1 / 11 数字电路课程设计报告设计课题题目：定时抢答器专业班级计算机科学与技术学号 XXXXXXX 小组成员： XXXX 指导教师： XXXX 设计时间：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页2 / 11 一、设计目的掌握译码器、十进制加/减计数器的逻辑功能和工作原理，设计可预置时间的定时电路；分析与设计时序控制电路。画出定时抢答器的整机逻辑电路图，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。并能对其在电路中的作用进行分析。另外还要掌握电路原理和分析电路设计流程，每个电路的设计都要有完整的设计流程。这样才能在分析电路是有良好的思路，便于查找出错的原因。二、设计要求设计一台可供4 名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。用数字显示抢答倒计时间，由“ 9”倒计到“ 0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1 秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1 秒，倒计时停止。(14名选手编号为： 1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。(2给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。(4抢答器具有定时 9 秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1 秒。参赛选手在设定时间如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警可用石英晶体振荡器或者555 定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的 CP信号。三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计1、设计方案抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定9 秒，报警响声持续1 秒。接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页3 / 11 设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。2、系统框图当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图1. 图 1 系统框图3、方案比较方案 1：采用 CD4511 芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。方案 2：采用 D触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件 Multisim来进行仿真调试，再进行逐步改进。4、单元电路设计及元器件选择1）抢答电路电路如图 2 所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定 74LS175的功能真值表即优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。抢答按钮触发器锁存电路译码电路主 持 人 控制开关控制电路报警电路秒 脉 冲 产生电路定时电路译码电路显示电路显示电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页4 / 11 图 2 抢答电路其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D 触发器的清零端为低电平，使D 触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时， D 触发器 Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D 触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门U11输出端为低电平给D 触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U11 输出端为高电平给D 触发器，于是D 触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经 D触发器触发锁存再经过译码器74ls48 译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后，D 触发器的Q 非前一状态为低电平，与在一起后给与门 U11,使得 U11的输出端为低电平给D触发器，则 D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S 是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。2）定时电路节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图3。定时 9 秒，把74LS192 对应的 9，10，1，15 四个端子预置为“ 1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路 555 提供。当复位开关按下时，给74ls192 一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页5 / 11 74ls192 的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。图 3 定时电路3）报警电路由 74ls121 和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有74ls121 ，因此用功能相同的 MONOSTABLE VIRTUAL后文简称 A1）来代替仿真，如图4 所示。其中A1的脉冲输入端是由复位信号和Q非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其中一个信号为低电平时，使得A1得到一个下降沿脉冲，从而使A1的 Q端输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会响一秒。反之，电路停振，蜂鸣器不响。图 4 报警电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页6 / 11 4）时序控制电路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”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页7 / 11 图 5 抢答与定时时序控制电路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）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5 所示。图 5 中，U2与门 74ls21 作为抢答的控制信号； U12与门 74ls11 和 U13与门 74ls21 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止； U11与门 74ls11 的作用是控制 74LS175的输人脉端， U10的作用是控制 74ls121 的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS175的输出Q！=1，U2输出为 1，借位信号为 1，则 U12输出为 1，使 U13输出为 1，则时钟信号 CP能够加到 74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为1，U11和 U13的输出为 1，使 74LS175 和74ls192 处于正常工作状态，从而实现功能1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时， Q！0，U2输出为 0，封锁 CP信号，则 U12输出为 0，使 U13输出为 0，定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,U11 的输出为 1 使 D触发器触发而输出信号，也使U10输出为 0，给了 74ls121 一个上升沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，U10输出为 0，有给了 74ls121一个下降沿，使 74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行抢答。同时， U13输出为 0，封锁 CP信号，使定时电路保持0 状态不变，从而实现功能 3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。5）元器件列表表 1 序号器件名称数量备注1 74LS175 1 D触发器2 74LS192 1 同步减法计数器3 555定时器1 连 接 成 多 谐 振荡 与 秒 时 钟 脉冲4 74LS21 1 四脚与门5 74LS11 1 三脚门6 74LS48 2 译码器7 74LS121 1 单稳态振荡器8 开关按纽S 5 9 扬声器1 10 BCD 七段显示器2 共阴极精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页8 / 11 11 电容3 12 电阻9 13 二极管6 5、四路抢答器总电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页9 / 11 图 6 总电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页10 / 11 四、成品调试把电路焊好后，首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现有几个管脚没接，于是细心地接上。然后用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路，但没发现有虚焊等问题。下一步就接通电源调试，但电路完全没反应，然后用电源逐个模块进行检查，发现有些管脚还没接上，于是在对照电路图细心地检查，改进后再进行接电调试，先测试脉冲的输出，正常，如图 9 和图 10。但下一步发现倒计时是从“6”开始，然后查找74ls192 的相关资料才知道其输出端不只是数字“9”才有“ 1001”出现，在“ 6”的时候也是这样我把“ 1001”两边的“ 1”用或门或在一起作为反馈信号），所以修改电路图把 74ls192 的反馈信号改接到其借位信号输出端，再进行调试，这次欣喜地发现功能已经实现了，最后完善一下电路，宣告成品大功告成。图 9 555输出脉冲图 1074ls121 输出脉冲五、设计过程中的问题和解决办法1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过 D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。2）在仿真时遇到了555 不能仿真和没仿真元件74ls121 的问题。通过翻阅书本了解 555 如何准确使用和上网搜索74ls121 的代替元件来解决。3）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74ls192 的 CLR脚没接地等等。六、设计成品的优点与不足优点：元器件较少，功能满足要求不足：1）在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和 S1时其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“ 3”，而按 S2时也会显示“ 3”，所以显示“ 3”的几率大一点，但几率很小。改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。2）电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。七、心得体会这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121 、74LS48 、74ls192 等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页11 / 11 中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。八、参考文献百度网站www.baidu.com数字电路技术基础 阎石）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页