優(yōu)先編碼器 74LS14874LS148工作原理如下 該編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端。此外，電路還設(shè)置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志GS。 當(dāng)EI=0時(shí)，編碼器工作；而當(dāng)EI=1時(shí)，則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài)，3個(gè)輸出端均為高電平，且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來有效的情況。當(dāng)EI為0，且至少有一個(gè)輸入端有編碼請(qǐng)求信號(hào)（邏輯0）時(shí)，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志GS為0。表明編碼器

13、處于工作狀態(tài)，否則為1。由功能表可知，在8個(gè)輸入端均無低電平輸入信號(hào)和只有輸入0端（優(yōu)先級(jí)別最低位）有低電平輸入時(shí)，A2A1A0均為111，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由GS的狀態(tài)加以區(qū)別，當(dāng)GS1時(shí)，表示8個(gè)輸入端均無低電平輸入，此時(shí)A2A1A0=111為非編碼輸出；GS0時(shí)，A2A1A0=111表示響應(yīng)。輸入0端為低電平時(shí)的輸出代碼（編碼輸出）。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時(shí)，輸出為0，它可與另一片同樣器件的EI連接，以便組成更多的。輸入端的優(yōu)先編碼器。從功能表不難看出，輸入優(yōu)先級(jí)別的次為7，6.，0。輸入有效信號(hào)為低電平，當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級(jí)別

14、高的輸入。端無低電平輸入時(shí)，輸出端才輸出相對(duì)應(yīng)的輸入端的代碼。例如5為0。且優(yōu)先級(jí)別比它高的輸入6和輸入7均為1時(shí)，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先碼器的工作原理。圖6-1 74LS148管腳圖表6-1 74LS148功能表輸入輸出STD0D2D2D3D4D5D6D7A2 A1 A0YEXYS1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx0111110001oxx011111101010x011111111001001111111111016.2 觸發(fā)器 74LS279

15、74LS279就是4R-S觸發(fā)器，每片上有四路R-S觸發(fā)器。每路R-S觸發(fā)器有R和S兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出端Q。主要功能如下：當(dāng)S輸入低電平（0）時(shí)，輸出Q為低電平（0），當(dāng)S輸入高電平（1）時(shí)，如果R輸入低電平（0），則Q為高電平（1），當(dāng)S輸入高電平（1）時(shí)，如果R輸入低電平（1），則Q保持不變。 圖6-2 74ls279引腳圖6.3 譯碼器74LS4874LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，本搶答器電路就運(yùn)用到了譯碼器，用作譯碼顯示的一部分功能，具體的邏輯功能下面我就給大家介紹一下以及這個(gè)元件的一些參數(shù)。圖9 74ls48引腳圖表6-2

16、 74LS48功能表輸入BI/RBO輸出LTRBIA3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg110000111111101x0001101100001x0010111011011x0011111110011x0100101100111x0101110110111x0110100111111x0111111100001x1000111111111x1001111100111x1010100011011x1011100110011x1100101000111x1101110010111x1110100011111x111110000000xxxxxx00000000100000000000000

17、xxxxx111111116.4 555 定時(shí)器555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，具有開關(guān)特性，可以構(gòu)成各種單元脈沖電路。(圖上述已有)。7 系統(tǒng)仿真與測(cè)試7.1 基本操作方法元件選用：打開元件庫欄，移動(dòng)鼠標(biāo)到需要的元件圖形上，按下左鍵，將元件符號(hào)拖拽到工作區(qū)。元件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)制和刪除：用鼠標(biāo)單擊元件符號(hào)選定，用相應(yīng)的菜單、工具欄，或單擊右鍵激活彈出菜單，選定需要的動(dòng)作。元器件參數(shù)設(shè)置：雙擊元件，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。導(dǎo)線的連接：要包括導(dǎo)線的連接、彎曲導(dǎo)線的調(diào)整、導(dǎo)線顏色的改變及連接點(diǎn)的使用。連接：鼠標(biāo)指向一元件的端點(diǎn)，出現(xiàn)小圓后，按下左鍵并拖拽導(dǎo)線到另一個(gè)元件的端點(diǎn)，出現(xiàn)

