数字电路课程设计智力竞赛抢答器.docx
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数字电路课程设计智力竞赛抢答器
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数字电路课程设计-智力竞赛抢答器
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摘要
在各种智力竞赛场合,抢答器是必不可少的最公正的用具。
通过本学年的《数字电路技术》的学习我们知道了它的原理其实是比较简单的,主要就是通过四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统控制选手的抢答情况,再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。
电路由主体电路和扩展电路两部分组成,主体电路主要由74LS175,即4D触发器来构成抢答锁存器,由主持人来控制74LS175的清零端。
当清零端为高电平“1”时,选手开始抢答,最先按键的选手相应的LED发光二极管发光,并且扬声器发出声音,同时,由3个Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用。
扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路,并且在设计中加入了报警电路,以提示选手和观众。
经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误,可实现设计所要求功能。
关键词:
三人智力竞赛抢答器、74LS175、脉冲、锁存器
TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc486190393"1设计任务及要求PAGEREF_Toc486190393\h3
HYPERLINK\l"_Toc486190394"2设定系统方案PAGEREF_Toc486190394\h3
HYPERLINK\l"_Toc486190395"3单元电路设计、参数计算和器件选择PAGEREF_Toc486190395\h4
HYPERLINK\l"_Toc486190396"3.1抢答电路设计PAGEREF_Toc486190396\h4
HYPERLINK\l"_Toc486190397"3.2定时电路设计PAGEREF_Toc486190397\h5
HYPERLINK\l"_Toc486190398"3.3报警电路设计PAGEREF_Toc486190398\h9
HYPERLINK\l"_Toc486190399"4完整的电路图及电路的工作原理PAGEREF_Toc486190399\h10
HYPERLINK\l"_Toc486190400"4.1完整电路图PAGEREF_Toc486190400\h10
HYPERLINK\l"_Toc486190401"4.2工作原理PAGEREF_Toc486190401\h10
HYPERLINK\l"_Toc486190402"5心得体会PAGEREF_Toc486190402\h11
HYPERLINK\l"_Toc486190403"参考文献PAGEREF_Toc486190403\h12
HYPERLINK\l"_Toc486190404"附录PAGEREF_Toc486190404\h13
三人智力竞赛抢答器
1设计任务及要求
(1)设计一个供三人参赛的抢答器,能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者,稍后的其他人按下开关则无效。
抢答器具有显示功能,即选手按动按钮,相应的LED发光二极管发光,同时扬声器发出声音。
(2)主持人没有宣布抢答开始时,抢答不起作用。
主持人宣布抢答开始时,按“开始”键,抢答开始,同时启动计时器计时;
(3)计时器计时采用倒计数的方式,以加强现场气氛,增加紧迫感。
若预定时间内无人抢答,自动给出信号停止抢答,以免冷场。
倒计数定时器的时间可以随意预置;电路具有回答问题时间控制功能,要求回答时间小于等于100秒(显示为99到0),当达到限定时间时,发出声响以示警告。
2设定系统方案
电路大致可以由四个功能模块组成:
以4D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统电路部分,脉冲产生电路部分,倒计时显示电路部分,报警电路部分。
在4D触发器构成的抢答锁存器中,由主持人来控制74LS175的清零端。
当清零端为高电平“1”时,选手开始抢答,最先按键的选手相应的LED发光二极管发光,并且扬声器发出声音,同时,由三个非Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用,这时抢答无效。
在脉冲产生电路部分中,用555定时器予以实现,通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲,因为可以通过改变电阻电容微调频率,取代了用分频器对高频信号进行分频,从而使电路简单了。
在倒计时显示电路部分中,由计数器74LS192,数码管显示器组成。
利用74LS192计数器作为倒计时的芯片,当主持人按下抢答按钮时,74LS192被置初始值,抢答时间开始倒计时,并通过74LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间。
