智力競(jìng)賽搶答器-銅陵學(xué)院數(shù)電課程設(shè)計(jì)

2012~2013學(xué)年第2學(xué)期《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：智力競(jìng)賽搶答器專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：電氣工程系2011、任務(wù)書(shū)課題名稱智力競(jìng)賽搶答器指導(dǎo)教師〔職稱〕〔講師〕執(zhí)行時(shí)間2012~2013學(xué)年第2學(xué)期第14周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承當(dāng)任務(wù)定時(shí)模塊電路設(shè)計(jì)總體電路設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)搶答模塊設(shè)計(jì)定時(shí)電路設(shè)計(jì)搶答電路設(shè)計(jì)總體電路調(diào)試電路仿真運(yùn)行設(shè)計(jì)目的按照設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)智力競(jìng)賽搶答器，通過(guò)本課程設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素質(zhì)、工程意識(shí)和創(chuàng)新精神。使我們?cè)凇稊?shù)字電子技術(shù)》根本知識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)、水平諸方面得到全面提高，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技術(shù)人才打下重要根底。設(shè)計(jì)要求1、四組參賽者在進(jìn)行搶答時(shí)，當(dāng)搶答者按下面前的按鈕時(shí)，搶答器都能準(zhǔn)確地判斷出搶先者，并顯示相應(yīng)的組號(hào)。2、搶答器應(yīng)具有互鎖功能，某組搶答后能自動(dòng)封鎖其它各組進(jìn)行搶答。3、系統(tǒng)應(yīng)具有一個(gè)總復(fù)位開(kāi)關(guān)。4、安裝自己設(shè)計(jì)的電路。5、運(yùn)用仿真軟件繪制設(shè)計(jì)電路圖。摘要本次課程設(shè)計(jì)使我們?cè)凇稊?shù)字電子技術(shù)》根本知識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)、水平諸方面得到全面提高，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才打下重要根底。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)可培養(yǎng)和提高學(xué)我們的科研素質(zhì)、工程意識(shí)和創(chuàng)新精神。真正實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)際動(dòng)手能力相結(jié)合的教學(xué)改革要求。本報(bào)告設(shè)計(jì)的四路智力競(jìng)賽搶答器電路主要采由74系列常用集成電路組成，涉及到觸發(fā)器、編碼器、加法器、555定時(shí)器和RC電路組成的多諧振蕩電路。該搶答器具有根本的搶答功能，當(dāng)一輪搶答開(kāi)始后，首先搶答的人由觸發(fā)器保持狀態(tài)并阻止其他任何選手輸入狀態(tài)，此次設(shè)計(jì)的搶答器在選手輸入信號(hào)后先經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器，再經(jīng)過(guò)優(yōu)先編碼器編碼，所有選手沒(méi)有優(yōu)先級(jí)之分，真正做到比賽的公平公正性。主持人可以通過(guò)控制按鈕結(jié)束本輪的搶答并可以從新開(kāi)始下一輪搶答。本次設(shè)計(jì)的搶答器運(yùn)用74HC175上升沿D觸發(fā)器記錄第一個(gè)搶答人的狀態(tài)；運(yùn)用八輸入與非門(mén)74LS30D控制觸發(fā)器的工作，從而使第一個(gè)搶答者的狀態(tài)保持，而其他人無(wú)法再搶答。電路中需要的時(shí)鐘信號(hào)由555多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞:搶答器觸發(fā)器555時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器目錄第一章設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2第二章設(shè)計(jì)思路及總體框架圖32.1總體設(shè)計(jì)方案32.2方案特點(diǎn)及流程3第三章單元電路設(shè)計(jì)43.1系統(tǒng)總體電路43.2電路所需原元件53.3搶答電路設(shè)計(jì)103.4時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)113.5電路仿真13第四章參考電路及說(shuō)明14總結(jié)15參考文獻(xiàn)16第一章設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本次設(shè)計(jì)的題目：智力競(jìng)賽搶答器1.設(shè)計(jì)要求〔1〕、四組參賽者在進(jìn)行搶答時(shí)，當(dāng)搶答者按下面前的按鈕時(shí)，搶答器都能準(zhǔn)確地判斷出搶先者，并顯示相應(yīng)的組號(hào)?！?〕、搶答器應(yīng)具有互鎖功能，某組搶答后能自動(dòng)封鎖其它各組進(jìn)行搶答?！?