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1、河南科技学院新科学院电子课程设计报告题目:多路数字抢答器专业班级:电气工程及其自动化091姓名：时间：指导教师：完成日期:2011年 06月15日多路数字抢答器设计任务书1. 设计目的与要求设计一个八位智力竞赛抢答器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求 所设计的电路具有以下功能：(1设计多组参赛的抢答器，每组设置一个抢答按钮；(2电路具有第一抢答信号鉴别与锁存功能，抢答成功后，显示组别、发出声响;(3设置犯规电路，对提前抢答或超时抢答的组别，显示组别、发出声响。2. 设计内容(1画出电路原理图，正确使用逻辑关系；(2确定元器件及元件参数；(3进行电路模拟仿真；(4 SCH文件生成与打印
2、输出；(5 PCB文件生成与打印输出。写出设计的全过程，附上有关资料和图纸,有总结体会。4.答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。目录一、引言：4二、总设计方案设计目 52.1的总设计框52.2图三.抢答器的组成框5图元器件的功能和作 6 3.1用 .十进制可逆集成计数器5 3.1.174LS192、.RCIH七段显示6译瞬74LS48不可重复触发集成单稳态触发器74LS121 龄.-3戋优先编码器74LS148、.555定肘.8 3.1.5器四、.抢答器的电路设9计数宇抢答器设计原. 10 4.1理单元电路设104.2计抢答器电114.2.1路定时电114.2.2路报警电12 4.2.3路时
3、序控制电13 4.2.4路总134.2.5图五、.电路设计总结和体14会参考文献: 152 17【摘要】抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所 使用的抢答器存在分立元件使用较多，造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展 要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢 答器是现代电子技术发展的要求。我们按照这一要求，并根据多种元器件八路锁存 器的功能特点，用CD4511、CD4068以及其他常用的电子元器件系列数字集成电 路设计出了一数码显示八路抢答器电路，该电路具有成本低、元器件容易得到、路 数多、数码直观显示、性能稳定等诸多优点，而且
4、该电路也可作数字集成电路应用 的一个范例，来作为学习使用数字集成电路之用。抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装锵，从原理上讲，它是一种典型的数字 电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。主要由选择电路、锁存电路、复位装 锵、编译显示电路等组成。我们围绕着这条主要思路想出了几个不同的具体方案进行对比分析，最后用最 简洁的电路实现了抢答功能。最终的设计方案的大致思路是这样的我们利用8个 按钮开关构成选择电路,利用二极管的开关特性将最先的按钮按下时所产生的信号 转换成数字信号，同时经过锁存电路将选择电路进行封锁（即其后按下的按钮无效， 不会产生信号然后经过译码电路最终从数码管中显示最先按下的按钮编号。
5、在这次的课程设计当中，我们灵活运用Prote和EWB仿真的知识，用PCB电 路制成了抢答器。【关键字】抢答器定时电路报警电路时序控制一、引言：各种智力竞赛越来越多，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有 时间的限制,到时间要告警。而抢答则要求参赛者作好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮,就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的,因此使 用抢答器来完成这一功能是很有必要的。我们这里所设计的抢答器是一种比较简易的抢答器，没有使用特别多的,复杂的 元器件。它的特点是电路简单、制作方便、操作简单、方便、性能可靠，实用于多 种智力竞赛活动。本抢答器的电路主要有四部分组成:数字
