多路抢答器电路原理详析及其课程设计1_图文(精)

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,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 文件生成与打印输出;

(5 PCB 文件生成与打印输出。

3.编写设计报告

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 ........................................................... 5 2.1设计目的 .............................................................. 5 2.2总设计框图 ............................................................ 5 三、抢答器的组成框图 ..................................................... 6 3.1元器件的功能和作用 .................................................... 6 3.1.1、十进制可逆集成计数器 74LS192 ....................................... 6 3.1.2、 BCD-七段显示译码器 74LS48 .......................................... 7 3.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器 74LS121 ............................... 8 3.1.4、 8线 -3线优先编码器 74LS148 ......................................... 8 3.1.5、 555定时器 ......................................................... 9 四、抢答器的电路设计 .................................................... 10 4.1数字抢答器设计原理 ................................................... 10 4.2单元电路设计 ......................................................... 11 4.2.1抢答器电路 ......................................................... 11 4.2.2定时电路 ........................................................... 12 4.2.3报警电路 ........................................................... 13 4.2.4时序控制电路 ....................................................... 13 4.2.5总图 ............................................................... 14 五、电路设计总结和体会 .................................................. 15 参考文献: .............................................................. 15 附录 1................................................................... 16 附录 2................................................................... 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臵 , 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、复位装臵、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。

在这次的课程设计当中, 我们灵活运用 Protel 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,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

① 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。

②用数码管显示,正常抢答后显示抢到的队号,如果犯规则闪烁显示队号

③如果 3秒内没有抢答,则说明该题超时作废,用 0闪烁表示。

④复位键用于恢复犯规或超时状态

2.2总设计框图

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。

三、抢答器的组成框图

3.1元器件的功能和作用

3.1.1、十进制可逆集成计数器 74LS192

图一 74LS192逻辑符号

表一 74LS192功能表

① 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。 ② C r 为异步清 0端,高电平有效。

③ LD 为异步预臵控制端,低电平有效,当 C r =0、 LD =0时预臵输入端 D 、 C 、 B 、

A 的数据送至输出端,即 Q D Q C Q B Q A =DCBA 。

(M SB 

④ 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

74LS48

图二 74LS48引脚图

表二 74LS48功能表

① 要求输出 0~15时,灭灯输入(BI 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。

② 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。

③ 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 。 ④ 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。

⑤ 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

图三 74LS121引脚图

3.1.4、 8线 -3线优先编码器

74LS148

图四 74LS148引脚图

表四 74LS148 功能表

3.1.5、 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 V 才上升到 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 (Vi<1/3Vcc , 触发器发生翻转, 电路进入暂稳态, Vo 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, Vo 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的时间,即为输出电压 Vo 的脉宽 tw , tw=RCln3=1.1RC。

(a 电路图 (b 工作波形

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, 触发器又被臵位, Vo 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, T 截止, 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+R2C

当 Vc 上升到 2/3Vcc时, 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 (b 工作波形

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

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

4.2.1抢答器电路

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的 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, Y3处于一种输出状态, Yex 输出为 0,所以 1Q 输出为 1, 74LS48处于工作状态。根据 2Q , 3Q , 4Q 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,所以可以直接臵地。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。另一部分是可预臵时间的减计数器, 对于预臵端可以采用十进制 8421BCD 码设臵,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 脉冲的上升沿预臵数就开始自减, 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 预臵数最后变成 00, 最后在 BO2输出一个周期的负脉冲。 在时间未到时, BO2一直到是 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, 但此时的定时到信号还是 1。

4.2.3报警电路

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 Ω,电容是 100uf ,根据公式计算得到的 周期是 3秒。

4.2.4时序控制电路

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:

①主持人将控制开关拨到 " 开始 " 位臵时, 抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状 态。

②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。 ③当设定的抢答时间

4.2.5总图

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》…………… .. 

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(数字部分 》 康华光主编 高等教育出版社

附录 1 SCH 图： R20 25 0 CK 100¦¸ CK R21 71 0 100¦¸ CK R22 0 48 100¦¸ U4 A B 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 21 23 14 22 15 9 10 11 12 13 OG OF OE OD OC OB OA ~BI/RBO ~RBI ~LT D C B A VCC 0 15 14 72 74 76 92 73 75 81 13 12 11 10 9 15 14 49 52 57 59 50 56 58 13 12 11 10 9 15 14 ~LT ~RBI ~BI/RBO 16 OA OB OC OD OE OF OG 74LS48D ~LT ~RBI ~BI/RBO U6 74LS48D OA OB OC OD OE OF OG U7 74LS48D VCC 5V VCC A B C D 4 7 7 1 2 6 3 5 4 7 1 2 6 QA QB QC QD 3 2 6 7 A B C D 1Q1 1Q2 1Q1 1Q2 U3A 74LS279D ~1R2 38 40 39 41 U3B 74LS279D ~1R2 13 12 3 2 6 7 42 44 43 45 13 12 ~BO ~CO 4 ~1S1 ~1S2 ~1R1 ~1S3 7 QA QB QC QD ~1S1 ~1S2 ~1R1 ~1S3 ~BO ~CO 3 5 4 26 27 U16A 5 14 15 ~LOAD CLR ~LOAD CLR UP DOWN A B C D 15 1 10 9 11 14 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 GS EO 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 4 5 3 10 Q2 VCC LED1 2N2219 0 R13 R17 100k¦¸7k¦¸ 61 51 R12 55 200k¦¸ 53 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 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ 10k¦¸ VCC VCC 5V U19A 0 0 U18A 6 7404N 0 7400N C2 100nF 555_VIRTUAL U13A 74LS00D 54 VCC 5V VCC Q1 U5A 11 9 U21A 74LS04D R15 15k¦¸ VCC R19 1k¦¸ 8 VCC 135 U14 OUT 3 74LS11D 2N2219 C4 133 100uF 0 8 U15 138 4 R16 68k¦¸ U23A 7 74LS04D U22A 74LS00N 0 C3 100nF 136 137 7 6 2 5 RST DIS THR TRI CON GND 1 BUZZER 0 100 Hz 0 16 

附录 2 PCB 图： 1 14 10 9 8 7 6 10 9 8 7 6 10 9 8 7 6 9 8 2 2 8 2 13 10 7 7 2 1 2 8 7 2 3 12 2 11 6 9 6 9 6 10 4 11 12 5 5 1 10 5 1 5 10 13 4 11 4 1 11 4 1 12 6 9 1 3 14 3 M 13 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 6 3 16 15 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 8 9 10 11 12 13 14 15 16 14 2 9 6 1 10 5 1 2 3 4 11 4 8 7 6 5 2 12 3 9 8 13 2 8 1 14 7 10 7 8 7 8 7 8 7 14 1 1 2 3 4 9 2 13 6 11 6 9 6 9 6 9 6 1 10 3 12 5 12 5 10 5 10 5 10 5 11 4 11 4 13 4 11 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 13 2 13 2 14 7 2 2 2 2 2 2 2 2 1 8 16 1 14 1 14 1 14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 1 2 8 8 1 7 7 2A 1 9 9 6 6 10 10 7 6 5 4 3 2 1 14 13 12 11 10 9 8 1A 2 5 5 11 11 4 1 4 2 1 12 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