数字电路课程设计

设计课题：数字抢答器设计

院（系、部）：      工学院     

学 生 姓 名：      叶兆飞     

指 导 老 师：       刘权      

2013 年 12 月 7 日

目  录

1.         引言

2.     设计任务与要求

3.     方案设计与论证

4.     工作原理说明

5.     单元电路设计与参数计算

5.1抢答锁存电路

5.2 LED灯显示电路

5.3数码管显示电路

5.4音响显示电路

5.5犯规电路

5.6计分电路

6．总原理图及元器件清单

7．结论与心得

8．参考文献

1. 引言

我们可以看到在一些比赛活动中，会有提问抢答这一环节。那么为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器。此次抢答器电路设计通过数显、灯光及音响等三种方式指示出第一抢答者，同时还设置有记分电路、犯规电路这两种电路来完善抢答过程。

2.   设计任务与要求

1.设计制作一个可容纳四组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。

2.参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时扬声器发出“哆-唻”的双音音响持续2~3s。此时，电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用。

3.设置记分电路。每组在开始时预置成100分，抢答后由主持人记分，答对一次加10分，否则减10分。

4.设置犯规电路。对提前抢答和超时抢答的组别鸣喇叭示警，并由组别电路显示出犯规组别。

3. 方案设计与论证

 总体分为三个电路设计，一是抢答锁存与LED灯、数码管、扬声器等三种方式显示电路；二是犯规电路；三是计分电路。

计分电路设计

这里因为计分环节得考虑到抢答人回答的正确与否，需要通过主持人来判断，所以做为独立电路来设计，由主持人来进行单独控制。

犯规电路设计

犯规电路涉及到提前抢答与超时抢答这两种犯规方式。这里设置一个“开始抢答”按钮,设置抢答后有效回答时间为10秒，由数码管显示。然后判断主持人未按下“开始抢答”按钮就开始抢答的视为犯规一，主持人按下“开始抢答”按钮后开始抢答，却超过有效时间的为犯规二。这样就可以将犯规电路融入到第一部分的抢答电路设计中。

抢答与显示电路设计

题目要求音响显示通过扬声器发出“哆-唻”的双音音响持续2~3s来实现，这里用555定时器构成多谐振荡器，输出给扬声器高低电平变换的输入方式再加上定时三秒实现“哆-唻”的双音音响持续3s功能。这里555构成多谐振荡器设置R1 = R2即采用占空比为2/3的电路，输出频率1Hz的方波。因为在扬声器定时3秒，“开始抢答”后定时10秒，以及采用此振荡器对扬声器电路的D触发器CLK的持续输入方波，可以同时使用这一个振荡器实现，就不需要分频电路。

4.   工作原理说明

四组抢答按键，主持人 “开始抢答”、“清零复位”两个控制按键。下面是种抢答情况：

一是正常抢答。即主持人按下“开始抢答”之后，第一个抢答人在有效时间内回答了，则主持人在抢答人开始回答后就按下“清零复位”键。

二是提前抢答。即主持人未按下“开始抢答”时，有人就已经开始抢答，则蜂鸣器立即报警，同时会显示组别。主持人按下“清零复位”恢复初始状态。

三是超时抢答。即主持人按下“开始抢答”之后，该抢答人未能在有效时间内回答，则蜂鸣器开始报警。主持人按下“清零复位”恢复初始状态。

    所有抢答情况都有当有人按下抢答按键，出现LED灯、数码管、扬声器3秒三种显示。

5.  单元电路设计与参数计算

5.1抢答锁存电路

根据要求设置4组按键，通过7CHC573这个8进制D型锁存器控制LED灯、数码管和音响的锁存显示，同时取消别组再抢答的作用。因为是4路抢答，所以可以用一个74HC573的8个输出依次驱动4个LED灯和数码管控制。如图所示，初始状态，锁存器的输出全都是低电平，且锁存器处于选通状态，当有一组按键被按下后，将在输出给一个高电平，此时或非门将由默认的高电平转变为低电平，则此时LE置低，锁存了输出Q，从而使其他按键再次按下时无法输出到Q端。