假如在规定时间内无人抢答,即抢答时间为0时,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间数码管显示为0,蜂鸣器鸣叫一秒;假如在规定时间内有人抢答,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间停止倒计时,蜂鸣器鸣叫0.5秒,与此同时,回答时间开始倒计时,并通过74LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间,若规定时间内选手没有回答完,则计数器停止倒计时,回答时间数码管显示为0,蜂鸣器鸣叫一秒。
在报警电路部分中,由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路,产生所需要的脉冲,然后接入蜂鸣器构成。
3单元电路设计、参数计算和器件选择
3.1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,用LED发光二级管显示表示;二是要使其他选手的按钮操作无效。
因此,选用4D触发器74LS175、四输入端与非门74LS20和六组反相器74LS04以及LED灯显示电路完成上述功能。
74LS175是常用的四上升沿D触发器集成电路,里面含有4组D触发器,可以用来构成寄存器,抢答器等功能部件。
当清除端MR为低电平时,输出端Q为低电平。
在时钟CP上升沿作用下,Q与数据端D相一致。
当CP为高电平或低电平时,D对Q没影响。
其引脚图及真值表如下图所示。
图174LS175的引脚图
表174LS175真值表
根据各芯片功能及抢答器的功能要求,抢答器电路如下所示
图2抢答器电路
工作原理:
图2三个按钮为三位选手的抢答开关,单刀开关为主持人控制开关。
当主持人控制开关置于清零状态,即闭合时,清除端MR为低电平,输出端Q为低电平,于是LED灯灭,此时抢答电路不工作。
当主持人控制开关置于开始状态,MR为高电平,74LS175的Q经四输入与非门(U3:
A)输出接入到抢答按钮左边的公共端,按钮右边经反相器接到74LS175的输入端D,并且同时接到四输入与非门(U3:
B),再经两个反相器延时接到74LS175的时钟CLK端,抢答器处于等待工作状态。
若有选手(假设为1号选手)按动抢答开关(即按下按钮①瞬间),此时74LS175的输入端D0为高电平,74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平,在上升沿的作用下,输出端Q0与输入端D0一致,即为高电平,1号对应的LED灯亮。
同时,由于Q0为低电平,与非门(U3:
A)输出为高电平,将按钮的公共端变为高电平,若此时按钮①还处于闭合状态,则与非门(U3:
B)输出为低电平,使CLK变为低电平,此时74LS175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。
答题结束后,主持人开关置于清零状态,LED灯灭,一但恢复初始状态,以便进入下一轮抢答环节。
3.2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10s)和回答的时间(设为60秒)。
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4所示,功能表如表2所示。
图374LS192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;
MR————————清零端;
PL————————置数端;
CPU———————加法计数CP输入;
CPD——————减法计数CP输入;
TCU———————进位输出端;
TCD———————借位输出端。
表274LS192功能表
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TCD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。
本课程设计采用四片74LS192,其中两片控制抢答时间,另外两片控制回答时间。
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5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4多谐振荡器
矩形波输出
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=R7×C2×ln2≈0.7(R7×C2)
t2=(R6+R7)×C2×ln2≈0.7(R6+R7)C2
所以555的3端输出的频率为:
f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R6+R7)C2]
我们采用的电阻和电容值分别是:
R6=15KΩ,R7=68KΩ,C2=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5所示。
图5定时电路
工作原理:
首先主持人根据题的难易程度改变拨码开关DSW1-4的状态,从而改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间(假定为10秒)和回答时间(假定为60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,抢答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)以及抢答按钮公共端的反相信号相与。
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,抢答减计数器停止计时,抢答显示器上显示此刻时间,同时,回答计数器开始计数,当计数器递减计数至00,计数器停止工作,产生报警。
3.3报警电路设计
由555定时器和电阻电容构成的报警电路如图6所示。
