用中小規(guī)模集成電路設計制作一搶答器

1、. . . . 畢業(yè)論文論文題目：用中小規(guī)模集成電路設計制作一搶答器2 / 27摘要搶答器作為一種工具，已經廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。本設計以八路智力競賽搶答器為基本概念，從實際應用出發(fā), 用數字、模擬電子器件設計具有擴充功能的搶答器。該設計數字搶答器就是利用數字電子技術實現的。主要為了實現搶答、定時、顯示、報警功能。其電路由主體電路與擴展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路 。當有選手按下按鈕時，優(yōu)先鎖存，其

2、他選手在按時無響應，直到主持人按下清零按鈕之后，才能開始下一輪的搶答。比較實用。該數字搶答器可以廣泛應用于各種競賽，確保競賽的準確，公平。該數字搶答器雖然可以用單片機程序來完成，但繁瑣和代價高。而用集成電路設計制作搶答器：方便，價格便宜，還易于擴展。關鍵字：編碼，譯碼，555定時器，搶答器目 錄引言1第一章實驗目的與要求21.1基本要求21.2提高要求2第二章設計方案與原理圖32.1 設計方案32.2 總電路框圖4第三章單元電路的設計53.1 搶答電路53.2計時電路83.3顯示電路103.4報警電路12第四章電路的仿真164.1 搶答電路164.2 倒計時電路17第五章心得體會19致20參考

3、文獻21附錄221.總電路圖222.元器件清單23引 言21世紀越來越來多的電子產品出現在人們的日常生活中，如企業(yè)、學校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽, 搶答記分器是必要設備。過去在舉行的各種競賽中我們經常看到有搶答的環(huán)節(jié)，舉辦方多數采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。人們于是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設備來規(guī)比賽。因此，為了克服這種現象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設計出很多的搶答器，從最初的簡單搶答按鈕，到后來的顯示選手號的搶答器，再到現在的數顯搶答器，其功能在一天的趨于完善不但可以用來倒計時搶答，還兼具報警

4、，計分顯示等等功能，有了這些更準確地儀器使得我們的競賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。今天隨著科技的不斷進步搶答器的制作也更加追求精益求精，人們擺脫了耗費很多元件僅來實現用指示燈和一些電路來實現簡單的搶答功能，使第一個搶答的參賽者的編號能通過指示燈顯示出來，避免不合理的現象發(fā)生。但這種電路不易于擴展，而且當有更高要求時就無法實現，如參賽人數的增加。隨著數字電路的發(fā)展，數字搶答器誕生了，它易于擴展，可靠性好，集成度高，而且費用低，功能更加多樣話，是一種高效能的產品。而如今在市場上銷售的搶答器大多采用可編程邏輯元器件，或利用單片機技術進行設計，本次設計主要利用常見的74LS系列集

5、成電路芯片和555芯片，并通過劃分功能模塊進行各個部分的設計，最后完成了八路智力競賽搶答器的設計。第一章 實驗目的與要求通過八路數字搶答器的設計實驗，要求回顧所學數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與設計方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸發(fā)器、計數器、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。達到數字實驗課程大綱所要求掌握的基本容。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，通過數顯、燈光或音響等多種手段指示出第一搶答者。1.1基本要求（1）設計制作一個可容納8組參賽的數字式

6、搶答器，每組設置一個搶答按鈕供搶答者使用。（2）設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關S，該開關由主持人控制。（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，揚聲器發(fā)出聲響提示，并在數碼管上顯示選手。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（4）若超時仍無人搶答，則報警指示燈熄滅。1.2提高要求（1）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定（如30秒）。當主持人啟動開始鍵后，定時器進行減計時。同時揚聲器發(fā)出短暫的響聲，響聲持續(xù)0.5秒左右。發(fā)光二極管燈亮。（2）參賽選手在設定的時間進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶

7、答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（3）如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。（4）按鈕到控制中心的距離為20M。第二章 設計方案與原理圖2.1 設計方案圖 2-1 方案電路圖當電路接上電源后，整個電路都處于工作狀態(tài)。當主持人開關打開時，電路處于清零狀態(tài)。此時，各個觸發(fā)器的Q端輸出都為，假設芯片編碼器74LS148處于工作狀態(tài)，此時，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的輸出控制一個與非門，此時這個與非門被封鎖。GS的輸出信號送到各觸發(fā)器的JK端，此時都為高電平。也就是說，只要有觸發(fā)信號來并且R端為時，各觸發(fā)器

8、就會被觸發(fā)翻轉。當主持人開關合上，指示燈亮，此時電路處于搶答狀態(tài)，當六位選手中有其中一個把開關合上，其相應的觸發(fā)器CP 端就相當于有一個下降沿到來，觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉。其Q端輸出為，信號輸入到優(yōu)先編碼器74LS148中，經編碼輸送到74LS48七段譯碼驅動器，最后在顯示器上顯示選手的代號。在此時，74LS148的兩個輸出使能端EO和GS分別輸出為1和0。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)聲的時間頻率。而此時因為GS輸出為，

