多功能数字抢答器设计说明说.docx
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多功能数字抢答器设计说明说
多功能数字抢答器设计说明说
第1章绪论
1.1课题背景
目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机,自动控制,电子测量仪表,电视,雷达,通信等各个领域。
例如在现代测量技术中,数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高,功能高,而且容易实现测量的自动化和智能化。
随着集成技术的发展,尤其是中,大规模和超大规模集成电路的发展,数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门,并将产生越来越深刻的影响。
随着现代社会的电子科技的迅速发展,要求我们要理论联系实际,通过对数字电路的设计,熟练掌握设计的方法、步骤。
本课题设计了一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器,它主要采用了74系列的常用集成电路,它除了具有基本的抢答功能之外,还具有定时报警的功能,和数显的功能,当抢答开始后,系统会自动倒计时,并且时间是可以预设的,期间有人抢答的话系统会停止计时,如果期间没人抢答,系统会有短暂的报警,提示抢答结束。
在现在科技进步的世界里,无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛,当遇到抢答环节时,如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响,使比赛失去了公平和公正性,这时候我们想到了抢答记分器是必要设备,我中学参加过各种竞赛,我们经常遇到有抢答的环节,由于条件有限多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权,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,所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者,为了使这种不为了使这种不公平不发生,只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
1.2设计要求
1.具有优先抢答功能,先抢答后其余抢答无效电路进行锁存并显示选手号码,同时报警(扩展功能)并具有计时功能。
1.2.1设计题目和设计指标
题目:
八路抢答器
技术指标:
1.具有优先抢答功能。
2.数码管正确显示选手号码。
3.抢答完毕后声音报警提醒。
4.(扩展功能)并具有计时功能。
1.2.2设计功能
主要功能:
具有优先抢答功能,先抢答后其余抢答者无效。
电路进行锁存并显示选手号码,同时产生报警、(扩展功能)并具有计时功能。
第2章电路的方框图
2.1整机电路框图
根据课题设计技术指标的要求,本电路主要由锁存电路、显示电路、译码电路、控制电路、定式按钮、优先译码电路,等几部分组成。
整机电路框图如2-1所示
图2-1八路抢答器电路方框图
2.2电路的方框图的原理
如图2-1所示的工作过程是:
接通电源时,节目主持人将开关置于“清除”位置,抢答器处于禁止工作状态,编号显示器灭灯,定时显示器显示设定的时间,当节目主持人宣布“抢答开始”,同时将控制开关拨到“开始”位置,蜂鸣器给出声响提示,抢答器处于工作状态,定时器倒计时。
当定时时间到,却没有选手抢答时,系统报警,并封锁输入电路,禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时,抢答器要完成以下四项工作:
1优先编码电路立即分辨出抢答者的编号,并由锁存器进行锁存,然后由译码显示电路显示编号。
②蜂鸣器发出声响,提醒节目主持人注意。
③控制电路要对输入编码电路进行封锁,避免其他选手再次进行抢答。
④控制电路要使定时器停止工作,时间显示器上显示剩余的抢答时间,并保持到主持人将系统清零为止。
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,以便进行下一轮抢答。
第3章单元电路设计、器件的选择
3.1555定时器及其应用
3.1.1器件特性
图3-1NE555芯片外观
555定时器是一种中规模集成电路,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
3.1.2内部电路框图及引脚功能
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图3-2和3-3所示。
引脚功能:
Vi1(TH):
高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,标志为TH。
Vi2(
):
低电平触发端,简称低触发端,标志为
。
VCO:
控制电压端。
VO:
输出端。
Dis:
放电端。
:
复位端。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络,产生
VCC和
VCC两个基准电压;两个电压比较器C1、C2;一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器(低电平触发);放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
是复位端,低电平有效。
复位后,基本RS触发器的
端为1(高电平),经反相缓冲器后,输出为0(低电平)。
分析图3-2的电路:
在555定时器的VCC端和地之间加上电压,并让VCO悬空,则比较器C1的同相输入端接参考电压
VCC,比较器C2反相输入端接参考电压
VCC,为了学习方便,我们规定:
