数字电子技术课程设计

八路智力竞赛抢答器设计

一 、课程设计题目（与实习目的）

（一）、题目：八路智力竞赛抢答器设计

（二）、实习目的：

1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。

2．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。

3．了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。

4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。

5．数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。

二、 任务和要求

实现抢答器的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成抢答器系统。

（1）抢答器设计要求

设计一个抢答器，基本要求：

1. 抢答器可以实现基本抢答；可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，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，同时扬声器给出音响提示。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到主持人将系统清零为止。

三、总体方案的选择

（1）总体方案的设计

针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：

方案一：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。

主体框图如下：

 

图1  八路智力抢答器方案一设计框图

方案二：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答， 30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。

主体框图如下：

图2  八路智力抢答器方案二设计框图

（2）总体方案的选择

相比之下，第二种方案更好些。它的优点表现在以下几个方面：这种方案原理比较简单。主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路；更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时。既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。

四 单元电路的设计

1.设计所使用的元件及工具：

74LS48 ---------------------------- 3个；

74LS279    ----------------------------------- 1个；

74LS192 -------------------------------- 2个；

74LS148 --------------------------------------- 1个；

74LS00   ---------------------------- ------3个；

74LS10   ------------------------------------------- 1个；

发光二极管--------------------------------------------- ------1个；

555     ----------------------------------------------------- 1个；

电容： 0.1μf   ----------------------------------------------1个；

0．01μf -----------------------------------------------1个；

电阻： 10kΩ   ------------------------------------------------------------ ---------9个；

15KΩ   ----------------------------------------------1个；

1kΩ ------------------------------------------------1个；

68KΩ------------------------------------------------1个

实验板一块；

万用表一个；

钳子一个；

导线若干。

2.各个单元电路

（1）抢答电路设计

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按钮操作无效。因此，选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能。

抢答器电路

工作原理：SW1-8为八位选手的抢答开关，SW9单刀双掷开关设为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。于是74LS48的BI为高，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST为高电平，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当SW9置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态。74LS279的1R、1S均为高电平，由真值表可知，输出1Q为低电平，从而使74LS148输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。若有选手（假设为3号选手）按动抢答开关（即闭合SW4），此时优先编码器74LS148输入端I3接低电平有效，则输出A2A1A0为100，A2A1A0分别接至4S、3S、2S，根据RS锁存器真值表，2Q3Q4Q输出分别为110，从而74LS48的输入端DCBA为0011，经74LS48译码，显示器上显示“3”。与此同时，当74LS148输入端有一个为低电平时，GS为低电平有效，即标志译码器处于工作状态，从而使1S为0，此时1Q输出为高电平，致使EI为高电平，74LS148处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管变灰，一切恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。

（2）定时电路设计

设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为30s）。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能, 其引脚图和逻辑图如图10所示。

图10   74LS192引脚图和逻辑图

P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；

Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；

CR————————清零端；

LD————————置数端；

CPu ———————加法计数CP输入；

CPd ———————减法计数CP输入；

CO————————进位输出端；

BO————————借位输出端。

表5   74LS192真值表

根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端BO与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPu端口必须接高电平。

计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图11所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。

图11  多谐振荡器

因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：

t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C      t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C

所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]

我们采用的电阻和电容值分别是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。

由以上集成芯片设计的定时电路如图12所示。

图12  定时电路

工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。

（3）报警电路设计

由555定时器和三极管构成的报警电路如图13所示。图中555定时器用来构成多谐振荡器，其震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端即可。

电路图如下:

图13报警电路

（4） 时序控制电路

时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成以下三项功能：

a.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。

b.当竞赛选手按动抢答键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

c.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。

本设计中采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路、报警电路进行连接，以实现上述三项功能要求（如图14所示）。

图14 时序控制电路

其中，两输入与非门采用74LS00，引脚图如图15所示。三输入与门采用74LS11，引脚图如图16所示。电路中利用与非门两输入端相连实现非门的逻辑功能。

图15 74LS00引脚图

图16 74LS11引脚图

工作原理：门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPd始终输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，74LS192的借位输出端BO2为低电平，门G2的输出ST为高电平，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能a的要求。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，1Q=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST为低74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能b的要求。当定时时间到时，来自74LS192的BO2为高，ST为高，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能c的要求。

五总体电路图

图17  总电路图

下面介绍八路智力竞赛抢答器的使用原理。

首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。   

然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给74LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。

接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的R端。

当任意一个选手抢答时，例如3号抢答时，74LS148三号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作。编码输出A2A1A0为100，与其对应的4S3S2S为100，经74LS279锁存，4Q3Q2Q输出为011，经译码显示编号为3。与此同时，1Q所输出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。此时，其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。另一路，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。

若没有选手按动按钮，则74LS279输出全为高电平，74LS148也输出高电平，1Q端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出高电平反馈回个位Down端，停止计数。

综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。

六 电路仿真

电路仿真采用Multisim仿真软件进行的。Multisim软件可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件；可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪信号发生器、交直流电压表电流表等。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。因此，选用该软件对抢答器各单元电路及整体电路进行仿真。

七、 小结

    通过本次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电的相关知识，加强了对重要知识点的记忆和理解，还学会如何运用Multisim仿真进行仿真受益匪浅，现总结如下。

本设计的难点在于时序控制电路的设计，如何在第一位抢答者抢答题目后让编码器停止工作；如何使计时电路在抢答后停止倒计时；如何让定时电路和抢答电路同时清零。设计过程中，根据以往抢答器设计思路，及查阅相关资料，可运用74LS279的输出1Q完成上述控制任务。从这一点，折射出自己在平时的学习中较死板，缺乏变通思考的能力。在电路仿真的过程中，由于Multisim操作相对较简单，因此在仿真过程中较为顺利。。

    通过本次实践操作，也让我深刻明白：只有将课本上的理论知识，结合实践不断练习，不断总结提炼，反复思考实践中的经验教训，才能够真正消化为自己的知识。

八分析和总结。

本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。而且从本次课程设计中收获很多。可以总结为以下的几点：

（一）、巩固数电知识

这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。

（二）、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；

虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。

（三）、理论联系实际

据老师介绍，这是大学里唯一一次比较大型的动手实践机会。我当然不会错过。课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。

（四）、和同学共同合作、互相学习、共同进步

最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，们个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的idea，其他人的设计也可能有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。