数电课程教学设计报告-《八路数字抢答器》.doc

.- 数字电路课程设计 数字抢答器 设 计 报 告 姓 名： 学 号： 专 业： 电子信息工程系 指导教师： 2012年 04 月 18 日 八路数字抢答器 一、 设计目的及任务 1．设计的目的 通过八路数字抢答器的设计实验，要求大家回顾所学数字电子技术的基础理论和基础实验，掌握组合电路、时序电路、编程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握优先编码器、触发器、计数器、单脉冲触发器、555电路、译码/驱动电路的应用方法，熟悉掌握时序电路的设计方法。达到数字实验课程大纲所要求掌握的基本内容。 2.设计的任务及要求 （1）基本功能 ①设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参赛，他们的选号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号对应分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 ②给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。 ③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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持主持人将系统清零为止。 （2）扩展功能 ①抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。当节目支持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。 ②参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 ③如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。 二、 电路设计总方案及原理框图 1. 设计思路 （1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。 （2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。 （3）在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则计时指示灯灭表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。 2．总电路框图 电路总体框图如图1所示： 图1 总电路框图 三、单元电路工作原理 1．显示电路 此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。 使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于"清除"端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端＝ 0，使之处于工作状态。当开关S 置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148 优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端＝1， 5 所以74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。 抢答模块原理图如图2所示： 图 2 抢答模块原理图 （1）RS触发器： ①保持状态。当输入端接入==1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即==1时，触发器保持原状态不变。 ② 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。 ③置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。 ④不定状态。当==0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称==0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。 （2）74LS148优先编码器： 表1 74LS148真值表 输 入 输 出 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 74LS148的输入端和输出端低电平有效。如表174LS148真值表所示：~是输入信号，~为三位二进制编码输出信号，＝1时，编码器禁止编码，当＝0时，允许编码。是技能输出端，只有在＝0，而~均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在＝0而~的其中之一有信号时，＝0。~各输入端的优先顺序为：级别最高，级别最低。如果＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，＝000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。 图3 译码管电路 二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。 显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有74LS48、74LS47等。 字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。如图3所示，是七段LED数码管的引线图和显示数字情况。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。数码管常用型号有BS201、BS202等。图3是共阴式LED数码管的原理图，使用时，公阴极接地，7个阳极a~g由相应的BCD七段译码器来驱动。 2. 秒脉冲发生器电路 该部分主要由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192 减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。倒计时模块电路如图4所示： 图4 倒计时模块电路 由555定时器和三极管构成报警电路。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝ 1.43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。555定时器连接图如图5所示： 图 5 555定时器连接图 3．报警电路 控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。报警电路如图6所示： 图6 报警电路 四、 电路仿真 倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，总电路图如图7所示： 图7 总电路图 在BO1和BO2端放置示波器，BO1端仿真曲线如图8和BO2端仿真曲线图9所示： 计时器个位减到0时，BO1出现一个下跳；计时器十位减到0时，BO2出现一个下跳。 图8 BO1端仿真曲线 图9 BO2端仿真曲线 五、电路的安装及调试 电路在面包板上进行安装调试：接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。待命状态电路如图10所示： 图10 待命状态电路 若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（0～7），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。抢答显示如图11所示： 如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，LED灯熄灭，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效。蜂鸣器发出“滴……”的声音表示报警。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。计时锁定电路图如图12所示： 图 11 抢答显示 图12 计时锁定 六、实验结果 将检查好的电路加上5伏直流稳压电源后，显示选手编号的数码管显示7，按下复位键后，接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示29。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从29秒倒数，8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（0～7），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，LED灯熄灭，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效，且蜂鸣器发出。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。 结论 首先感觉学校、老师、同学及在这次试验中所有给过我帮助的人,最后的成功是离不开他们的。 1.用multisim软件仿真。虽然以前在模电、Protel课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。这是我第一次接触multisim软件，感觉它比Protel更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，但有时接线，因为不够细心，造成整个电路无法运行，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 2. 设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。 3，实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体。所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。 4.制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，这回是第一次使用面包板要一步一步来，需用大量的跳线。元件合理布局和走线及元件排版，排版时还要兼顾整体布局，是否恰当。我为了排版能好看，不让跳线交叉，为了这个目标，我排版时总是要在板上指指画画，思前顾后。在主体部分调试时，由于芯片的问题造成全线奔溃。在扩展部分调试时，由于不知74LS192的输入端悬空相当于接“1”，造成乱码。后来反复检测电路始终没找到问题所在，在与舍友的讨论中发现问题所在。最终调试成功，实现主体和扩展的功能。 参考文献 [1] 康华光.电子技术基础（第四版）. 北京：高等教育出版社，2003：55-97. [2] 李海. 74系列芯片手册.重庆：重庆大学出版社，1999:34-89. [3] 秦曾煌.电工学（下册），电子技术[M].北京：高等教育出版社，2004:118-192. [4] 李淑明， 朱名日. 电子电路实验教学模式的探索与实践.广西：科技信息，2009:13-56. [5] 黄洁.数字电路实验教学模式的探讨[J].湖北：人文社会科学版，2007：47-90. 附录 1.总电路图 图 附1-1 电路原理图