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1、数字电子技术 课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：数字抢答器设计 设计内容：1、设计一个可同时供6位选手参加的6路数字显示抢答器，选手每人一个抢答按钮，抢答开始后，抢答器具有优先抢答的功能，最先抢答成功的选手编号能被显示，并有音响提示，当有选手抢答成功时，禁止其他选手抢答，直到主持人将系统清零为止；2、主持人有控制开关，可以手动清零复位，当主持人按下开始按键是才可以抢答，显示倒计时9秒，在规定时间抢答有效，同时倒计时停止，直到主持人将系统清零为止。3、如果抢答时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，禁止选手超时后抢答。设计要求： 1、根据任务要求设计中的各个电路模块； 2、给出m
2、ultisim仿真结果； 3、设计说明书要包含设计总结；二、设计原始资料Multisim仿真软件三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）1、课程设计说明书2、multisim仿真图四、进程安排2014-7-72014-7-9根据设计要求设计电路，并用multisim进行仿真2012-7-102012-7- 11撰写课程设计说明书，答辩五、主要参考资料1.王鸿明，段玉生.电工与电子技术.高等教育出版社，2009.122.阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2009.23.吴俊芹.电子技术实训与课程设计.机械工业出版社，2009.4指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成
3、绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）说明书（20分）设计成果（40分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定 指导教师签名： 年 月 日目 录1引言12 仿真软件介绍22.1 Multisim发展简介22.2 Multisim 13概述22.3 使用注意事项23 系统的组成及工作原理33.1系统的组成33.2系统的工作原理34单元电路设计44.1抢答电路的设计44.2定时电路的设计54.3 报警电路的设计74.4 时序电路的设计74.5相关元器件的介绍84.5.1 74LS148优先编码器84.5.3 十进制同步加减计数器74LS
4、19094.5.4 74LS48译码器105 系统仿真与测试125.1仿真步骤125.2仿真结果及分析126 心得体会15参考文献16附录元件清单17附录总体电路181 引言随着社会的发展抢答器作为一种工具已经广泛应用于各种智力竞赛场合。此次设计以六路抢答器为基本概念，从实际应用出发，利用逻辑电路基础，由抢答电路、倒计时电路、报警电路组成。实现能同时供6人抢答的电路。该抢答器的设计利用Multisim完成了原理图设计和电路仿真，具有数字显示、倒计时显示、编码译码功能。数字系统课程设计是一门独立课程、有独立学分的实践性教学环节，同“数字逻辑与数字系统”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的
5、作用，也是在“数字逻辑与数字系统”课的基础上，进一步深化的实践环节。其主要目的是通过指导学生循序渐进地独立完成数字电路的设计任务，加深学生对理论知识的理解，提高学生的动手能力，独立分析、解决问题能力，协调能力和创造性思维能力。提高学生在数字电路应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力，学生通过电路的设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，本课程设计培养、启发学生的创造性思维，进一步理解数字系统的概念，掌握小型数字系统的设计方法，掌握小型数字系统的组装和调试技术，掌握查阅有关资料的技能
6、。通过本次设计，加强学生的团结合作意识，提高独立解决问题的能力；通过指导学生循序渐进地独立完成数字电路的设计任务，加深学生对理论知识的理解，提高学生的动手能力，独立分析、解决问题能力，协调能力和创造性思维能力。提高学生在数字电路应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力，学生通过电路的设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，本课程设计培养、启发学生的创造性思维，鼓励学生开拓创新，为以后走向社会打下坚实基础；同时进一步理解数字系统的概念，掌握小型数字系统的设计方法，掌握小型数字系统的组装
7、和调试技术，掌握查阅有关资料的技能。2 仿真软件介绍2.1 Multisim发展简介工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2.2 Multisim 13概述Multisim10是美国NI公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟、数字电路板的设
8、计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。此软件可以为你提供以下便利：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路； 通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试； 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间； NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即
9、创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中。2.3 使用注意事项不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机；删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下；注意数字地与模拟地的差别，使用标
10、准符号；LED数码管的极性；分模块调试，最后综合调试。3 系统的组成及工作原理3.1系统的组成框图定时抢答器的总体框图如下图3-1：图3-1 系统组成图抢答按钮锁存器编码器主持人控制开关控制电路计时器秒脉冲产生电路计分电路译码显示数码管显示显示驱动器译码显示报警电路3.2系统的工作原理抢答器由输入电路，判别电路，显示电路，秒脉冲发生器，计时电路和报警电路等组成。计数器选用十进制减法计数器，计数输入由秒脉冲发生器提供。电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定
