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1、 基于 Multisim 的八路智力抢答器设计 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13,2020 数字电路课程设计任务书 学 院 计算机与信息工程学院 专 业 通信工程 课程名称 数字电路 题 目 八路智力抢答设计 完成期限 自 2015 年 12 月 21 日至 2016 年 1 月 3 日共 2 周 内 容 及 任 务 一、项目的目的 1.巩固和加强数字电子技术课程的理论知识。2.掌握电子电路安装和调试的方法。3.掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除的方法。学会用 Multisim 软
2、件仿真。4.通过查阅手册和培训资料，培养学生独立分析问题解决问题及团队协作能力。巩固所学知识加强综合能力，提高实验能力，启发创新能力的效果。5.培养学生创新能力及创新思维，让学生通过动手动脑解决时机问题，巩固课程中所学的理论知识和实验技能。二、项目任务的主要内容和要求 设计采用 D 触发器数字集成电路制成的数字显示八人抢答器，它利用数字集成电路的锁存特性，在单向晶闸管的控制下，实现优先抢答，音响提示和数字显示等功能。三、项目设计（研究）思路 1.要实现抢答的功能就需要对八位选手的输入的信息进行编码。2.该实验要求当第一人抢答后,第二个人无法再进行抢答,因此我们需要用到触发器对第一个人的信号进行
3、锁存。3.为了使抢答的结果更加直观的显示出来,我们在实验中加入了自带译码功能的数字显示器,将选手的身份进行表明。四、具体成果形式和要求 1、电路抢答器可供不少于 8 名参赛选手使用 2、每名参赛选手各有一个抢答按钮，在主持人用按钮清零，并发现抢答指令后，实行抢答 3、电路配有 LED 数码显示，能显示优先抢答的选手编号，同时配有语音提示电路。4、数码显示和语音提示可由主持人用清除按钮解除；5、电路对参赛选手的动作先后有较强的分辨能力，如分辨率在 15ms 以内。进 度 安 排 起止日期 工作内容 选题，任务分工，明确任务，查找相关资料。绘制电路原理图。运行、调试。编写课程设计报告、答辩。主 要
4、 参 考 资 料 1 王松武,于鑫，武思君.电子创新设计与实践 2 彭介华.电子技术课程设计指导 3 康华光.电子技术基础模拟部分 4 康华光.电子技术基础数字部分 5 华成英.电子技术北京 6 赵淑范等.电子技术实验与课程设计 7贾更新.电子技术基础实验设计与仿真 8杨旭东等.实用电子电路精选 9 王港元等.电子电工实践指导 10 任致程等.经典集成电路 400 例 指导教师 意见 （签字）：年 月 日 系（教研室）主任意见 （签字）：年 月 日 数字电路设计说明书 学院名称：计算机与信息工程学院 班级名称：通信 14 学生姓名：余浩 学 号：53 题 目：八路智力抢答器设计 指导教师:刘晓
5、兰 起止日期:第一部分:正文部分 一 选题的相关背景:当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加
6、了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。简易逻辑数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。通过这次课程设计,初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，提高思考能力和实践能力。同时通过本课题设计，巩固已学的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握多功能抢答器的调整及
7、测试方法。随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。目前多数抢答器存在 3 个不足之处：首先，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度
8、，甚至影响了现场人员的走动。其次，电路复杂。因为简单逻辑电路只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用简单逻辑电路扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大，最后导致容易出现选手抢按成功现象。二 相关知识:如图 1 所示为抢答器的结构框图，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成检测数码管工作情况。其工作原理为：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，定时器显示设定
9、时间；主持人将开关置于开始状态，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。图 1 抢答器结构框图 抢答器的工作过程（1）如果想调节抢答时间或答题时间,按加一键或减一键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下加 1s键,如果想减一秒按一下减 1s键，时间 LED 上会显示改变后的时间，调整范围为 099s,0s 时再减 1s会跳到 99，99s 时再加 1s 会变