〕、系統(tǒng)應(yīng)具有一個(gè)總復(fù)位開(kāi)關(guān)?！?〕、安裝自己設(shè)計(jì)的電路?！?〕、運(yùn)用仿真軟件繪制設(shè)計(jì)電路圖〔如proteus，Multisim〕。2.提高局部〔1〕、搶答者犯規(guī)或違章〔主持人未說(shuō)‘開(kāi)始搶答’時(shí)，參賽者搶先按鈕〕時(shí)，應(yīng)自動(dòng)發(fā)出警告信號(hào)，以指示燈光閃為標(biāo)志?！?〕、搶答器應(yīng)具有限時(shí)功能，搶答時(shí)限時(shí)為30秒。3.設(shè)計(jì)提示〔1〕、可用觸發(fā)器、鎖存器或編碼器判斷第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存，在得到第一信號(hào)之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，同時(shí)還必須注意，第一搶答信號(hào)應(yīng)在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效?！?〕、當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，或用發(fā)光二極管直接指示出組別。同時(shí)控制音頻振蕩器工作?！?〕、限時(shí)及顯示電路可多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示電路組成。第二章設(shè)計(jì)思路及總體框架圖2.1總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)組成框圖：號(hào)碼顯示譯碼器鎖存模塊號(hào)碼顯示譯碼器鎖存模塊搶答模塊搶答模塊蜂鳴器聲音模塊主持人控制模塊蜂鳴器聲音模塊主持人控制模塊時(shí)間顯示脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器譯碼器時(shí)間顯示脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器譯碼器〔1〕、搶答器為四路；〔2〕、顯示出最先搶答器的號(hào)碼；〔3〕、帶裁判員啟動(dòng)控制按鈕；〔4〕、裁判員啟動(dòng)后，30秒后無(wú)選手搶答，搶答器停止工作〔應(yīng)顯示30秒遞減時(shí)間〕，并有“滴滴”提示音?！?〕、選手搶容許有提示音2.2方案特點(diǎn)及流程〔1〕中心模塊主要是搶答模塊和控制模塊。此搶答系統(tǒng)由蜂鳴器發(fā)出的聲音和顯示器的數(shù)字顯示。并在搶答完成時(shí)控制模塊停止時(shí)間和發(fā)出聲響。〔2〕在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要到達(dá)互鎖的功能，即一人搶答后其他人就不能搶答?！?〕搶答時(shí)間結(jié)束時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響，并終止搶答。系統(tǒng)工作流程：〔1〕選手經(jīng)搶答模塊搶答由鎖存模塊控制搶答，并顯示搶答選手號(hào)碼，另外蜂鳴器發(fā)出聲響，時(shí)間計(jì)數(shù)停止保持?！?〕主持人控制搶答的復(fù)位、開(kāi)始?！?〕脈沖信號(hào)提供計(jì)數(shù)信號(hào)，由控制模塊控制搶答時(shí)間的停止保持。第三章單元電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體電路圖3.1電路說(shuō)明〔1〕zhchr為主持人控制輸入端，1、2、3、4為四位選手輸入端，qianda為搶答鎖存以及譯碼電路生成的模塊，30為30進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器電路生成的模塊，fmqi為蜂鳴器控制電路生成的模塊，zhdq為2hz振蕩信號(hào)輸入端，1khz為2hz頻率信號(hào)輸入端，a1、a2、a3為顯示搶答選手號(hào)碼的數(shù)碼管連接端，b1、b2、b3、b4為顯示個(gè)位數(shù)碼管連接端，c1、c2、c3、c4為顯示十位的數(shù)碼管連接端?！?〕當(dāng)主持人啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)〔輸入高電平〕計(jì)數(shù)器開(kāi)始由30倒計(jì)時(shí)，如果選手搶答那么顯示搶答選手號(hào)碼，計(jì)數(shù)器停止并保持顯示搶答時(shí)間，另外，蜂鳴器發(fā)出滴滴的響聲提示有人搶答；如果沒(méi)人搶答，那么計(jì)數(shù)器到00時(shí)，蜂鳴器發(fā)出滴滴的聲響，搶答系統(tǒng)終止搶答?！?〕每次搶答結(jié)束后，主持人重新復(fù)位開(kāi)關(guān)，再次啟動(dòng)后才可進(jìn)行搶答。圖圖整個(gè)電路仿真圖3.2電路所需原元件在這次設(shè)計(jì)的用于競(jìng)賽的搶答器，電路圖時(shí)很簡(jiǎn)單，組成器件應(yīng)該說(shuō)都是數(shù)電和模電中很常見(jiàn)的。關(guān)于模電中用到的器件主要是三極管、發(fā)光二極管以及電容等。在模電中主要學(xué)習(xí)了三極管的放大功能和開(kāi)關(guān)作用，而在這次設(shè)計(jì)的電路中，主要是運(yùn)用了三極管的開(kāi)關(guān)作用。圖圖3.2NPN三極管1三極管三極管的三種工作狀態(tài)：1當(dāng)、、β三極管正向?qū)?，此時(shí)工作在放大狀態(tài)；2當(dāng)、、>/β時(shí)，三極管工作在保和區(qū)；3當(dāng)、時(shí)，三極管工作在截止區(qū)。其中三極管的開(kāi)關(guān)作用就是利用了它的2、3兩點(diǎn)性質(zhì)。