11、时抢答的功能以及报警功能。电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（9s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；扬声器发出短暂声响；控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一
12、轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。4单元电路设计4.1抢答电路的设计1.抢答器电路 参考电路如图所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于清除端时，RS触发器（此处用74ls279代替）的 R端均为，个触发器输出置，使74LS148的 ，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，当有选手将键按下时（如按下J1），74LS148的输出 经RS锁存后，2Q2=1,74LS48处于工作状态，2Q1 1Q2 1Q1=00
13、1,经译码显示为1。此外，21，使74LS148 ，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21，使EI ，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。如有再次抢答需由主持人将开关重新置清除，然后再进行下一轮抢答。RS触发器工作原理如下。74LS148为线线优先编码器，表1-1为其功能表。2.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
14、。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
15、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。抢答器电路如下图3-1所示图4-1 抢答电路4.2定时电路的设计该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制可逆计数器74LS190，译码电路，7段数码管等相关电路组成。定时电路如下:图4-2 定时电路工作过程为：抢答开始前，74LS190置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为9，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号
16、，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当倒计时0秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为0。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9s时间到时， 输出低电平到时序控制电路，之后选手抢答无效,并报警。4.3 报警电路的设计图4-3 报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(R12+2R13)*C*ln2=1.43/(R12+2R13)*C1其输出信号经三极管推动扬声器。，555芯片的4号管脚（RST）作为控制端，当4号管脚，蜂鸣器发出声音；当4号管脚为高电平时，蜂鸣器不发声。使4号管脚为高电平有两种情况，即9秒内
17、有人抢答，或时间到没人抢答。和4号管脚相连的为74LS148的ET端。4.4 时序电路的设计这是抢答器设计的关键，它要完成以时序控制电路下三项功能：主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，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。当设定的抢答时间到，无人抢答时，抢答电路和定时电路停止工作。电路整体思路：整个电路其关键点在于的使能端ET，以此为中心展开电路模块之间的连接,使能端ET有两方面控制，一：由锁存器中的锁存信号，图4-4中的U7A中的7管脚；二：由74LS190的借位输出端控制。当有人抢答或倒计时时间到，都会使ET为高电平，最终达
18、到抢答选手被锁定后其他选手选择无效和倒计时时间到后选手不可再抢答的目的。时序电路是整个电路的灵魂，它将部分电路逐一连接起来，需要达到设计的要求；即有选手抢答，抢答器停止倒计时，同时其他选手抢答无效，保证了优先性，同时响铃；倒计时时间到，选手抢答无效，同时响铃。中间主要依靠与门，非门，或门等将其连接，达到功能。下面用整体电路来展示其整体思路。（见附录二）ET得到的信号经非门，和555定时器的脉冲信号经与门，可控制脉冲的产生当ET得到高电平时，非门后为低电平，使脉冲处于低电平，计数器74LS190不再计数4.5相关元器件的介绍4.5.1 74LS148优先编码器下图为74LS148的功能介绍，ST
19、为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。其管脚分布如下：图4-5 译码器管分布在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。 输入优先级别的次为7，6，0。输入有效信号为
20、低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。4.5.2 555定时器555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路，如图4-5。其功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，
21、则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。图4-5其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(R12+2R13)*C*ln2=1.43/(R12+2R13)*C1其输出信号经三极管推动扬声器。，555芯片的4号管脚（RST）作为控制端，当4号管脚，蜂鸣器发出声音；当4号管脚为高电平时，蜂鸣器不发声。使4号管脚为高电平有两种情况，即十秒内有人抢答，或时间到没人抢答。和4号管脚相连的
22、为74LS148的ET端。4.5.3 十进制同步加减计数器74LS1901.芯片管脚介绍74LS190 为可预置的十进制同步加/ 减计数器，74LS190的预置数是异步的，当置入控制端（Load）为低电平时，不管时钟（CP）的状态如何, 输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（D0D3）相一致的状态。190 的计数是同步的，当计数控制端（CTEN ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中现的计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CTEN 和U /D 才可以跳变。190