锁存了输出，当最下面那个复位键按下时，将给LE一个高电平，同时锁存器选通，D0-D3的0000将输出到Q0-Q3，或非门输出恢复高电平，从而使整个电路恢复到初始状态。

 

5.2  LED灯显示电路

只需在对应的Q0 – Q3分别连接一个LED灯，共地即可实现。

5.3数码管显示电路

通过锁存器的剩余四个口来控制数码管0 – 4段码的显示。如下第一个图是74LS48这个7段显示译码器的0 – 4段码的DCBA电平显示。这样初始状态0000刚好是锁存器的输出状态，由于这里所用的段码D位都是低电平，所以将D端直接接地即可。分别通过Q4 – Q7分别控制段码1 – 4。从图中可以看出段码”1 2 4“只需一个高电平，而段码”3“需在第三组按键按下时同时给AB高电平才可以将数码管置”3“。其功能可通过接两个或门实现，如下图。

 

5.4音响显示电路

如图，左上角的或门接Q4 – Q7则可实现按下一组按键之后锁存一个高电平。555定时电路构成多谐振荡器设置振荡周期为1S，占空比为2/3输出，输出接下面那个D触发器的CLK和锁存器74HC573的D7，这样有按键按下，第一个D触发器将这个高电平锁存住，同时LE置高电平，锁存器选通，D7直接由振荡器输入周期为1S的方波，这样扬声器就可以发出“哆-唻”的双音音响，再用74LS192这个计数器实现3秒计数。如图，当记到第三秒的时候，锁存器的Q3 – Q1依次是0011，所以用两个取反器加上一个或门，就可以实现当记3S的时候反馈一个地电平给第一个D触发器的R置位端，将Q也即LE置低，使锁存器禁止选通，此时扬声器将不再接受方波信号发出声响，即可实现3秒定时双音音响。

复位方式：通过第一个D触发器的R置位端输入前接个两线与门，一个接给低电平的复位开关，可以通过“清零复位”开关接个反相器连接，另一个接图中的四线或门。

5.5犯规电路

如图，设置一个”开始抢答“按键。初始状态时，二线或门2端默认为低电平；Q4 – Q7初始是低电平，则初始时给1端高电平，或门输出高电平；当有人在主持人未按下”开始抢答“时，有人开始按下抢答按键，将会将1端置0，或门输出低电平，即发生报警。如果在主持人按下”开始抢答“按键后，开始抢答，因为2端已经置高电平，所以当1端被按下成低电平时，或门输出仍为高电平，不产生报警。此电路同时设置一个10进制计数器，当有人正常按下抢答按键后，开始从0计数到10S，到10S时停止计时并保持，同时产生报警。这个控制过程通过最下面那个D触发器完成。计数器74LS192的进位端TCU接至此D触发器的S置位端，Q端接U26（74LS48）的LE，再接到蜂鸣器电路，~Q端接计数器的置位端PL。这样，当计数器计数到9，产生进位时，D触发器S端置0，Q与~Q电平翻转，将计数器保持置0状态，并将U26的初始“0001“传到右端显示“1“。

 

5.6计分电路

如图计分电路，根据要求以10为单位进行加减分数，初始预置为100。可用三个数码管，最右端数码管因为始终是显示“0”状态，所以单独接成“0”状态。再用两个74LS192进行计数，第一个计数器的进位端TCU接下一个计数器的正计数UP端，借位端TCD接下一个计数器的反计数端DN，这样就可是实现当第一个计数器产生进位或借位时刚好在第一个千位的数码管上显示出来。第二个计数器的D3 - D0接“0001”，即当按下预置按键时，将“0001”传到Q端Q3 - Q0，通过译码器显示“1”状态。

 

6．总原理图及元器件清单

        6.1总原理图

 

6.2 元器件清单

注：另外还有电源端、接地端、导线若干。

7．结论与心得

通过此次数字电路课程设计 – 多功能数字抢答器的设计，了解并掌握了抢答器的基本工作原理，可以自己设计出一定需求的抢答锁存与显示电路，并带有一些犯规、计分这样的完善抢答过程的电路。

