1、數(shù)字電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題題目：定時搶答器 專業(yè)班級 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 XXXXXXX 小組成員： XXXX 指導(dǎo)教師： XXXX 設(shè)計時間： 一、設(shè)計目的掌握譯碼器、十進(jìn)制加/減計數(shù)器的邏輯功能和工作原理，設(shè)計可預(yù)置時間的定時電路；分析與設(shè)計時序控制電路。畫出定時搶答器的整機(jī)邏輯電路圖，掌握智力搶答器的工作原理及其設(shè)計方法，并對各種元器件的功能和應(yīng)用有所了解。并能對其在電路中的作用進(jìn)行分析。另外還要掌握電路原理和分析電路設(shè)計流程，每個電路的設(shè)計都要有完整的設(shè)計流程。這樣才能在分析電路是有良好的思路，便于查找出錯的原因。二、設(shè)計要求設(shè)計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。 用數(shù)

2、字顯示搶答倒計時間，由“9”倒計到“0”時，無人搶答，蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時，數(shù)碼顯示選手組號，同時蜂鳴器響1秒，倒計時停止。 (1)4名選手編號為：1，2，3，4。各有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號對應(yīng)，也分別為1，2，3，4。(2)給主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。(3)搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，該選手編號立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號，同時揚(yáng)聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。(4)搶答器具有定時（9秒）搶答的功能。當(dāng)主持人

3、按下開始按鈕后，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時間，若無人搶答，倒計時結(jié)束時，揚(yáng)聲器響，音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間（9秒）內(nèi)搶答有效，搶答成功，揚(yáng)聲器響，音響持續(xù)1秒，同時定時器停止倒計時，搶答顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。(5)如果搶答定時已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報警（音響持續(xù)1秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。(6)可用石英晶體振蕩器或者555定時器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，作為定時計數(shù)器的CP信號。三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計1、設(shè)計方案搶答器具有鎖存、定時、

4、顯示和報警功能。即當(dāng)搶答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計時，同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計時到時的時候都有報警以提醒主持人和選手。搶答時間設(shè)定9秒，報警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答

5、、定時器顯示剩余時間。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)。2、系統(tǒng)框圖 當(dāng)主持人宣布開始，定時電路開始秒脈沖電路的作用而進(jìn)行倒記時，并通過譯碼器在顯示器中顯示。報警電路給出聲音提示。當(dāng)選手首先按某一開關(guān)鍵時，可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息，同時為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。若有多個開關(guān)同時按下時，則在它們之間存在著隨機(jī)競爭的問題，結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。如圖1.搶答按鈕觸

6、發(fā)器鎖存電路譯碼電路主持人控制開關(guān)控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路譯碼電路顯示電路顯示電路 圖1系統(tǒng)框圖3、方案比較方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡便，但實(shí)際在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時比較繁瑣難實(shí)現(xiàn)。方案2：采用D觸發(fā)器和譯碼器來完成搶答部分。雖然元件較多，但在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時可以簡單的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對比兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用搶答信號鎖存簡單實(shí)現(xiàn)的方案2。然后利用軟件Multisim來進(jìn)行仿真調(diào)試，再進(jìn)行逐步改進(jìn)。4、單元電路設(shè)計及元器件選擇（1）搶答電路 電路如圖2所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定74LS175的功能真值表即優(yōu)先

7、搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示選手編號；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無效。 圖2 搶答電路其工作原理為：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于“清除”時，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強(qiáng)制清零，輸入的搶答信號無效。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到“開始”時，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號和借位信號與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當(dāng)沒人搶答時，搶答信號為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當(dāng)一有人搶答時，搶答信號為高電平，并和U2的輸出信號和借位信號與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個上升沿，使得搶答信號經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過

8、譯碼器74ls48譯碼，把相應(yīng)的信號顯示在數(shù)碼管上。另外，當(dāng)選手松開按鍵后，D觸發(fā)器的Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復(fù)原來狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)選手回答完畢，主持人控制開關(guān)S是搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。 （2）定時電路 節(jié)目主持人通過按復(fù)位鍵來進(jìn)行搶答倒計時。如圖3。定時9秒，把74LS192對應(yīng)的9，10，1，15四個端子預(yù)置為“1001”。計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路555提供。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時，給74ls192一個低電平，從而開始倒

9、計時，每來一個脈沖信號進(jìn)行減計數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號時，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實(shí)現(xiàn)倒計時的停止。再按復(fù)位鍵時，再一次倒計時。圖3 定時電路（3）報警電路由74ls121和蜂鳴器構(gòu)成的報警電路，但仿真中沒有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡稱A1）來代替仿真，如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號和Q非的與信號和借位信號與在一起來提供的。當(dāng)其中一個信號為低電平時，使得A1得到一個下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。 圖4 報警電路（4）時序控制電路