当TH端的电压>
VCC时,写为VTH=1,当TH端的电压<
VCC时,写为VTH=0。
当
端的电压>
VCC时,写为VTR=1,当
端的电压<
VCC时,写为VTR=0。
1低触发:
当输入电压Vi2<
VCC且Vi1<
VCC时,VTR=0,VTH=0,比较器C2输出为低电平,C1输出为高电平,基本RS触发器的输入端
=0、
=1,使Q=1,
=0,经输出反相缓冲器后,VO=1,T截止。
这时称555定时器“低触发”;
2保持:
若Vi2>
VCC且Vi1<
VCC,则VTR=1,VTH=0,
=
=1,基本RS触发器保持,VO和T状态不变,这时称555定时器“保持”。
3高触发:
若Vi1>
VCC,则VTH=1,比较器C1输出为低电平,无论C2输出何种电平,基本RS触发器因
=0,使
=1,经输出反相缓冲器后,VO=0;T导通。
这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件(即VTH、VTR的“0”、“1”)必须牢牢掌握。
3.2优先编码器74LS148
图3-374LS148芯片外观
3.2.174LS148引脚功能
图3-474LS148引脚功能
74LS148优先编码器为16脚的集成芯片,除电源脚VCC(16)和GND(8)外,其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。
其中I0—I7为输入信号,A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号,IE是使能输入端,OE是使能输出端,GS为片优先编码输出端。
由74148真值表可列输出逻辑方程为:
A2=(I4+I5+I6+I7)IEA1=(I2I4I5+I3I4I5+I6+7)·IEA0=(I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)·IE使能输出端OE的逻辑方程为:
OE=I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE当使能输入IE=1时,禁止编码、输出(反码):
A2,A1,A0为全1。
当使能输入IE=0时,允许编码,在I0~I7输入中,输入I7优先级最高,其余依次为:
I6,I5,I4,I3,I2,I0,I0等级排列。
OE为使能输出端,它只在允许编码(IE=0),而本片又没有编码输入时为0。
扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为:
GS=(I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)·IEGS为片优先编码输出端,它在允许编码(IE=0),且有编码输入信号时为0若允许编码而无编码输入信号时为1在不允许编码(IE=1)时,它也为1GS=0表示“电路工作,而且有编码输入”。
3.2.274LS148真值表
表3-174LS148真值表
输 入
输 出
IS I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7
QCQBQAOEXOS
1 d d d d d d d d
0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 d d d d d d d 0
0 d d d d d d 0 1
0 d d d d d 0 1 1
0 d d d d 0 1 1 1
0 d d d 0 1 1 1 1
0 d d 0 1 1 1 1 1
0 d 0 1 1 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
1 1 1 1 0
0 0 0 0 1
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 0 1
1 0 0 0 1
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 0 1
由真值表可知,输入I0~I7和输出QA、QB、QC的有效工作电平均为低电平.在I0~I7输入端中,下角标号码越大的优先级越高。
例如,I0、I2、I3、I5和I7均为1,I1、I4和I6为0时,输出按优先级较高的I6编码,即QCQBQA=001,而不是按优先级较低的I1和I4编码。
此后,若I6变为1,则按I4编码,QCQBQA=011。
若I4也变为1,输出才按I1编码,QCQBQA=110。
输入IS和输出OS、OEX在容量扩展时使用。
IS为工作状态选择端(或称允许输入端),当IS=0时,编码器工作,反之不进行编码工作;OS为允许输出端,当允许编码(即IS=0)而无信号输入时,OS为0。
OEX为编码群输出端,当不允许编码(即IS=1),或者虽允许编码(IS=0)但无信号输入(即I0~I7均为1)时,OEX为1。
换而言之,允许编码且有信号输入(即I0~I7中至少有一个为0)时,OEX才为0。
3.2.3引出公共端符号
I0-I7:
为输入信号
A0,A1,A2:
三位二进制编码的呼出信号
IE:
是使能输入端
OE:
是使能输出端
GS:
为片优先编码输出端
VDD:
正电源
VSS:
接地
3.3.174LS148引脚功能
(a)引脚排列(b)逻辑符号
图3-574LS148引脚排列及逻辑符号
◆CPU为加计数时钟输入端,CPD为减计数时钟输入端。
◆LD为预置输入控制端,异步预置。
◆CR为复位输入端,高电平有效,异步清除。
◆CO为进位输出:
1001状态后负脉冲输出,
◆BO为借位输出:
0000状态后负脉冲输出。
3.3.274LS192功能表
表3-274LS192功能表
第4章整机电路的组成
4.1抢答电路
图4-1抢答电路
(1)抢答器的主体电路设计
抢答电路的功能有两个:
