搶答器電路設(shè)計(jì)報(bào)告

搶答器電路設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-4"\h\z\u一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 2二、 設(shè)計(jì)的方案的選擇與論證 2三、 電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析 31．搶答電路的設(shè)計(jì) 32．定時(shí)電路的設(shè)計(jì) 63．報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 94．計(jì)分電路的設(shè)計(jì) 13四．電路仿真 141.仿真軟件的介紹 142.設(shè)計(jì)困難、解決方案 143.總電路的仿真 15五.總結(jié)及心得 17六.元器件表 17七.參考文獻(xiàn) 18設(shè)計(jì)任務(wù)和要求可容納八組參賽的數(shù)字式搶答器。電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別與保持功能。搶答優(yōu)先者聲光提示。回答計(jì)時(shí)與計(jì)分。設(shè)計(jì)的方案的選擇與論證我的設(shè)計(jì)選擇的是數(shù)字電路設(shè)計(jì)顯示電路鎖存器搶答按鈕優(yōu)先編碼電路顯示電路鎖存器搶答按鈕優(yōu)先編碼電路報(bào)警電路控制電路控制開關(guān)報(bào)警電路控制電路控制開關(guān)顯示電路定時(shí)電路秒脈沖產(chǎn)生電路顯示電路定時(shí)電路秒脈沖產(chǎn)生電路顯示電路計(jì)分電路顯示電路計(jì)分電路接通電源后，主持人將開關(guān)撥到"清零"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開關(guān)置;開始"狀態(tài)，宣布"開始"搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。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(guān)。電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析1．搶答電路的設(shè)計(jì)優(yōu)先編碼器是8線輸入3線輸出的二進(jìn)制譯碼器，其作用是將輸入I0~I7這8個(gè)狀態(tài)分別編成8個(gè)二進(jìn)制輸出。其功能如下表所示。由表中可看出74LS148的輸入為低電平有效。優(yōu)先級(jí)別從I7至I0遞降。另外它有輸入使能Ys和YEX。ST=0允許編碼，ST=1禁止編碼，此時(shí)輸出Y2Y1Y0=111Ys主要用于多個(gè)編碼器的級(jí)聯(lián)控制，即Ys總是接在優(yōu)先級(jí)別低的相鄰編碼器的ST端。當(dāng)優(yōu)先級(jí)別高的編碼器允許編碼，而無輸入申請(qǐng)時(shí)，Ys=0，從而允許優(yōu)先級(jí)別低的相鄰編碼器工作；反之若優(yōu)先級(jí)別高的編碼器有編碼時(shí)，Ys=1，禁止相鄰級(jí)別低的編碼器工作。YEX為輸出標(biāo)志位，YEX=0表示Y2Y1Y0是編碼輸出，YEX=1表示Y2Y1Y0不是編碼輸出。74LS148功能表74LS279管腳圖74LS279真值表74LS48管角圖搶答電路總電路圖2．定時(shí)電路的設(shè)計(jì)（1）搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如60秒）。當(dāng)主持人啟動(dòng)"開始"鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)。（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)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。在這段時(shí)間內(nèi)，如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器也就是說它只能記十個(gè)數(shù)從0000-1001（0-9）到9之后再來時(shí)鐘就回到0。首先是clk這是時(shí)鐘之后是rco這是輸出，MR是復(fù)位低電頻有效（圖上接線前面花圈的都是低電平有效），load是置數(shù)信號(hào)當(dāng)他為低電平時(shí)在始終作用下讀入D0到D3為了使160正常工作，ENP和ENT接1另外D0到D3是置數(shù)端Q0到Q3是輸出端74LS160真值表74LS192管腳圖74LS192是十進(jìn)制同步加減法計(jì)數(shù)器，具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其中的14端口MR是清零端，高電平有效，在MR=0時(shí)，立即清零。在MR=1時(shí)，若11端口（置數(shù)端）為低電平，即進(jìn)入置數(shù)狀態(tài)。只有在置數(shù)、清零端都無效時(shí)才可能進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)4號(hào)端口為高電平，而5號(hào)端口輸入脈沖時(shí)，進(jìn)行加計(jì)數(shù)。反之，則進(jìn)行減計(jì)數(shù)。功能真值表如下：74LS192真值表當(dāng)清除端CR為高電平“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其它功能。當(dāng)CR為低電平，置數(shù)端LD也為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端D0、D1、D2、D3置入計(jì)數(shù)器。當(dāng)CR為低電平，LD為高電平時(shí)，執(zhí)行計(jì)數(shù)功能。執(zhí)行加計(jì)數(shù)時(shí)，減計(jì)數(shù)端CPD接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由CPU輸入；在計(jì)數(shù)脈沖上升沿進(jìn)行