圖圖三極管而這次主要用到的器件都是來(lái)自數(shù)電中，比方：觸發(fā)器、邏輯門(mén)、譯碼器、數(shù)碼管以及555定時(shí)器等。而在使用中各個(gè)器件也不是獨(dú)立工作。2.JK觸發(fā)器圖JK觸發(fā)器圖JK觸發(fā)器管JK出觸發(fā)器如圖功能有：⑴主從JK觸發(fā)器具有置位、復(fù)位、保持〔記憶〕和計(jì)數(shù)功能；=2\*GB2⑵主從JK觸發(fā)器屬于脈沖觸發(fā)方式，觸發(fā)翻轉(zhuǎn)只在時(shí)鐘脈沖的負(fù)跳變沿發(fā)生；=3\*GB2⑶不存在約束條件，但存在一次變化現(xiàn)象。=4\*GB2⑷產(chǎn)生一次變化的原因是因?yàn)樵贑P=1期間，主觸發(fā)器一直在接收數(shù)據(jù)，但主觸發(fā)器在某些條件下〔Q=0，CP=1期間J端出現(xiàn)正跳沿干擾或Q=1，CP=1期間K端出現(xiàn)正跳沿干擾〕，不能完全隨輸入信號(hào)的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，以至影響從觸發(fā)器狀態(tài)與輸入信號(hào)的不對(duì)應(yīng)。此次用3個(gè)JK觸發(fā)器主要是構(gòu)成三位二進(jìn)制倒計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器，其中前一個(gè)JK觸發(fā)器的Qn端接下一個(gè)JK觸發(fā)器CP端。CLR接主持人控制端。3.555定時(shí)器圖圖3.2.3555定時(shí)器集成555定時(shí)器是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路,因集成電路內(nèi)部含有3個(gè)5千歐電阻而得名,在控制、定時(shí)、檢測(cè)、放聲、報(bào)警等方面有著廣泛的應(yīng)用。而這次是將555夠成一個(gè)多諧振蕩器。4.D觸發(fā)器圖)D觸發(fā)器圖)D觸發(fā)器D觸發(fā)器如圖，其功能有：⑴D觸發(fā)器具有接收并記憶信號(hào)的功能，又稱為鎖存器。=2\*GB2⑵D觸發(fā)器屬于脈沖觸發(fā)方式。=3\*GB2⑶D觸發(fā)器不存在約束條件和一次變化現(xiàn)象，抗干擾性能強(qiáng)，工作速度快。圖b)原理圖此D觸發(fā)器又叫維持——阻塞邊沿觸發(fā)器，該觸發(fā)器有六個(gè)與非門(mén)組成，其中啊a和b構(gòu)成根本RS觸發(fā)器下面分析其工作原理：Sd和Rd接至根本RS觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預(yù)置和清零端，低電平有效。當(dāng)Sd=0且Rd=1時(shí)，不管輸入端D為何種狀態(tài)，都會(huì)使Q=1，=0,即觸發(fā)器置一；當(dāng)Sd=1且Rd=0時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)為0，Sd和Rd通常又稱為直接置1和置0端。工作過(guò)程如下：=1\*GB3①、CP=0時(shí)，與非門(mén)c和g封鎖，其輸出c=e=1，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。同時(shí)，由于c至f和e至g的反應(yīng)信號(hào)將這兩個(gè)門(mén)翻開(kāi)，因此可接收輸入信號(hào)D，f=，g==D。=2\*GB3②、當(dāng)CP由0變1時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。這時(shí)c和e翻開(kāi)，它們的輸出c和e的狀態(tài)由f和g的輸出狀態(tài)決定。C==D，e==。由根本RS觸發(fā)器的邏輯功能可知，Q=D。=3\*GB3③、觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，在CP=1時(shí)輸入信號(hào)被封鎖。C和e翻開(kāi)后，它們的輸出c和e的狀態(tài)是互補(bǔ)的，即封鎖了D通往根本RS觸發(fā)器的路徑；該反應(yīng)線起了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用，故該反應(yīng)線稱為置0維持線，置1阻塞線。e為0時(shí)，將c和g封鎖，D端通往根本RS觸發(fā)器的路徑也被封鎖。維持阻塞D觸發(fā)器狀態(tài)方程和狀態(tài)真值表如下：表5.1D觸發(fā)器真值表SdRdCPD10×××001111↑00011↑01011↑10111↑111通過(guò)對(duì)D觸發(fā)器的解釋，可以大致看出該搶答器的工作流程，其核心就是該D觸發(fā)器。當(dāng)主持人宣布開(kāi)始搶答時(shí)，將開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，選手迅速按鍵，假設(shè)選手1首先按下?lián)尨疰I，此時(shí)一號(hào)就輸入一個(gè)相當(dāng)于上升沿的脈沖使D1輸出高電平同時(shí)將該高電平信號(hào)傳送給或非門(mén)，通過(guò)或非門(mén)的判斷將信號(hào)輸送到其它選手的D觸發(fā)器的R端并將其鎖定使其無(wú)法輸出信號(hào)。5.74ls148圖)管腳圖74ls148guanjiaotu圖)管腳圖74ls148guanjiaotu圖b〕原理圖圖c)管腳圖74ls148guanjiaotu圖c)管腳圖74ls148guanjiaotu3.3搶答電路設(shè)計(jì)這個(gè)搶答器設(shè)計(jì)成可供四個(gè)人搶答使用，它的組成器件有：D觸發(fā)器〔74LS279〕、四個(gè)或非門(mén)以及用于起提示作用的發(fā)光二極管、電阻和揚(yáng)聲器等。