6、抢答电路、时序控制电 路、报警电路以及可以预制时间的定时电路。其中数字抢答部分有一个CD4511 译码器和LED数码管显示器组成，可以将八位抢答者的按钮通过CD4511译码驱动 LED数码显示管显示出他们最先抢答者的编号。而时序控制电路的功能是当参数 选手按抢答器时,使扬声器发声，这时抢答电路和定时电路停止工作。而且设定的时 间到后若无人抢答，则报警电路工作。报警电路是当设定的时间到达后或者有人抢 答时，报警电路被输入一个高电平，这时报警电路开始工作。二、总设计方案2.1设计目的 主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。 用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号,如果犯规则闪
7、烁显示队号 如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。 复位键用于恢复犯规或超时状态2.2总设计框图秒腕冲_ 产生空路K显电扩展电蹄说明:上图为该抢答器的总体框图，其工作原理是在接通电源的情况下,要进行 抢答之前，主持人需要将开关拨到 清除”状态，编号指示灯灭。抢答器处于禁止状 态，定时器也不会有显示时间:此时，主持人可以将开关拨到 开始”状态,宣布开始抢 答开始。定时器进行倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答过程完成，此次抢答结 束,在这个过程中，优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告 诉此次抢答结束。如果在规定时间内没有人抢答，到时间结束时就后发出报警声， 再次
8、抢答无效，比赛也会结束。三、抢答器的组成框图3.1元器件的功能和作用 3.1.、十进制可逆集成计数器74LS192Qc QbQaCP_c74LS192cp +CDC BA LD图一 74LS192逻辑符号CP+CP 一LDCrQdQcQbQaXXX10000XX00DcBA110加法计数110减法计数1110保持表一 74LS192功能表 该器件为双时钟工作方式，CP是加计数时钟输入，CP是减计数时钟输入, 均为上升沿触发，采用8421 BCD码计数。C r为异步清0端,高电平有效。 LD为异步预锵控制端，低电平有效，当C r =、0 LD =0时预锵输入端D、C、B、A的数据送至输出端,即Q
9、 D Q C Q B Q A =DCBA。(M SB 进位输出和借位输出是分开的。OC为进位输出，加法计数时，进入1001状态后有负脉冲输出，脉宽为一个时钟周期。OB为借位输出，减法计数时，进入0000状态后有负脉冲输出，脉宽为一个时钟周期。3.1.2 BCD-七段显示译码器+5v|74LS46 巾日口C B A74LS48图二74LS48引脚图珞 1IIIIH十进制RI/RRn成功能丽O CBAa b愉出lhlhlhlhlhlhlhtllhhllhhllhhllullllhhhhllllhhhllllllllhhhhhhhHxxxxxxxxxxxxxxhhhhhhhhhh0123456789
10、1 OH表二74LS48功能表要求输出015时，灭灯输入旧1必须开始时保持高电平。如果不灭，则动态 灭灯输入（RBI必须开路或为高电平。 将一低电平直接加于灭灯输入（BI时，则不管其他输入为任何电平，所有各段 输出都关闭。 当动态灭灯输入动态灭灯输出（BI/RBO开路或者保持高电平而试灯输入为 高电平时,所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（RBO处于低电平 响应条件。 当灭灯输入动态灭等输出（BI/RBO开路或者保持高电平而试灯输入为低电平时, 则所有各段都开通。 BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI或动态灭灯（RBO之用,或两者兼用。 3.1.3不可重复触发集成单稳态触发器74LS121
11、图三74LS121引脚图3.1.4 8线-3线优先编码器-VI 耍 YO YeK YST74LH48_ _ _JN7 INb IN5 IM fN3 IN2 虱E74LS148图四74LS148引脚图2 g & g i-VIYO YEK YST74LH48_JN7 IM IN5 IM 逾 IN?而普输A输出ST瓦瓦瓦*KEX1XXKKKXX11111011111111111100KKXXXK0000010戋KXKK01001010KZXX011010010&KZX0111011010KKX0111110001表四74LS148功能表5g&-HY2YOT74L140_ _1N7 INb I隔 IM