23、有超前进位的功能，当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一低电平脉冲，其宽度为CP 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输出一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。利用 RC 端，可级联成N 位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP。2.引出管脚符号：CO/BO进位输出/错位输出端；CLK 时钟输入端（上升沿有效）；CTEN 计数控制端（低电平有效）；D0D3 并行数据输入端；LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效）；Q0Q3 输出端；RC 行波时钟输出端（低电平有效）；U /D 加/减计数方式控
24、制端图4-6 74HC190管脚图4.5.4 74LS48译码器74LS48N是七段显示译码器，其管脚图如下图所示。现将各管脚功能介绍一下：1. A、B、C、D是BCD码的输入端；a b c d e f g是输出端；试灯输入端：低电平有效。当0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏；动态灭零输入端：低电平有效。当1、0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消隐无效的0。如数据0034.50可显示为34.5； 灭灯输入/动态灭零输出端：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当作为输入使用，且
25、0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当作为输出使用时，受控于和：当1且0时，0；其它情况下1。本按钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。本设计将、都置高电平。 图4-10 LED显示器图4-9 74LS48管脚图2. 共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是：我们自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，因为所用为共阳极的，所以其管脚CA端高电平；如果为共阴极极的，其管脚COM段要接低电平。数码管的主要作用是为了显示译出的数字，在实验过程中应该慎重选择连接，切记不可以忘记将CA接地，可能会导致整个电路不正常工作。3.74LS48功能表输入输出0 1 2 3 4 5
26、 6 72 1 0 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 11 00X X X X X X X 00 0 00 10X X X X X X 0 10 0 10 10X X X X X 0 1 10 1 00 10X X X X 0 1 1 10 1 10 10X X X 0 1 1 1 11 0 00 10X X 0 1 1 1 1 11 0 10 10X 0 1 1 1 1 1 11 1 00 100 1 1 1 1 1 1 11 1 10 15 系统仿真与测试5.1仿真步骤根据自己所画好的电路图，在Multisim元器件库选择相应的元器件。
27、用导线将元器件按图连接好。将元器件相应参数设置好。进行电路仿真，根据仿真修改相应的参数。5.2仿真结果及分析图5-1总体电路 图5-2抢答开始电路此图5-2表示：主持人喊开始抢答后倒计时到7秒时，第2号手抢答到了此题。6心得体会感谢唐山学院在课设中提供的帮助，同时也感谢在实习过程中对我们辛勤付出的老师们。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，从理论到实践的过程中，学到了很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书上所没有的知识。更是通过设计熟练掌握了Multisim的使用。通
28、过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合还是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的知识与实践结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。这次课程设计的设计流程我采用分块的设计顺序，优化了设计流程使之更符合逻辑性。但是需要注意的是，在其中每个环节必须认真进行，如果某模块电路没有设计好，或者存在错误，则总的电路必然会受到影响，所以在设计时应该考虑到实际情况。有时候会因为一个极小的疏忽而导致整个电路无法运行，例如，在仿真过程中由于我忘记接地导致输出老是不对。另外，该课程设计也要求我具备扎实的理论知识，刚开始由于理论知识掌握的不牢靠，在进行仿真设计时也一度使我碰壁，
29、浪费了很多时间。通过这次课程设计，我基本掌握了用Multisim仿真分析，对这个软件有了进一步的了解，基本能熟练的使用它来设计电路和对电路进行编译、调试。且初步掌握了电子电路的设计方法，然而在以后的学习中仍还需多加练习，熟练掌握，为以后的工作作准备。同时，在这次毕业设计的过程中，我发现了我对数电基础知识掌握上的欠缺，因此，在调试过程中会不知道该如何解决出现的问题。在这次课程设计当中，我本来是抢答、定时、报警、时序控制电路都有设计，但仿真做出来的只有定时和抢答两部分，而实物部分定时电路还无法正常工作，由此可见即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，只有能把它运用到
30、实践当中，才是真正属于你自己的知识。实践是检验真理的唯一标准，这句话说的真不假啊。在此感谢我们的王志秦,王蕾老师，老师严谨细致，一丝不苟的作风值得我们每个人学习，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我们无尽启迪，这次课程设计离不开老师细心的指导。同时，感谢给过我帮助的同学。由于本人设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教。参考文献1.王鸿明，段玉生.电工与电子技术.高等教育出版社，2009.122.阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2009.23.吴俊芹.电子技术实训与课程设计.机械工业出版社，2009.4附录元件清单器件明细表器件名称器件型号数目与门74LS08N1或门TTL1开关手动开关1电阻107电阻5102电阻6201电阻15K1电阻60K1电阻1K1电容20nF1电容1F1电容100nF1电容10F18线-3线优先编码器74LS148N1RS锁存器74LS279N2BCD七段译码器74LS48N1共阴七段数码管LED2十进制同步加/减计数器74LS190N1555定时器LM555CN2晶体管2N22191蜂鸣器BUZZER200HZ1附录总体电路