原理圖如下圖圖原理圖74ls148guanjiaotu圖3.3.23.4時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)考慮到搶答電路中運(yùn)用到了上升沿觸發(fā)器74HC175，需要時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作，在multisim仿真中可以用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生需要的時(shí)鐘信號(hào)，也可以利用555集成電路和RC震蕩電路組成多諧振蕩器，選取一定參數(shù)的電阻和電容就可以產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的搶答器主要采用555集成電路作為信號(hào)發(fā)生器。555定時(shí)器有TTL型和CMOS型兩類產(chǎn)品，它們的功能和外部引腳排列完全相同。555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖如下，它由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比擬器C1和C2、根本RS觸發(fā)器、放電BJT以及緩沖器G組成。定時(shí)器的主要功能取決于比擬器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJTT的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Vo為低電平。因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。圖555原理圖圖555原理圖由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，比擬器C1和C2的比擬電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。當(dāng)VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，比擬器C1輸出低電平，比擬器C2輸出高電平，根本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端Vo為低電平。當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc時(shí)，比擬器C1輸出高電平,比擬器C2輸出輸出低電平，根本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管截止，輸出端Vo為高電平。當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，根本RS觸發(fā)器R=1、S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路以保持原狀態(tài)不變。表5.2555功能表輸入輸出閥值輸入〔VI1〕R出發(fā)輸入〔VI2〕S復(fù)位〔Rd〕輸出〔Vo〕放電管T××00導(dǎo)通<2/3Vcc1<1/3Vcc011截止>2/3Vcc0>1/3Vcc110導(dǎo)通<2/3Vcc1>1/3Vcc11不變不變圖電路仿真圖3.5電路仿真所有模塊都已經(jīng)完成，就可以開(kāi)始進(jìn)行電路的調(diào)試和運(yùn)行。下列圖表示第三組選手在第21秒時(shí)搶成功。圖3.5電路運(yùn)行圖第四章參考電路及說(shuō)明1.計(jì)數(shù)局部每組均有8421碼撥碼開(kāi)關(guān)KS－１，完成分?jǐn)?shù)的增和減，每組為三位個(gè)，十，百位，每位可以單獨(dú)進(jìn)行加減。例如：100分加“10”分變?yōu)?10分，持續(xù)按動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)視為“＋”號(hào)一次；假設(shè)加“20”分。假設(shè)減分，方法相同，即按動(dòng)“－”號(hào)就能完成減數(shù)記分。2.判分電路這局部電路由RS觸發(fā)器完成，CD4043位三態(tài)RS鎖存觸發(fā)器，當(dāng)S1按下時(shí)，Q1為1，這是或非門(mén)74LS25為低電平，封鎖了其它阻的輸入。Q1為1，使D1發(fā)光管發(fā)亮，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)音響電路鳴叫，實(shí)現(xiàn)聲，光的指示。輸入端采用了阻容方法，以防治開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。3.定時(shí)電路當(dāng)進(jìn)行搶答或必答使，主持人按動(dòng)單次脈沖啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，使定時(shí)數(shù)據(jù)置入計(jì)數(shù)器，同時(shí)使JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)〔Q=1〕,定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)定時(shí)，定時(shí)指示燈亮。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，即減法計(jì)數(shù)器為“00”時(shí)，B0為“1”，定時(shí)結(jié)束，這是去控制音響電路鳴叫，并滅掉指示燈〔JK觸發(fā)器的Q＝1，Q＝0〕。4.音響電路音響電路中，f1和f2為兩種不同的音響頻率，當(dāng)某組搶答時(shí)，應(yīng)為多音，某時(shí)序應(yīng)為間斷音頻輸出。當(dāng)定時(shí)到，應(yīng)為單音，其時(shí)序應(yīng)為單音頻輸出，時(shí)序所示。圖4.1音響電路波形圖總結(jié)