12、 (Ni IN2输人STUX1*T*1XXKKXX011111 13.1.5 555定时器(1单稳态触发器由555构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示,电源接通瞬间，电路有一个 稳定的过程，即电源通过电阻R向电容C充电，当V9上升到2/3Vcc时，Vo为低电 平，放电BJT T导通，电容C放电，电路进入稳定状态。若触发器输入端施加触发信号(Vi1/3Vcc触发器发生翻转，电路进入暂稳态, V。输出高电平，且BJT截止。此后电容C充电至Vc=2/3Vcc时，电路又发生翻转， V。为低电平，T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则Vc从零电平上升到2/3Vcc时间,即为输
13、出电压 V。的脉宽 tw , tw=RCln3=1.1RC(a电路图(庄作波形图五由555定时器构成的单稳态触发器(2多谐振荡器由555定时器构成的多谐振荡器如下图所示，其工作波形如b图所示。接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时触发器被复位，同 时放电BJT T导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc 下降到1/3Vcc时，触发器又被锵位，V。翻转为高电平。电容器C放电所需的时间 为t PL =0.7R2C当C发电结束时，TB止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc有 1/3Vcc 上升到2/3Vcc所需的时间为t PH =0.7(R1
14、+R2C当Vc上升到2/3VccB，触发器又发生翻转,如此周而复始，在输出端就得到一 个周期的方波，其频率为F=1.43/(R1+2R2 *C(a电路图(庄作波形主体电路一甘展电路-髓,r锁存器；L.-一一主括入 控制开关:秒腕冲 产生室路1 t .1摧髻屯路显示:秒脉冲定可产生宝路电坯尊码图六由555定时器构成的多谐振荡器四、抢答器的电路设计4.1数字抢答器设计原理:秒版冲 产牛里路图七数字抢答器总体框图说明:上图为该抢答器的总体框图，其工作原理是:在接通电源的情况下,要进行 抢答之前，主持人需要将开关拨到 清除”状态，编号指示灯灭。抢答器处于禁止状 态,定时器也不会有显示时间:此时，主持人
15、可以将开关拨到 开始”状态,宣布开始 抢答开始。定时器进行倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答过程完成，此次抢答结 束，在这个过程中，优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告 诉此次抢答结束。如果在规定时间内没有人抢答，到时间结束时就后发出报警声， 再次抢答无效,比赛也会结束4.2单元电路设计4.2. 抢答器电路口1:)1.1111 M74LS2T9J117IIE74L5J4B_14 B 12iiSDr?L4 .Jr?J-A -Jrtr4-1r4 -Ji4-L-lOOtoxB工作原理：如图，该电路实现两个功能:一是能够过分辨出选手按键的先后,并锁存优先抢 答者的编号，同时译码器显
16、示电路显示编号;二是禁止其他选手之后按键无效。工 作过程:当开关处于清除端时，74LS279 RS触发器段均为0信号，所以四个触发器 端均输出为0此时ST为0根据74LS148功能表可以看出，该芯片处于工作状态。 当开关达到开始”端时，抢答器处于等待工作状态，当有选手按下键时，及有一个输入 端为低电平，根据74LS148功能表可知，Y1, Y2, Y处于一种输出状态，Yex输出为 0,所以1Q输出为1, 74LS4处于工作状态。根据2Q , 3Q ,的输出，译码器将显 示第一个按下键的选手号码。并且此时1Q=1,使74LS148的ST=1,所以74LS148 处于禁止工作状态，封锁了其他键的再
17、次输入。因为只有8名选手,编号从0000到 0111,所以74LS48芯片的A3端不需要用到，所以可以直接锵地。如果没有选手按 键的话，七段显示译码器就会一直不亮，直到最后此次比赛结束4.2.2定时电路图九可预制时间的定时电路工作原理：如图所示，分为两个部分，一是秒脉冲，由555定时器构成的多谐振荡电路，根据 公式振荡周期为T=0.7(R1+2R2 C可计算出该振荡器的振荡周期为1秒，由于是矩 形脉冲，所以一个周期内发光二极管会发一次光。另一部分是可预锵时间的减计数 器,对于预锵端可以采用十进制8421BCD码设锵，当555振荡器发出一个脉冲时， 74LS192的CP端就接受一个信号，在cp脉