9、各觸發(fā)器的JK端也就為，就算此時其它選手再把開關合上，其對應的觸發(fā)器也不會再觸發(fā)翻轉，仍然會保持原來的狀態(tài)。當主持人把開關斷開時，電路又被清零。2.2 總電路框圖圖 2-2總電路框圖根據總的電路框圖來設計和制作該數字搶答器。由框圖可以把該數字搶答器分為四個單元：搶答電路，計時電路，顯示電路和報警電路。下面依次對各個單元進行設計和制作。第三章 單元電路的設計3.1 搶答電路此部分電路主要完成的功能是實現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

10、號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數字數碼顯示管）；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S5），74LS148 的輸出經RS 鎖存后，CTR=1,RBO =1, 七段顯示電路74LS48 處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為“5”。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，74

11、LS148 的 此時由于仍為CTR1，使優(yōu)先編碼工作標志端1， 5 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搶答器，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：圖 3-1 搶答電路模塊原理圖RS觸發(fā)器功能：1.保持狀態(tài)。當輸入端接入=1的電平時，如果基本SR觸發(fā)器現態(tài)=1、=0，則觸發(fā)器次態(tài)=1、=0；若基本SR觸發(fā)器的現態(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。2.置0狀態(tài)。

12、當=1，=0時，如果基本SR觸發(fā)器現態(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)器的輸出現態(tài)如何，均會使輸出次態(tài)置為0態(tài)。3.置1狀態(tài)。當=0、=1時，如果觸發(fā)器現態(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=0、=1，無論觸發(fā)器現態(tài)如何，均會將觸發(fā)器置1。4.不定狀態(tài)。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

13、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?；綬S觸發(fā)器的邏輯圖、邏輯符號和波形圖如圖1-7所示。（a）邏輯圖 (b) 邏輯符號 (c)波形圖輸入輸出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101&Q QG1G2 R SS R R S QQ R SQ置0置1保持圖 3-2基本SR觸發(fā)器表 3-1 74LS148真值表74LS

14、148的輸入端和輸出端低電平有效。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。3.2計時電路原理圖如下：圖 3-3 計時模塊原理圖該部分主要由555 定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS192減法計數電路、74LS48 譯碼電路

15、和 2 個 7 段數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。當有人搶答時，計時停止。兩塊74LS192 實現減法計數，通過譯碼電路 74LS48 顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74LS192 的預置數控制端實現預置數30s，計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數器開始減法計數工作，并將時間顯示在共陰極七段數碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數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。 圖 3-4 555定時器連接圖由555定

16、時器和三極管構成報警電路。其中555構成多諧振蕩器，振蕩頻率fo1.43（RI2R2）C，其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振?？刂戚斎胄盘枮榻涍^編碼的搶答選手的信號，當有人在有效時間搶答時，定時時間到時無人搶答時，輸入信號為高電平，報警電路發(fā)出報警信號；反之，輸入信號為低電平時，報警器不工作。將連接好的555定時器的輸出端接在示波器上，呈現如下符合要求的方波。圖 3-5 555定時器輸出波形3.3顯示電路顯示電路（圖3-8）主要是由一個優(yōu)先編碼器74148，一個七段LED譯碼驅動器7448和一個七段LED數碼顯示器組成優(yōu)先編碼器741

17、48的功能表在圖中已經列出七段LED譯碼驅動器7448的功能表如圖所示在顯示電路中，74148的0和7輸入是懸空的，只從16輸入端輸入信號，只要有一個信號輸入，就會輸出其相應的二進碼，這個二進碼送到7448中在7448中，D端是接地的，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3-6 顯示電路表3-2 七段LED譯碼驅動器7448功能表二進制譯碼器是將輸入的二進制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有n位，代碼組合就有2n個，當然可譯出2n個輸出信號1。顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器2。其輸出是

18、驅動七段字形的七個信號，常見產品型號有74LS48、74LS47等。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3。電子計算器，數字萬用表等顯示器都是顯示分段式數字。而LED數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數碼管的引線圖和顯示數字情況。74LS47譯碼驅動器輸出是低電平有效，所以配接的數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，配接的數碼管須采用共陰極接法。數碼管常用型號有BS201、BS202等。圖1-4（a）是共陰式LED數碼管的原理圖，使

19、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。3.4報警電路圖3-7 555定時器原理圖在整個搶答器設計中，要求搶答成功后有聲音提示，而且提示聲持續(xù)1s，頻率為1.2KHz，在設計報警電路時這里用到了555定時器。面先對555定時器作簡要的介紹。555定時器的原理圖和功能表分別如圖11和圖12所示。它是由3個阻值為K歐的電阻組成的分壓器，兩個電壓比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器，放電BJT TD以與緩沖器G4組成.定時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為復位輸入端,當Rd為低電平時,不管其他輸入端的狀態(tài)如何,輸出Vo為低電平。由圖可知

