三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)孫淑艷2015-01-04一、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)中介紹的編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、計(jì)數(shù)器、寄存器等電路，都只能實(shí)現(xiàn)某種單一的特定的功能，因此稱為功能部件級(jí)電路。由若干這樣的數(shù)字電路和邏輯部件構(gòu)成的，按一定順序處理和傳輸數(shù)字信號(hào)的設(shè)備，稱為數(shù)字系統(tǒng)。

數(shù)字系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為數(shù)據(jù)處理單元和控制單元兩部分，如圖所示。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、整體規(guī)劃：

從要求出發(fā)，將整體設(shè)計(jì)分解為多個(gè)小模塊或者多個(gè)步驟。2、具體設(shè)計(jì)：

根據(jù)不同小模塊或不同步驟的功能查找可用器件，并輔以外圍電路將功能實(shí)現(xiàn)。3、調(diào)試整合：

將小模塊進(jìn)行組合或者將不同步驟按順序依次實(shí)現(xiàn)。4、撰寫報(bào)告：設(shè)計(jì)報(bào)告是學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)全過(guò)程的系統(tǒng)總結(jié)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟三、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法

數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有兩種，即自上而下的設(shè)計(jì)方法和自下而上的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常采用自上而下的設(shè)計(jì)方法。

自上而下的設(shè)計(jì)方法是針對(duì)數(shù)字系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分層次、分模塊進(jìn)行。通常將整個(gè)系統(tǒng)從邏輯上劃分成控制單元和數(shù)據(jù)處理單元兩大部分。如果控制單元和處理單元仍比較復(fù)雜，可以在控制單元和處理單元內(nèi)部多重地進(jìn)行邏輯劃分，分解成幾個(gè)子模塊進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，最后得到所要求的數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)—子系統(tǒng)—功能模塊—單元電路—元器件—印制版圖三、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法自上而下的設(shè)計(jì)方法一般要遵循下列幾個(gè)步驟：

1.明確所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，進(jìn)行邏輯抽象。設(shè)計(jì)題目通常是比較簡(jiǎn)單的文字?jǐn)⑹觯瑳](méi)有細(xì)節(jié)說(shuō)明，設(shè)計(jì)者必須對(duì)題目消化、理解，逐步明確并抽象出系統(tǒng)要完成的邏輯功能。

2.確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的總體方案，畫出系統(tǒng)方框圖。將系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能進(jìn)行分解，分成若干子功能模塊，并確定各功能模塊的操作順序和相互聯(lián)系，畫出系統(tǒng)的方框圖。

3.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元。明確數(shù)據(jù)處理單元的基本運(yùn)算和操作，它們可以是算術(shù)和邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、變換和傳送等。選用通用集成電路芯片實(shí)現(xiàn)其功能。

4.設(shè)計(jì)控制單元。根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行的操作及操作順序，確定控制單元的邏輯功能。在絕大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)中，控制單元是同步時(shí)序電路。

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例--三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)的功能

智力競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)要完成的邏輯功能如下:

第一步：主持人預(yù)置每組100分。

第二步：主持人按“準(zhǔn)備搶答”按鈕，宣布準(zhǔn)備搶答并述題。

第三步：判斷有無(wú)違章提前搶答者。如果有違章提前搶答者（選手搶答臺(tái)紅燈亮并發(fā)出聲音），則宣布本題失敗并做違章處理（如減分或口頭警告），然后返回第二步。如果沒(méi)有違章提前搶答者，則進(jìn)行第四步。

第四步：主持人按“開始搶答”按鈕，宣布開始搶答。

第五步：選手按自己的選手搶答臺(tái)上所設(shè)的“搶答”按鈕搶答。搶到答題權(quán)的選手搶答臺(tái)上所設(shè)的綠燈發(fā)亮并發(fā)出聲音，經(jīng)主持人允許后答題。

第六步：若選手答題正確，主持人宣布選手得分，并按“加10分”按鈕給選手加10分或者按“減10分”按鈕給選手減10分。

第七步：轉(zhuǎn)入第二步進(jìn)行下一題，或宣布搶答活動(dòng)結(jié)束。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

主持人選手得分二、確定系統(tǒng)的組成

整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包括主持人控制臺(tái)、選手搶答臺(tái)、選手計(jì)分器三部分。

主持人通過(guò)主持人控制臺(tái)上所設(shè)按鈕向選手搶答臺(tái)和選手計(jì)分器發(fā)送“預(yù)置分值”、“準(zhǔn)備搶答”、“開始搶答”、“加分”、“減分”等信號(hào)；

搶答選手通過(guò)選手搶答臺(tái)上所設(shè)按鈕發(fā)送“搶答”信號(hào)并封鎖競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的搶答器，同時(shí)向自己的計(jì)分器發(fā)出“計(jì)分允許”信號(hào)。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

三、主持人控制臺(tái)功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)1.功能規(guī)劃（1）主持人控制臺(tái)狀態(tài)和所需器件

主持人控制臺(tái)只有“準(zhǔn)備搶答”