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碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。執(zhí)行減計(jì)數(shù)時(shí)，加計(jì)數(shù)端CPU接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由減計(jì)數(shù)端CPD輸入。此實(shí)驗(yàn)我們用到計(jì)數(shù)器由兩片74LS192

同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成。利用減計(jì)數(shù)RD=0,LD=0,CPD=1,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器按8421碼遞減進(jìn)行減計(jì)數(shù)。利用借位輸出端BO

與下一級(jí)的CPD連接,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器之間的級(jí)聯(lián)。利用預(yù)置數(shù)LD端實(shí)現(xiàn)異步置數(shù)。當(dāng)RD=0,且LD=0時(shí),不管CPU和CPD時(shí)鐘輸入端的狀態(tài)如何,將使計(jì)數(shù)器的輸出等于并行輸入數(shù)據(jù)即Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。對(duì)比74LS160和74LS192，74LS160是四位十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，直接清除，清除脈沖為低電平。有使能端P，使能端T，使能端為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿計(jì)數(shù)。有一個(gè)動(dòng)態(tài)進(jìn)位，高電平有效。74LS192是四位十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器。清除脈沖高電平有效。雙時(shí)鐘，即加計(jì)數(shù)時(shí)鐘和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘。有一個(gè)進(jìn)位，還有一個(gè)借位位，兩個(gè)位是低電平有效。而74LS160不能做減法，所以選擇74LS192做計(jì)數(shù)電路。3．報(bào)警電路的設(shè)計(jì)①施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器接通電源瞬間，電容C上的電壓為0V，輸出V0為高電平。V0通過電阻R對(duì)電容C充電，當(dāng)V1達(dá)到VT+時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平，此后電容C又開始放電，V1下降，當(dāng)V1下降到VT-時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始而形成振蕩。其輸入、輸出波形如下圖所示施密特觸發(fā)器多諧振蕩圖根據(jù)圖得電壓波形得到振蕩周期計(jì)算公式為當(dāng)采用TTL施密特觸發(fā)器（例如7414）時(shí)，考慮到輸入電路對(duì)電容充放電的影響，電阻R不能大于470Ω，以保證輸入端能夠達(dá)到負(fù)向閾值電平。R的最小值由門的扇出數(shù)確定（不得小于100Ω）。對(duì)于典型的參數(shù)值（VT-=0.8V,

VT+=1.6V，輸出電壓擺幅為3V）,最大可能的振蕩頻率為10MHz。②石英晶體多諧振蕩英晶體具有很好的選頻特性。當(dāng)振蕩信號(hào)的頻率和石英晶體的固有諧振頻率

相同時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號(hào)很容易通過，而其它頻率的信號(hào)則被衰減掉。因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時(shí)，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率f0，而與RC無關(guān)。另外，石英晶體不但頻率特性穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)Q很高，有極好的選頻特性。石英晶體的頻率穩(wěn)定度可達(dá)，可滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求。555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成報(bào)警電路如下圖所示，其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率，其輸出經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器，PR為控制信號(hào)，當(dāng)PR為高電平時(shí)，多諧振蕩器工作，反之電路停振。集成時(shí)基電路又稱為集成定時(shí)器或555電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時(shí)間延遲和多種脈沖信號(hào)的電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個(gè)5K阻，故取名555電路。555電路管腳圖555電路圖555電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)圖555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖555電路要求R1與R2均應(yīng)大于或等于1KΩ，但R1＋R2應(yīng)小于或等于3.3MΩ。由NE555構(gòu)成的多諧振振蕩器。接通電源后，電容C2被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電BJTT導(dǎo)通，此時(shí)V0為低電平，電容C通過R5和T放電，使Vc下降，當(dāng)下降至1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被置位，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R5和Rw、R4向電容器充電，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為：

f=1/(t1+t2)