18、冲的上升沿预锵数就开始自减,当各位 减少到0时，BO2就会输出一个负脉冲，cp2就会开始减少1然后74LS192二开始再 自减1直到预锵数最后变成00,最后在BO2输出一个周期的负脉冲。在时间未到 时，BO2 -直到是输出正脉冲，除非最后变成00时,才会输出负脉冲，这就可以作为 定时到的信号,如果是时间到了，输出是零，时间不到,输出是1另外，假如有选手按 键的话，则最后不会计数器不会因为自减为00而最后输出负脉冲，而是应为秒脉冲 输出与1Q的非相与后当作脉冲输入74LS192的。当没有选手按键时，1Q的非为0, 所以cp脉冲就会停止输入，时间就会停止，所显示的时间就是该选手抢答的时间, 但此时
19、的定时到信号还是14.2身报警电路C2M lOOuFR4 f1510 QPR图十报警电路工作原理：该报警电路有555定时器和三极管构成，有555定时器构成一个多谐振荡器，其 输出信号可以经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，4端接高 电平，振荡器正常工作,当为低电平时，振荡器停止工作，不会发声。因为来一个高电平是该报警电路会发声，但是只有在一个周期内发声,这个周 期非常短，只是多谐振荡器的一个周期，只有一秒钟，所以中间需要加一个单稳态触发 器，根据555构成的单稳态触发器的功能原理，这样可以延长这个周期,是发声信号加 长，该定时器用到的电阻是30 k豌容是100uf根据公式计算
20、得到的周期是3秒。4.2. /时序控制电路C2N lOOuFVhh-R5j 1KQJ FR JE2 68KQ图十一时序控制电路工作原理：时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 主持人将控制开关拨到开始位锵时，抢答电路和定时电路进人正常抢答 工作状态。 当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。当 设定的抢答时间4.2. 总图4相iniHLS熊+5V%1C13535五、电路设计总结和体会数字电路课程设计眼看尘埃落定，感觉忍不住要长出一口气。其实，因为自己的 数字逻辑基础本来就不是很好，所以真要自己做课程设计，困难真的是很大，所以就和 别人一块做，虽然大家的成
21、果都很相似，不过我还是很惊喜,自己是这个成果的二分 之一。在这两周里，我们一起到图书馆查资料，借书，上网查东西，还有向别人讨教，真 的是很有趣的，不过最重要的是尝试到了合作的乐趣，真正体验到了大家一起交流的 乐趣,我们每人本来只有一个思想，交流后就有了两个思想。还有，和别人交流后,才 发现好多问题，知道了一个问题原来还有许多种解法，甚至为这些东西而感到不可思 议。同时感觉到了自己在思考问题时自己的疏漏之处，避免下次在考虑同样问题的 时候犯同样的错误。也许我们做的东西都是大同小异，不过这真的是加入了我们自己的想法,不管怎 样，结果怎样已然不再重要，关键是在这几日里，我们体会到了许多东西。重新投入
22、的振作。我们也在数日里的并肩作战中培养出了无与伦比的默契和深 厚的友谊。在这次课程设计过程中，我们掌握了书本以外的电子技术知识，培养了专心致志 的工作学习习惯，懂得了相互之间的理解与体谅，可谓获益匪浅。参考文献：1、电子技术基础数字部分.康华光2、电子技术课程设计.历雅萍、易映萍编高等教育出版社3、毕业典析.百度文库4、电子技术课程设计历雅萍、易映萍编高等教育出版社5、电子技术课程设计指导彭介华主编高等教育出版社6、电子线路设计、实验、测试谢自美主编华中理工出版社7、经典集成电路400例任致程主编机械工业出版社8、电子数字基础偻攵字部分康华光主编高等教育出版社附录 1 SCH 图：R20 25
23、 0 CK 100 CK R21 71 0 100 CK R22 0 48 100 U4 AB C D E F G VCC U2 5V 4 5 3 6 2 1 7 A B C D E F G U10 A B C D E FG U11 17 18 19 20 2123 14 22 15 9101112 13 OG OF OE ODOCOBOA BI/RBORBI LTD C BA VCC0 15 1472 74769273 75 81 13 12 11109 1514 49 525759 5056 58 13 12 1110 9 15 14 LT RBI BI/RBO 16 OA OB OC O