S0和“開始搶答”S1兩個(gè)狀態(tài)，故只需一個(gè)觸發(fā)器FF0；此外需要設(shè)置“預(yù)置100分”按鈕(L)、“準(zhǔn)備搶答”按鈕(R)、“開始搶答”按鈕(S)、“加10分”按鈕(U)、“減10分”按鈕(D)，可用開關(guān)實(shí)現(xiàn)。（2）按鈕功能規(guī)定和信號(hào)形式L：同時(shí)將三個(gè)選手的計(jì)分器置成100分，選用帶低電平有效預(yù)置端的計(jì)數(shù)器構(gòu)成計(jì)分器，故信號(hào)形式為負(fù)脈沖。R：將本臺(tái)狀態(tài)觸發(fā)器FF0復(fù)位到S0狀態(tài)，同時(shí)將三個(gè)選手搶答臺(tái)置于初始狀態(tài)，信號(hào)形式為負(fù)脈沖。S：將本臺(tái)狀態(tài)觸發(fā)器FF0置位到S1狀態(tài)，再由FF0向三個(gè)選手搶答臺(tái)輸出搶答允許信號(hào)，信號(hào)形式為負(fù)脈沖。U：給競(jìng)答選手加10分，信號(hào)形式為正脈沖。D：給競(jìng)答選手減10分，信號(hào)形式為正脈沖。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)LRSUD2.電路設(shè)計(jì)

在Multisim平臺(tái)中畫出電路原理圖，F(xiàn)F0選用帶低電平預(yù)置和清零的D觸發(fā)器，將D端和CP端接地，構(gòu)成R-S觸發(fā)器。按鈕可以用單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)，每次操作必須連按兩次才可模仿一個(gè)按鈕。由于FF0在上電仿真時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入置位狀態(tài)S1，故在電路中加入0.1秒的延遲開關(guān)或延遲繼電器使FF0上電復(fù)位。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

三、主持人控制臺(tái)功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)1.選手搶答器的輸入和輸出信號(hào)及其含意（1）選手搶答器輸入信號(hào)應(yīng)包括：①主持人控制臺(tái)送來(lái)的“準(zhǔn)備搶答”信號(hào)，將選手搶答器復(fù)位到初始狀態(tài)，設(shè)為X0

，0有效；②主持人控制臺(tái)送來(lái)的“開始搶答”信號(hào)，允許競(jìng)答選手按搶答按鈕，設(shè)為X1，1有效；

③其它選手搶答器送來(lái)的“封鎖”信號(hào)，使本選手不能搶答，設(shè)其組合后為X2，0封鎖；④競(jìng)答選手按“搶答”按鈕形成搶答信號(hào)，在電路中作為時(shí)鐘信號(hào)CP，設(shè)為X3，負(fù)脈沖。（2）選手搶答器輸出信號(hào)應(yīng)包括：①“違章?lián)尨稹毙盘?hào)，用于點(diǎn)亮紅燈并使蜂鳴器發(fā)聲，設(shè)為Y0，1有效；②“搶答有效”信號(hào)，用于點(diǎn)亮綠燈，設(shè)為Y1，1有效；③“計(jì)分允許”信號(hào)，使主持人能對(duì)本選手加分或減分，設(shè)為Y2，1有效；④“輸出封鎖”信號(hào)，使其他競(jìng)答選手按搶答按鈕無(wú)效，設(shè)為Y3，1有效。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

XXXX四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程

選手搶答器應(yīng)至少具有三個(gè)狀態(tài)，一為初始狀態(tài)S0，二為違章?lián)尨鸷鬆顟B(tài)S1，三為有效搶答后狀態(tài)S2。根據(jù)題意可畫出原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

Si/Y0Y1Y2Y3X1X2S0/00000XS1/1011S2/11100111Q1

nQ0

nX1X2Q1

n+1Q0n+1Y0Y1Y2Y3000×0100001000111001××01101110××100111

從原始狀態(tài)表可知，計(jì)分允許信號(hào)Y2和輸出封鎖信號(hào)Y3始終相同，可以合并Y2和Y3。四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程

三個(gè)狀態(tài)的輸出各不相同，已不可化簡(jiǎn)，需要用兩個(gè)觸發(fā)器，選用雙JK觸發(fā)器74X112。然后進(jìn)行狀態(tài)分配，S0=00、S1=01、S2=10，設(shè)無(wú)關(guān)項(xiàng)為S3=11，并規(guī)定在任何輸入下其輸出全為0并且次狀態(tài)為S0。由此得驅(qū)動(dòng)函數(shù)和輸出函數(shù)真值表如表所示。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

Q1

nQ0

nX1X2Q1

n+1Q0n+1J1K1J0K0Y0Y1Y2000×010×1×00010000×0×11101×0×01××010××010110××10×00×01111××00×1×1000可寫出各輸出表達(dá)式四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

輸入封鎖信號(hào)X2為0時(shí)起封鎖作用，其他選手搶答器中任一個(gè)輸出封鎖信號(hào)為1時(shí)，X2都應(yīng)為0，故可用或非門實(shí)現(xiàn)。各驅(qū)動(dòng)信號(hào)表達(dá)式四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析所設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖所示。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

五、計(jì)分器功能和電路設(shè)計(jì)1.計(jì)分器應(yīng)具備基本功能

（1）計(jì)數(shù)范圍為000~990，以10為最小計(jì)數(shù)單位；（2）采用三位七段顯示數(shù)碼管顯示計(jì)分值；（3）可用預(yù)置脈沖將計(jì)數(shù)值預(yù)置成100分；（4）具有“計(jì)分允許”信號(hào)輸入端，該信號(hào)有效時(shí)方

可對(duì)本計(jì)分器進(jìn)行加分或減分操作；（5）具有“加10分”脈沖信號(hào)和“減10分”脈沖信號(hào)

輸入端。三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

五、計(jì)分器功能和電路設(shè)計(jì)2.電路設(shè)計(jì)

選用74X192構(gòu)成計(jì)分器電路如圖所示。

三路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)

六、整體連接和調(diào)試

在Multisim環(huán)境下將主持人控制臺(tái)、三路選手搶答器、三路計(jì)分器互相正確連接，加入必要的外部元件，