20、,當5腳懸空時,比較器C1和C2和比較電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。由表二可知：當VI12/3Vcc，VI21/3Vcc時，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導通，輸出端Vo為低電平。當VI12/3Vcc，VI21/3Vcc時，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VI11/3Vcc時，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3-8 555定時器功能表用555定時器可以組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩電路，如圖3-12所示圖3-9 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路

21、圖由555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路圖。將555定時器的6號腳和7號腳接在一起，并添加一個電容和一個電阻，就可以構成單穩(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。這個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負脈沖觸發(fā)的。穩(wěn)態(tài)時，這個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時，這個觸發(fā)器輸出高電平。5號腳懸空時，輸出脈沖寬度為。5號腳接控制電壓時，輸出脈沖寬度公式為4： 3-1在這里,單穩(wěn)觸發(fā)器主要是用于控制喇叭聲響的時長,這就要通過控制觸發(fā)器的輸出脈寬來實現.設計要求喇叭聲響時長為1秒.經計算得到在單穩(wěn)觸發(fā)器中的各參數如下:C=0.01微法 Rp=91M歐圖3-10 多諧振蕩電路由555組成的多諧振蕩電路可知：電

22、阻和電容構成一個積分電路，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定時器構成多諧振蕩器就是這個思路。于是，先用555定時器構成一個施密特觸發(fā)器，再把這個施密特觸發(fā)器改接成多諧振蕩器。與555定時器部的放電管構成了一個反相器5。邏輯上，這個反相器的輸出與555定時器的輸出完全一樣。因此，這個施密特觸發(fā)器有兩個輸出端，分別為555定時器的3號腳和7號腳。我們看到，電阻和電容構成了積分電路，施密特觸發(fā)器的一個輸出端（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，一個多諧振蕩器就成了。多諧振蕩器用在報警電路中,主要是用于控制喇叭聲響頻率.這里

23、要求為1.2KHz.在方案一中,還用到了多諧振蕩器來產生CP脈沖.經計算得到多諧振蕩器各參數如下6：R1=0.6K歐 R2=2.4K歐C1=0.22微法C2=0.01微法報警電路主要就是由以上所介紹的一個單穩(wěn)觸發(fā)器，一個多諧振蕩器，再加一個揚聲器組成的.其組成原理圖如圖3-14所示：圖3-11 報警電路原理圖由圖中可以看到,接上電源后,當信號輸入為高電平時，第一個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，右邊的多諧振蕩器的復位輸入為低電平，所以其輸出也為低電平，揚聲器不發(fā)音。當信號輸入為低電平時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)，處于暫穩(wěn)態(tài)，此時其輸出為高電平，輸入到多諧振蕩器的復位端，

24、多諧振蕩工作，輸出為頻率為1.2KHz的脈沖波形。這樣揚聲器就會以1.2KHz的頻率發(fā)出間歇式聲響。第四章 電路的仿真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：圖 4-1 搶答電路仿真結果當有選手搶答成功后，電路把該選手的鎖存，有其他選手在搶答時無效。然后根據編碼器把搶答到的選手的經過譯碼后顯示出來，同時倒計時電路開始工作直到主持人按下清零開關之后才能開始下一輪的搶答。4.2 倒計時電路倒計時開始后開始計數，同時倒計時指示燈亮直到倒數到0秒熄滅，如下圖：圖 4-2 倒計時電路仿真結果計時器個位減到0時，BO1出現一個下跳；計時器十位減到0時，BO2出現一個下跳

25、。接通電源，開關打到預置端，倒計時數碼管顯示30。主持人撥動開關后，倒計時電路開始從30秒倒數，8路觸點開關處于待命狀態(tài)。若有選手按下所在開關（搶答），搶答電路顯示選手所在編碼（07），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關被鎖定，搶答無效。第五章 心得體會這次課程設計的電路雖然是比較復雜的。以前在模電、數電、Protel課程設計中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。第一次接觸multisim軟件，感覺它比Protel更靈活易用，熟練以后十分順手。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與電路的細節(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與可行的原因

26、，最后還是在通多次對電路的改進，上機仿真以與接線調試，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，其過程很可能相當繁瑣，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，那你的設計已經成功了一半。因此我應在設計前做好充分的準備，如查找詳細的資料，為我設計的成功打下堅實的基礎。設計單元電路階段，這個階段可以說是考察數電書本知識的階段。所有的設計方法還有步驟在數電書上都有，而且還有例題。這個階段遇到的主要問題就是以前的知識忘記不少，所以做設計的時候要常隨手翻閱課本，等于是做了幾道數電作業(yè)題。這個階段的難度也不是很大，一般翻課本就可以找到答案并解決問題。實驗階段可以說是這次設計中最重要的部分，因為以前的只是理論而不是真正的實體，所以說它是最重要的。實驗階段我們遇到的問題有：對軟件不熟悉；對實驗過程號的測量知識學習很少；因為各個模塊是分開做而后又組裝到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合為一個整體，部分工作能行但是接到一起就會出現問題）。針對以上幾個問題我作出了以下的對策：對軟件不熟悉，就借來參考書，一步一步的對著學，而且老師給的資料上也有