一是能分辨出选手按键的先后,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键操作无效。
选用优先编码器74148和DFF锁存器可以完成上述功能,其电路组成如图所示。
其工作原理是:
当主持人控制开关处于“清除”位置时,RS触发器的端为低电平,输出端(4Q~1Q)全部为低电平。
于是74LS48的=0,显示器灭灯;74148的选通输入端=0,74LS148处于工作状态,此时锁存电路不工作。
当主持人开关拨到“开始”位置时,优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态,即抢答器处于等待工作状态,等待输入端7...0输入信号,当有选手将键按下时(如按下S5),74LSl48的输出=010,=0,经RS锁存器后,CTR=l,=1,74LS279处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后,显示器显示出“5”。
此外,CTR=1,使74l48的端为高电平,74LSl48处于禁止工作状态,封锁了其它按键的输入。
当按下的键松开后,74LSl48的为高电平,但由于CTR维持高电平不变,所以74LSl48仍处于禁止工作状态,其它按键的输入信号不会被接收。
这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后,由主持人操作控制开关S,使抢答电路复位,以便进行下一轮抢答。
4.2定时电路
图4-2定时电路
(2)定时电路设计
原理及设计:
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。
具体电路如图所示。
两块74LS192实现减法计数,通过译码电路74LS48显示到数码管上,其时钟信号由时钟产生电路提供。
74192的预置数控制端实现预置数,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,如果要设置为30S,就可以在计数器的预置数控制端输入00110000。
时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
按键弹起后,计数器开始减法计数工作,并将时间显示在共阴极七段数码显示管上,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,且倒计时时间到时,输出低电平到时序控制电路,控制报警电路报警,同时以后选手抢答无效。
4.3报警电路
图4-3报警电路
采用555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
其中555构成多谐振荡器,振荡频率
其输出信号经三极管推动蜂鸣器。
PR为控制信号,当PR为高电平时,多谐振荡器工作,当PR为低电平的时候,电路停振
4.4时序控制电路
图4-4时序控制电路
与门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"清除"位置拨到"开始"位置时,74LS279的输出1Q,即CTR=0,经G3反相,输出为1,则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD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。
当选手在定时时间内按动抢答按键时,CTR=1,经G3反相,输出为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。
当定时时间到时,则"定时到信号"为0,/ST=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,封锁时钟CP信号,使定时电路保持00状态不变,此次抢答结束。
第5章电路的组装与调试
5.1元器件的检测
电路组装调试之前首先要对所用元器件进行检测,判断元器件的好坏和确定元器件的引脚及极性。
下面将分别介绍电路中所用到的元器件的检测方法。
一、三极管引脚极性的检测
大家知道,三极管是含有两个PN结的半导体器件。
根据两个PN结连接方式不同,可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管。
测试三极管要使用万用电表的欧姆挡,并选择R×100或R×1k挡位。
红表笔所连接的是表内电池的负极,黑表笔则连接着表内电池的正极(电流:
红进黑出)。
假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型,也分不清各管脚是什么电极。
*:
测试的第一步是判断哪个管脚是基极。
这时,我们任取两个电极(如这两个电极为1、2),用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻,观察表针的偏转角度;接着,再取1、3两个电极和2、3两个电极,分别颠倒测量它们的正、反向电阻,观察表针的偏转角度。
在这三次颠倒测量中,必然有两次测量结果相近:
即颠倒测量中表针一次偏转大,一次偏转小;剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小,这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。
二、PN结,定管型
找出三极管的基极后,我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。
将万用表的黑表笔接触基极,红表笔接触另外两个电极中的任一电极,若表头指针偏转角度很大,则说明被测三极管为NPN型管;若表头指针偏转角度很小,则被测管即为PNP型。
三、顺箭头,偏转大
找出了基极b,另外两个电极哪个是集电极c,哪个是发射极e呢?