10、到 0s。（2）主持人按抢答开始键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设 15s 抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设 10s 抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于 5s 会每秒响一下提示音。（3）如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按停止按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按抢答开始进入下次抢答计时。（4）如果主持人未按抢答开始键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED 上不断闪烁 FF 和犯规号数并响个不停，直到按下停止 键为止。三 系统设计 如图 2 所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人
11、将开关按下即为“清零”状态，清零指示灯灭，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关断开即为“开始”状态，宣布“开始”，指示灯亮，抢答器工作，当有人抢答时，蜂鸣器发出声响并且灯不断闪烁。选手进行抢答时，抢答器将完成：优先判断、编号锁存、编号显示、蜂鸣器鸣叫及灯闪烁的提示等操作。当一轮抢答之后，禁止二次抢答。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。具体的说明如下：图 2 总体设计框图 1、抢答器按钮就是改变输入的电平信号，从原理图可以看出这里设计的是是低电平有效。2、优先编码电路用来把输入的高低电平信号编码，74LS148 优先编码器及 83 编码器，输出 3 位 2
12、进制数，以代表不同的低电平信号。3、锁存器用的是 D 触发器，第四个除用来输出 2 进制数的最高位外，还用于控制信号的锁定，即触发或锁定触发器的工作状态。4、数码显示器用带译码功能的数码管。使用简单、方便。5、主持人控制开关就是一个开关，用来清零和开始工作，设置了一个指示灯，当指示灯亮表示开始，灭了表示开关闭合主持人清零。6、控制电路，除了第四个 D 触发器和主持人的开关外，还需要 8 个抢答器按钮组成的 8 输入与非门和第四个触发器用一个与门共同组成一个控制电路来控制信号的传输和锁定。抢答按钮（8优先编码电路锁存器（D 触发数码显示器 主持人控制 开关 控制电路 报警显示电路 7、报警显示电
13、路，用一个蜂鸣器和一个灯作为报警信号，所以选择一个 LED 灯来表示信号的锁定。给 LED 灯加了个连续脉冲信号，以使灯能够按我们需要的频率一闪一闪。整体电路图 图 3 中的一个 8 输入的与非门，当有选手按按钮时，通过它产生一个高电平信号，此高电平信号与由第四个触发器的 Q端初始的高电平信号通过与门 U10 来触发触发器，又通过 Q端的低电平信号来锁住信号。优先编码器用来对输入的信号编码为三位的二进制数，因此输出信号最多显示到 111 代表十进制的 7，而 000 是我们不需要的，所以我们通过一个 3 输入的或非门加到数码显示管的第四个管脚，当信号为 000时第四个管脚为高电平，这样显示 8
14、 这个数。后面在给小灯加个脉冲信号来使他闪烁起来。图 3 整体电路图 主要元器件功能介绍 图 4 优先编码器 表 1 优先编码器功能表 图 4 为优先编码器,表 1 为其功能表。优先编码器是数字系统中实现优先权管理的一个重要逻辑部件。一般编码器的输入端只能有一个为有效信号，才能进行编码。优先编码器的各个输入不是互斥的，它允许多个输入端同时为有效信号。优先编码器的每个输入具有不同的优先级别，当多个输入信号有效时，它能识别输入信号的优先级别，并对其中优先级别最高的一个进行编码，产生相应的输出代码。输入端：0I7I 输出端：A0A2（低电平有效）EI使能输入端：低电平有效。EO使能输出端：当EI=0
15、时，EO=1表示有有效信号输入GS扩展输出端：GS=0时，表示编码器工作，GS=1 时表示编码器不工作 锁存器 图 5 为选用的 D 触发器作为锁存器电路。D 触发器的逻辑功能如下表 2 所示：图 5 D 触发器 表 2 D 触发器特性表 CP D Qn Qn+1 X X Qn Qn+1 01 0 0 0 01 0 1 0 01 1 0 1 01 1 1 1 四 测试分析 设计的电路可分为三个主要模块：编码模块、信号锁定模块和显示模块。下面分别对三个模块进行说明和仿真。（1）编码模块：编码部分主要利对74LS148，电路原理图如下图6，并进行了功能的仿真。图 6 编码模块 上面电路是对编码部分
16、的功能仿真，74LS148是低电平有效的优先编码器，输出端A0A1A2输出的二进制正好与十进制对应。例如开关3接低电平，则输出A0A1A2=011，数码管将会显示3。从仿真结果中可看出编码这一模块的功能是正确的。（2）信号锁定模块：图 7 信号锁存模块 工作原理：接通电源清零后，四个触发器的 PR 置位端都是低电平，输出 Q 为 0，Q为 1，当有低电平信号时，或非门为 1，与门输出为 1，四个触发器都开始工作，由于第四个触发器的输入端一直是 1，所以使输出端 Q 为 1，Q为 0，U4 输出变为 0，锁住触发器的状态，这样来锁住信号的，当进行下一次工作时必须要清零。仿真结果请查看附件。第二部
17、分:参考文献 1 张瑾等.Protel 99SE 入门与提高M北京：人民邮电出版社，2007 2 彭介华.电子技术课程设计指导M北京：高等教育出版社.2006 3 康华光.电子技术基础模拟部分（第 5 版）M北京：清华大学出版社，2006 4 康华光.电子技术基础数字部分（第 5 版）M北京：清华大学出版社，2006 5 华成英.电子技术北京M.北京:中央广播电视大学出版社，2006 6 赵淑范等.电子技术实验与课程设计M.北京：清华大学出版社，2006，08 7贾更新.电子技术基础实验设计与仿真M.郑州：郑州大学出版社，2006，10 8杨旭东等.实用电子电路精选M.北京：化学工业出版社，2007 9 王港元等.电子电工实践指导M南昌：江西科学技术出版社，2007 10 任致程等.经典集成电路 400 例M北京：机械工业出版社，2006 学生签名:填表日期:年 月 日 第三部分 指导教师评语:第四部分 成绩评定:指导教师签名：填表日期：年 月 日