图中555定时器用来构成单稳态电路。
图6具有微分环节的555单稳态电路
工作原理:
由于外界触发脉冲Ui加了进来,电路Uo由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。
暂稳态时间Tw计算如下:
显然,改变定时元件R或C即可改变延时时间Tw。
我们采用的电阻和电容值分别是:
R=91KΩ,C=10uf,满足上式,来产生1秒的延时时间;和R=47KΩ,C=10uf,来产生0.5秒的延时时间。
3端的输出信号接扬声器,发出报警信号,当计数器为0时,扬声器发出1秒的声音;当有选手抢答时,扬声器发出0.5秒的声音。
4完整的电路图及电路的工作原理
4.1完整电路图
控制电路将抢答、定时电路进行连接后,构成了抢答器电路的整体设计,总电路图如图7所示
图7完整电路图
图7完整电路图
4.2工作原理
下面介绍四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①、②、③,抢答后选手对应的LED灯被点亮,扬声器发出0.5秒的响声。
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:
一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR,当抢答计数器递减计数至00时,十位74LS192借位输出端为低电平,计数器停止工作,此时MR端为低电平,74LS175处于禁止工作状态,即实现预定时间内无人抢答,自动给出信号停止抢答,并产生报警;另一路低电平与四个计数器74LS192的PL端相连,使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。
接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间和回答时间,此设定可以通过调节四个拨码开关,从而改变输入四片74LS192的四个输入端D3、D2、D1、D0的高低电平来进行(例如要设定抢答时间为10秒,就将抢答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、0、0、1,而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0;要设定回答时间为60秒,就将回答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、1、1、0,而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0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:
一路输出到抢答计数器74LS192的LD端,使其处于高电平而开始减计数;还有一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR,使其处于高电平而开始工作。
当任意一个选手抢答时,假设为①号选手按动抢答开关,此时74LS175的输入端D0为高电平,74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平,在上升沿的作用下,输出端Q0与输入端D0一致,即为高电平,1号对应的LED灯亮,同时扬声器发出0.5秒的响声,并且电路将信号锁存,74LS175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。
答题结束后,主持人开关置于清零状态,LED灯灭,一但恢复初始状态,以便进入下一轮抢答环节。
若到定时部分抢答计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话,则抢答计数器十位74LS192的借位输出端TCd输出为低电平,停止计数,同时抢答不起作用,报警器报警。
若有人抢答,定时部分回答计数器倒计时到00还未答完的话,报警器发出1秒报警声。
综上所述,所设计的电路基本可以实现要求中的功能。
5心得体会
通过本次课程设计,不仅使我有效的巩固了本学期所学的数字电路的知识,还加深了我对锁存器、逻辑电路等的理解。
并且在课程设计的过程中,我了解并掌握了用Proteus软件进行电路仿真,使我熟练掌握了数字芯片的性能和使用,这是我在课程设计之前没有想到的。
而且,有些知识看着简单,实际运用起来还有一定难度,这促使我在今后的学习生活中勤动手,勤仿真,将所学的知识运用到实际中来。
其次,本次课程设计也使我对数字电路的相关知识产生了浓厚的兴趣,例如一个秒脉冲电路,从芯片的选择,到电阻电容值得计算,都要求我们严谨。
要想实现预期的功能,就要选择合适的电子元器件,设计出符合要求的电路,毕竟课本上的知识都是抽象的,只有学以致用,才能真正理解并掌握它。
感谢李鹏老师这半年来教给我们数字电路的相关知识,带领我们做了一系列实验。
感谢老师在课程设计的过程中给予我们的帮助,感谢研究所的学长学姐在此期间对我的支持和鼓励。
本次课程设计使我受益匪浅,知识和技能方面都得到了大幅度提升,这都将激励我在今后的学习生活中勤动手、勤实践,加强思考和解决问题的能力。
参考文献
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高等教育出版社,2009.
[4]王金明.数字系统设计与VerliogHDL.北京:
电子工业出版社,2009.
[5]王小海,祁才君,阮秉涛.集成电子技术基础教程(下).北京:
高等教育出版社,2008.
附录
附录A:
系统电路原理图
附录B:
元器件清单
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- 数字电路 课程设计 智力 竞赛 抢答