10、 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能： 1）主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 圖5 搶答與定時時序控制電路2）當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 3）當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計的時序控制電路如圖5所示。 圖5中，U2與門74ls21作為搶答的控制信號；U12與門74ls11和U13與門74ls21的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止；U11與門74ls11的作用是控制74LS175的輸人脈端，U10的作用是控制74l

11、s121的輸入脈沖端。工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時，74LS175的輸出 Q！=1，U2輸出為1，借位信號為1，則U12輸出為1，使U13輸出為1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的時鐘輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則“定時到信號”為1，U11和U13的輸出為1，使 74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能（1）的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，Q！0，U2輸出為0，封鎖 CP信號，則U12輸出為0，使U13輸出為0，定時器停止倒計時處于保持工作狀態(tài)；同時,U11的輸出為1使D觸發(fā)器觸發(fā)而輸出信號 ，也使U10

12、輸出為0，給了74ls121一個上升沿，使74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平，從而實(shí)現(xiàn)功能（2）的要求。當(dāng)定時時間到時，則“定時到信號”為0，U10輸出為0，有給了74ls121一個下降沿，使 74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平，禁止選手進(jìn)行搶答。同時，U13輸出為0，封鎖 CP信號，使定時電路保持0狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能（3）的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。 （5）元器件列表 表1 序號 器件名稱 數(shù)量 備注 1 74LS175 1 D觸發(fā)器2 74LS192 1 同步減法計數(shù)器3 555定時器 1 連接成多諧振蕩與秒時鐘脈沖

13、4 74LS21 1 四腳與門5 74LS11 1 三腳門6 74LS48 2 譯碼器7 74LS121 1 單穩(wěn)態(tài)振蕩器8 開關(guān)按紐S 5 9 揚(yáng)聲器 1 10 BCD七段顯示器 2共陰極11電容 312電阻 913二極管6 5、四路搶答器總電路圖 圖6 總電路圖四、成品調(diào)試把電路焊好后，首先是對照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有幾個管腳沒接，于是細(xì)心地接上。然后用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路，但沒發(fā)現(xiàn)有虛焊等問題。下一步就接通電源調(diào)試，但電路完全沒反應(yīng)，然后用電源逐個模塊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳還沒接上，于是在對照電路圖細(xì)心地檢查，改進(jìn)后再進(jìn)行接電調(diào)試，先

14、測試脈沖的輸出，正常，如圖9和圖10。但下一步發(fā)現(xiàn)倒計時是從“6”開始，然后查找74ls192的相關(guān)資料才知道其輸出端不只是數(shù)字“9”才有“1001”出現(xiàn)，在“6”的時候也是這樣（我把“1001”兩邊的“1”用或門或在一起作為反饋信號），所以修改電路圖把74ls192的反饋信號改接到其借位信號輸出端，再進(jìn)行調(diào)試，這次欣喜地發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，最后完善一下電路，宣告成品大功告成。 圖9 555輸出脈沖 圖10 74ls121輸出脈沖五、設(shè)計過程中的問題和解決辦法（1）在設(shè)計方案時，遇到了信號不能鎖存的問題。經(jīng)過查找資料，了解如何通過D觸發(fā)器的輸出信號來反饋回D觸發(fā)器的脈沖端來進(jìn)行鎖存。（2）在仿

15、真時遇到了555不能仿真和沒仿真元件74ls121的問題。通過翻閱書本了解555如何準(zhǔn)確使用和上網(wǎng)搜索74ls121的代替元件來解決。（3）當(dāng)焊完電路調(diào)試時，數(shù)碼管沒顯示。于是對照電路圖來逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳沒接上。例如數(shù)碼管的接地端沒接地、74ls192的CLR腳沒接地等等。六、設(shè)計成品的優(yōu)點(diǎn)與不足優(yōu)點(diǎn)：元器件較少，功能滿足要求不足：（1）在設(shè)計時，用了D觸發(fā)器來進(jìn)行搶答信號的篩選和鎖存，在同時按下S0和S1時（其同時按下的幾率較小，其可精確到微秒甚至納秒級，但情況還是會存在的）會顯示“3”，而按S2時也會顯示“3”，所以顯示“3”的幾率大一點(diǎn)，但幾率很小。改良：可改用編碼器和鎖存器來代替D觸發(fā)器。（2）電路跳線較多，使得電路板外觀不好。改良：焊線路前應(yīng)細(xì)心考慮元件的排布和線路的連接。七、心得體會 這一課程設(shè)計使我們將課堂上的理論知識有了進(jìn)步的了解，并增強(qiáng)了對數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同時也暴露出我在知識上掌握不足等缺點(diǎn)。其次在此次設(shè)計過程中由于我們頻繁的使用一電子