f=1.44/(R1+2R2)C對(duì)比施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器，石英晶體多諧振蕩，555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器雖然可以得到穩(wěn)定的方波，但維持和轉(zhuǎn)換取決于輸入電壓的大小，而且電路復(fù)雜，不適宜簡(jiǎn)單的電路應(yīng)用。石英晶體多諧振蕩輸出的脈沖頻率穩(wěn)定，但是造價(jià)較高。相比之下選擇555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。4．計(jì)分電路的設(shè)計(jì)主要有74LS192減法計(jì)數(shù)電路，74LS00計(jì)數(shù)器等組成的電路。主持人按下開關(guān)開始搶答時(shí)，當(dāng)有選手搶到首答時(shí)，如果該選手答對(duì)，主持人控制開關(guān)加一分，反之，扣一分。每個(gè)人都有十分的基礎(chǔ)分，主持人根據(jù)他們的回答情況加分或減分。仿真電路圖如下四．電路仿真1.仿真軟件的介紹我選用仿真軟件multisim12.0，Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim界面直觀，操作方便，元器件和儀器的圖形與實(shí)物外形十分接近，且儀器的操作開關(guān)、按鍵也與實(shí)物極為相似。照總體電路圖在仿真軟件multisim12.0上一一選擇芯片并進(jìn)行連接，然后啟動(dòng)開關(guān)觀察。下面，我們分兩部分對(duì)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行multisim12.0仿真。我們將各部分電路在multisim12.0上連接好后，為各個(gè)電阻和電容選取適當(dāng)值，為各個(gè)開關(guān)設(shè)置好適當(dāng)?shù)逆I盤打開數(shù)值（例如，為某一開關(guān)設(shè)為1連接，則啟動(dòng)multisim12.0仿真按鈕后，在鍵盤上按1，則此開關(guān)就由斷開狀態(tài)變?yōu)檫B接狀態(tài)）然后打開multisim12.0的開關(guān)，即可根據(jù)顯示器上顯示的數(shù)字以及二極管的亮滅情況來判斷電路設(shè)計(jì)是否成功。2.設(shè)計(jì)困難、解決方案①由總電路可以看到，本次課程設(shè)計(jì)的接線十分之多，因?yàn)樵诮泳€時(shí)要十分細(xì)心，如果不小心就會(huì)接錯(cuò)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)體連接的過程中，每一步都小心翼翼地做。一條線接錯(cuò)或者一條線在過程中不小心被動(dòng)到，都有可能讓整個(gè)電路沒有反應(yīng)，所以每一步都必須要小心，沒有人希望重新連接一次，器件和線路實(shí)在是多，最好能夠先把電路劃分清晰，就是盡量明顯的把個(gè)各塊獨(dú)立的電路組成部分分開得明顯些，這樣就算接錯(cuò)了也可以大概檢查各塊輸出就知道哪里出問題，減少檢查的范圍和數(shù)量，更省時(shí)省力。②設(shè)計(jì)時(shí)要注意74系列要接入電源，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，我曾經(jīng)忘記了接電源。使得搶答器的無法正常顯示。在接線時(shí)，要看清楚管腳是16個(gè)腳還是14個(gè)腳，如果是16腳的，一定要接入電源。電源跟地一定要接對(duì)，有一次因?yàn)榻渝e(cuò)電源，浪費(fèi)了半個(gè)鐘頭。③555脈沖源時(shí)應(yīng)該用LED燈作顯示，測(cè)試脈沖信號(hào)輸出輸入情況，電阻在接入前要測(cè)試保證其可以正常工作。最好就是把輸出接在LED燈上，一直接線。一直觀察它的燈亮情況，直到它會(huì)正常閃爍為止。說明脈沖源正常工作。3.總電路的仿真當(dāng)主持人宣布開始搶答時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，選手開始搶答，當(dāng)有一個(gè)選手優(yōu)先搶答成功后，鎖存器鎖存。當(dāng)計(jì)時(shí)器到00時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示。圖為6號(hào)選手搶答時(shí)的仿真如下圖答題結(jié)束后，主持人根據(jù)選手的答題情況進(jìn)行加分或減分，以十分為基礎(chǔ)，對(duì)了加一分，錯(cuò)了扣一分，仿真圖如下五.總結(jié)及心得通過本次課程設(shè)計(jì)，把我們?cè)谡n堂上學(xué)到的數(shù)字電路知