18、小圓后松開鼠標(biāo)左鍵。刪除和改動(dòng)：選定該導(dǎo)線，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選delete ?；蛘哂檬髽?biāo)將導(dǎo)線的端點(diǎn)拖拽離開它與元件的連接點(diǎn)。7.2仿真步驟根據(jù)自己所畫好的電路圖，在multisim元器件庫選擇相應(yīng)的元器件。用導(dǎo)線將元器件按圖連接好。將元器件相應(yīng)參數(shù)設(shè)置好。進(jìn)行電路仿真，根據(jù)仿真修改相應(yīng)的參數(shù)。8 安裝調(diào)試8.1 安裝調(diào)試搶答電路連接好以后，測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)電路并不穩(wěn)定。最初，我以為電路鎖存數(shù)據(jù)是在5號(hào)管腳為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)才被鎖存的。以這為理論依據(jù)，我認(rèn)為電路不穩(wěn)定是因?yàn)?號(hào)管腳在到達(dá)高電平時(shí)，需要一段時(shí)間，由于在這段時(shí)間內(nèi)，74ls279的s端是不確定的，電路不穩(wěn)定，就是在這段不確定的

19、時(shí)間內(nèi)造成的。我想了很多辦法，使當(dāng)有人搶答時(shí)，縮短5號(hào)管腳為高電平的時(shí)間，結(jié)果電路還是不穩(wěn)定。我又仔細(xì)的想一想電路的鎖存原理，發(fā)現(xiàn)我最初的想法是錯(cuò)的，輸入信號(hào)并不是在5號(hào)管腳為高電平時(shí)鎖存的，而是在當(dāng)搶答者按下開關(guān)彈起時(shí)，由于此時(shí)無編碼輸入Y0,Y1,Y2端為高電平，保存了輸入的編號(hào)。后來我在輸入端加上電阻，電路就變穩(wěn)定了。8.2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法顯示電路不穩(wěn)定問題:在完成電路的焊接進(jìn)入調(diào)試階段時(shí)發(fā)現(xiàn)搶答器數(shù)碼管顯示選手編號(hào)不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在單選手按下?lián)尨疰I后數(shù)碼管顯示的不是選手當(dāng)前號(hào)碼。因此著手對(duì)電路進(jìn)食檢查，首先檢查數(shù)碼管看是否是關(guān)節(jié)焊接錯(cuò)誤，后又檢查電路各個(gè)芯片管腳接錯(cuò)均未發(fā)現(xiàn)

20、問題，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)觸動(dòng)某按鍵連線時(shí)顯示正常由此判斷可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)了虛焊，遂將電路各焊點(diǎn)又仔細(xì)焊接了一遍，此時(shí)電路顯示正常?？刂崎_關(guān)無法控制電路:在調(diào)試是發(fā)現(xiàn)當(dāng)按下主持人開關(guān)時(shí)電路斷電，當(dāng)松開后數(shù)碼管顯示始終為7，經(jīng)過一個(gè)多小時(shí)對(duì)電路用萬用表逐個(gè)檢查，發(fā)現(xiàn)是開關(guān)觸焊接錯(cuò)誤，通過改正焊接后電路能正常工作。 數(shù)碼管不能正常倒計(jì)時(shí):在進(jìn)入定時(shí)電路調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常倒計(jì)時(shí)，出現(xiàn)亂碼。對(duì)這問題我們檢查了芯片是否完好，電路界限是否正確均未發(fā)現(xiàn)問題，后發(fā)現(xiàn)是由于在焊接時(shí)焊線有些地方出現(xiàn)部分短接，于是就將焊線重新理清，數(shù)碼管也能正常工作了。9 總結(jié)針對(duì)課設(shè)題目六路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，但通過上網(wǎng)查閱各種類似的設(shè)計(jì)，去圖書館翻閱相關(guān)設(shè)計(jì)書籍，查閱所提供的芯片功能，確定基本設(shè)計(jì)方案，又通過仿真驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可實(shí)行性，雖說比較煩雜但卻對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)電路有了基本的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也使自己認(rèn)識(shí)到：拿下每個(gè)課題能有一個(gè)非常清晰的設(shè)計(jì)思路是至關(guān)重要的。只有對(duì)課題的充分理解，對(duì)各種器件的熟練掌握，勾畫出基本的設(shè)計(jì)圖是成功的關(guān)鍵，必須多花時(shí)間在設(shè)計(jì)上才能為后續(xù)工作提供更扎實(shí)的基礎(chǔ)。翻閱各種資料，上網(wǎng)查詢填補(bǔ)所需知識(shí)的空白是必要的.調(diào)試工作是個(gè)精細(xì)工作。在調(diào)試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，也有些是因?yàn)楹附訂栴}引起的等因此排查