这时我们可以用测穿透电流ICEO的方法确定集电极c和发射极e。
(1)对于NPN型三极管,用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec,虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小,但仔细观察,总会有一次偏转角度稍大,此时电流的流向一定是:
黑表笔→c极→b极→e极→红表笔,电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”),所以此时黑表笔所接的一定是集电极c,红表笔所接的一定是发射极e。
(2)对于PNP型的三极管,道理也类似于NPN型,其电流流向一定是:
黑表笔→e极→b极→c极→红表笔,其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致,所以此时黑表笔所接的一定是发射极e,红表笔所接的一定是集电极c
5.2电路的组装与调试
检测完元器件的好坏及引脚极性后便可以进行电路的组装了,根据电路原理图首先在面包板上搭接电路。
搭接电路时要注意集成芯片和集成芯片的引脚不要接错,电解电容的引脚极性不要弄反。
在面包板上搭接好电路后就可以进行电路的调试了。
合设计要求便可以在万能板上焊接了,在焊接过程中和焊接好后调试过程中需要注意以下事项。
1.要注意电烙铁的绝缘性能
不允许带电使用烙铁焊接,要确认烙铁不带电,最好把烙铁的外壳接地,对MOS电路更应小心,能采用6-8V的低压电路铁就更安全。
2.要保证焊接质量
焊接时要焊牢,焊锡的堆积、气孔容易造成虚焊。
焊接时间一般不超过3秒钟,烙铁的功率应用内热式25W左右。
已焊接好的集成电路要仔细查看,最好用欧姆表测量各引脚间有否短路,确认无焊锡粘连现象再接通电源。
5.3合理布局
电路在安装前要将各级进行合理布局,一般按照电路的顺序一级一级地布局,在此过程中我们本着以下原则:
1.了解元件管脚功能。
2.布线尽可能少,合理进行布线。
3.电源线用红线,地线用黑线。
4.布线规律有制,尽量减少交叉。
5.美观大方。
注意事项:
1.电路板各个所用电源,地都连起来。
2.防止接线短路。
3.元件不可接反、接错。
4.焊盘上不可压线。
结论
1.课程设计的题目是:
八路抢答器
2.其功能是:
具有优先抢答功能,先抢答后其余抢答无效
电路进行锁存并显示选手号码,同时报警,并具有计数功能。
3.技术指标是:
1.具有优先抢答功能。
2.数码管正确显示选手号码。
3.抢答完毕声音报警提醒。
通过我们的付出与努力,完成了本次的设计,并且达到了预期的效果,实现了其要求的功能和各项指标并做了扩展功能,也达到了预期的效果。
但是在设计的过程中,还是存在一些不足之处,遇到了许多不太好解决的问题。
然后对电路进行足部的细致的检查与分析。
在团队的不断努力下解决了我们遇到的各种问题
收获与体会
通过本次电子线路课程设计,我对万用板、示波器、万用表和555定时器等电子仪器和电子元件的基本应用方法有了更深一步的理解,既检验了以前学过的理论知识又为以后的学习打下了非常坚实有力的基础,也了解到了过去学习所未了解到的知识,真正做到了理论与实践相结合,更扩充了自己的知识面,而且还加深了团队合作意识和互助精神,知道了在一个集体中,个人的力量是渺小的,只有团队的力量统一起来,事情才变得不再难办。
在这次课程设计中,我们从开始选课题到电路设计过程中,遇到了一些分歧,经过大家不断交流分歧得以消除。
同时也有过迷茫,制作出的电路有段时间一直有错误,我和小组的其他同学一起讨论了好长时间一直没有找到,最后再请教刘老师,刘老师在看过电路图之后,一语道破玄机,所有的问题和迷茫都迎刃而解。
在制作电路时,我们在制作电路之处,曾做过三、四个方案,经过理论分析之后,挑出了两套方案,但经过实践之后,最终确定下了用74LS148和74LS192,74LS00等元件构成的八路抢答器。
这次课程设计使我受益匪浅,为今后的理论学习和实践都打好了提前量,也为未来的毕业设计的下了基础.虽然这个项目还不是很完善,但是在设计过程中所学到的东西,使我终身受益。
致谢
三周时间的课程设计终于结束了,通过三周以来同学的努力,在刘老师之前的指导下,我们完成了这次的课程设计。
在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。
在此要感谢我的指导老师,感谢电子系老师老师给我这样的机会锻炼。
在整个设计过程中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。
虽然这个项目还不是很完善,但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富,使我终身受益。
参考文献
[1].《数字电子技术基础简明教程》.高等教育出版社.余孟尝。
[2].《全新实用电路集》机械工业出版社
[3].《集成芯片手册》
附录1整机电路图
附录2元件清单
序号
名称
型号和参数
数量
1
电阻
10K
9
2
电阻
15K
1
3
电阻
1K
1
4
电阻
68K
1
5
电阻
510
2
6
三极管
3DG130
1
7
蜂鸣器
1
8
发光二极管
红LED
1
9
集成块
74LS48
3
10
集成块
74LS192
2
11
集成块
74LS297
1
12
集成块
74LS148
1
13
集成块
NE555
1
14
自锁开关
1
15
按键开关
8
16
数码管
LG5011AH
3
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- 多功能 数字 抢答 设计 说明