24、D OE OF OG 74LS48D LT RBIBI/RBO U6 74LS48D OA OB OC OD OE OF OG U7 74LS48D VCC 5V VCC A B CD 4 77 1 2 63 5 47 1 26 QA QB QC QD 3 26 7 ABC D 1Q1 1Q21Q1 1Q2 U3A74LS279D 1R238 403941U3B 74LS279D 1R2131232 6 7 424443 4513 12BO CO 4 1S1 1S2 1R1 1S3 7 QA QB QC QD 1S1 1S2 1R1 1S3 BO CO3 5 4 26 27 U16A 5 14
25、 15 LOAD CLR LOAD CLR UP DOWN A B C D 15 1 10 9 1114 15 1 10 9 11 14 29 VCC U1 74LS148D 5V VCC 24 9 7 6 5 4 A B C D 28 15k 7400N 2 U16B 4 7400N U17A 7404N 0 0 5V VCC 46 VCC VCC VCC A0 A1 A2 GSEO 5 4 UP DOWN 60 2 3 1 6 5 R14 U8 U9 74LS192D 2 3 1 6 5 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EI 5V 47 10 11 12 13 1 2 3
26、4 5 3 10 Q2 VCC LED1 2N2219 0 R13 R17 100k 7k 61 51 R12 55 200k53 C1 10nF 0 13 VCC 5V A1 VCC RST DIS THR TRI CON GND OUT VCC 5V U12A 74LS00D 12 1 R11 3k VCC VCC 5V 37 30 R1 31 R232 R333 R4 R5 R635 R7 R8 34 36 10k10k 10k 10k 10k 10k 10k 10k VCC VCC 5V U19A 0 0 U18A 6 7404N 0 7400N C2 100nF 555_VIRTUA
27、L U13A 74LS00D 54 VCC 5V VCC Q1 U5A 11 9 U21A 74LS04D R15 15k VCC R19 1k 8 VCC 135 U14 OUT 3 74LS11D2N2219 C4 133100uF 08U15138 4 R1668U23A774LS04D U22A 74LS00N 0 C3 100nF136 1377625 RST DISTHR TRICONGND1BUZZER 0 100 Hz 0 16附录 2 PCB 图：1 14 10 9 8 7 6 10 987610 9 8 7 6 9 8 2282 13107721287 2 3 12 2 1
28、1 6 96 9 6 10 4 1112 5 5 11051 5 10 134 11 41114 112691314313 2 12 3 7 8 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 15 2 13 2 16 1 14 1 14 8 7 1 2 2 1 2 2 9 615 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 10 5 1 1 11 4 1 8 7 6 5 12 3 8 7 13 1 2 3 4 5 6 7 811 1213 141516 1429 61 10 5 1 2 3 4 114 8 7 6 5 212398 13 2 8 1 14 7
29、10 787 8 714 1 1 23 4 9213 611 696 9 6 961 10 3 12 512510 5 10 5 10 5 114 11411 4 11 4 11 4 2 2 2 12 5 10 3 14 3 12 3 12 3 12 3 2 2 2 2 2 2 2 2 13 6 9 2 15 2 13 2 1 13 2 14 7 22 2 2 2 2 2 2 18 16114 1 14114 1 1 1 1 1 1111 1 1 1 1 1 1 11 11 32 8 81 7 72A1 9 966 1010 765 4 3 2114 13 12 1110981A 2 5 5 11 11 4 1 4212 12 3 3 13 13 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7 14 1 2 2 2 14 1 2 1 17