抢答器主要是抢答部分的锁存电路设计，而锁存电路一般用一个锁存器便可以完成锁存第一抢答者的功能，锁存器的另一端可以接一些显示电路，方便显示出第一抢答者是谁。显示方式这里用LED灯、数码管显示组别、扬声器发出双音音响来显示，而在实际应用中可以通过灯光、音响、显示屏的方式显示出第一抢答者。为了使抢答器的功能更加完善，可以增加犯规电路与计分电路。通过辅助电路的设计，可以使得抢答的过程更加公平与合理。这里的犯规电路采用提前抢答报警与超时抢答报警两项犯规电路，这里采用555定时器构成的多谐振荡器发出频率为1Hz的方波来给计数器计数，当计数器记到一定数后锁住计数器，即可实现定时功能，而定时功能可以用来控制音响响应时间与超时抢答的抢答时间。

8．参考文献

[1]阎石.数字电子计数基础.第五版.高等教育出版社

[2]邓玉元.数字电路中等占空比分频器的实现.《现代电子技术》20##年第24期总第239期

 

第二篇：数字电路 抢答器 课程设计报告书

数字电路课程设计报告书

 

数字抢答器的设计

1 设计目的

（1）熟悉集成电路的引脚安排。
（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
（3）了解面包板结构及其接线方法。
（4）了解数字抢答器的组成及工作原理。
（5）熟悉数字抢答器的设计与制作。

2 设计思路

（1）设计抢答器电路。

（2）设计可预置时间的定时电路。

（3）设计报警电路。

（4）设计时序控制电路。

3 设计过程

3.1方案论证

数字抢答器总体方框图如图1所示。

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。

3.2电路设计

抢答器电路如图2所示。

图2  数字抢答器电路

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触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝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，当有选手将键按下时（如按下S₅），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1，=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外，1Q＝１，使74LS148＝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1Q＝１，使＝１，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Ｓ开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。

定时电路如图3所示。由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。

报警电路如图4所示。由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1.43/[（R_I＋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。

时序控制电路如图5所示。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人正常抢答工作状态。

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。图中，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的输人使能端。

图5的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自图 2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CP_D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，门G₂的输出=0，使 74LS148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，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=1，74LS148处于禁止工作状态，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，=1，74LS148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。

4系统调试与结果

（1）组装调试抢答器电路。

（2）可预置时间的定时电路，并进行组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，能输出低电平有效的定时时间到信号。

（3）调试报警电路。

（4）定时抢答器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

5主要仪器与设备

数字电路实验箱 或 EDA 软件MAX PLUSⅡ

集成电路  74LS148—1片，74LS279—1片，74LS48—3片，

74LS192—2片，NE555—2片，74LS00—1片，74LS121—1片。

电  阻   510Ω—2只，1KΩ—9只，4.7kΩ—l只，5.1kΩ—l只，

100kΩ—l只，10kΩ—1只，15kΩ—1只， 68kΩ—l只。

电  容  0.1uF—1只，10 uF—2只，100 uF—1只。

三极管  3DG12—1只。

其 它  发光二极管—2只，共阴极显示器—3只。

6设计体会与建议

6.1设计体会

通过这次对数字抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。此外，本实验也可通过EDA软件MAX PLUSⅡ实现。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

6.2对设计的建议

我希望老师在我们动手制作之前应先告诉我们一些关于所做电路的资料、原理，以及如何检测电路的方法，还有关于检测芯片的方法。这样会有助于我们进一步的进入状态，完成设计。

参考文献

[1] 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999年

[2] 彭华林等编. 数字电子技术. 长沙：湖南大学出版社，20##年

[3] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，20##年

[4] 侯建军. 数字电路实验一体化教程. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，20##年

[5] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，20##年

上交材料：

1、要求纸制文档一份，用A4纸张打印。

2、电子文档一份，用自己的学号和姓名命名文件名。

设计时间：第18周星期一至星期五

注意：第18周星期五下午五点之前必须提交所有材料给指导老师。