1、梧州學院課程設計論文（2013-2014學年下學期）課程名稱數字電路論文題目八路數字智力搶答器系別信息與電子工程學院專業電子信息工程班級電本一班學號000000000000學生姓名聰明的小強指導教師XXX完成時間2n15年7月題號一、實物二、課程設計論文總分滿分503020206020100評分依據電路設計電路的調試及工作情況回答問題論文規范性設計原理簡述及原理圖測試結果及分析得分總分工實物桁0%+課程設計報告書*50%o摘要搶答器作為一種工具，已經廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。本設計以八路智力競賽搶答器為基本概念，從實際應用出發，用數字、模擬電子器件設計具有擴充功能的搶答器。該設計數字搶

2、答器就是利用數字電子技術實現的。主要為了實現搶答、定時、顯示、報警功能。其電路由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。當有選手按下按鈕時，優先鎖存，其他選手在按時無響應，直到主持人按下清零按鈕之后,才能開始下一輪的搶答。比較實用。該數字搶答器可以廣泛應用于各種競賽，確保競賽的準確，公平。該數字搶答器雖然可以用單片機程序來完成，但繁瑣和代價高。而用集成電路設計制作搶答器：方便，價格便宜，還易于擴展。關鍵字：

3、編碼，譯碼，555定時器，搶答器目錄第一章引言11.1 設計要求11.2 系統概述1第二章設計方案分析與論證32.1 設計方案分析32.2 方案的論證與選擇3第三章單元電路設計53.1 搶答電路設計53.2 定時電路設計73.3 時序控制電路設計13第四章智能搶答器實物制作154.1 原理圖設計和PCB設計154.2 實物焊接及調試164.3 實物展示17第五章測試結果分析與設計體會205.1測試結果與分析205.2設計體會與實驗總結20參考文獻21附錄元器件清單22第一章引言1.1 設計要求(1)基本要求1 .設計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽，其編號分別是0、1、

4、2、3、4、5、6、7,各用一個按鈕，按鈕的編號分別與選手的編號相對應，分別是SO、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7來表示。2 .給節目主持人設置一個控制開關S,用來控制系統的清零(編號顯示數碼管的燈滅)和搶答的開始。3 .搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數碼管上顯示相應編號，同時揚聲器給出音響提示。止匕外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。(2)擴展功能1 .搶答器具有定時搶答的功能，一次搶答的時間可以由主持人設定(設為155) o當節目支持人按下“開始”鍵后，要求定時器立即減

5、計時，并在顯示器上顯示，同時揚聲器發出短暫的聲響，聲響時間持續0.5s左右。2 .參賽選手在設定的時間內搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統清零為止。6 .如果定時時間已到，無人搶答，則本次搶答無效，則本次搶答無效，系統短暫報警，并封鎖輸入電路，并禁止選手超時搶答，時間顯示器上顯示00。1.2系統概述搶答器的組成框圖如下：如設計框圖所示，由主體電路和擴展電路兩部分。其中主體電路完成基本的搶答功能，即主持人按下控制開關后，當選手按動搶答鍵時，數碼管顯示選手編號，同時封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。搶答的過程是：接通電

6、源后，主持人將控制開關置于“清除”處，此時搶答器處于禁止狀態，編號顯示器燈滅，定時顯示器顯示設定的時間（30s）,當主持人宣布搶答題目后,說一聲“搶答開始”，同時將控制開關置于“開始”位置，揚聲器發出聲響提示，搶答器處于工作狀態，同時定時器開始倒計時。檔定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統報警并封鎖輸入電路，禁止選手歐超時搶答。當選手在定時時間內按動搶答鍵時，搶答器要求完成以下四項工作：（1）優先編碼電路立即分辨搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編碼。（2）揚聲器發出短暫聲響，提醒節目主持人注意。（3）控制電路要求對輸入編碼進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答：（4）控制電路

7、要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統清零為止。當選手將問題回答完畢后，主持人操作控制開關，將系統回復到禁止狀態，以便進行下一輪的搶答。19第二章設計方案分析與論證2.1 設計方案分析方案一：原理：當主持人控制開關處于“清除”位置時，RS觸發器的R端為低電平，輸出端（4cMQ）全部為電平。于是74LS48的BI=O,顯示器滅燈；74LS48的選通輸入端ST=O,74LS48處于工作狀態，此時鎖存電路不工作。方案二：原理：當主持人開關撥到“開始”位置時，優先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態，即搶答器處于等待工作狀態，等待輸入端I7IO輸入信號；當有選手將按鍵按

8、下時（即按下S5）,74LS148輸出Y2Y1Y0=010,YEX=O,經RS鎖存器后，CTR=1,BI=0,74LS148處于工作狀態，4Q3Q2Q=101,經74LS48譯碼后，顯示器顯示“5”。此外，CTR=1o使74LS148的ST端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態，封鎖了其他按鍵的輸入。當按下的鍵松開后，74LS148的YEX為高電平，但由于CTR維持高點平不便，所以74LS148仍處于禁止工作狀態，其他鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優先性以及強搶答電路的準確性。當優先搶答者回答完問題后。由主持人控制開關S,使搶答電路復位。以便進行下一輪的搶答。2.2 方案論證與

9、選擇方案一中，主要多了一個基本RS觸發器，以及相對的74LS148弓|腳與74LS279之間連線的相應改變，這又涉及到之后的提高方案中的連線的改變。它有自身的優點，即基本RS觸發器又相當一鎖存器（74LS279）,它可以對主持人的指令進行進一步的鎖存，這樣就可以增強它的抗干擾能力，但其線路過于復雜，另外此次實驗所用的電路板對電路設計的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精練越好，所以它不是首選方案。而由于方案二已能滿足基本設計和提高設計的要求，而且它的原理更簡單易懂，直觀明了，元件更少，連線更方便，焊接更可靠，且比較容易實現，所以最終選用了方案二。第三章單元電路設計3.1搶答電路設計搶答電路的

10、功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優先搶答者的編號,供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優先編碼74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能。搶答電路設計所需芯片引腳圖：SNS4/74LS146SM54 仃4LS7。 (TOP VIEW)0U1W8 哼叩 WTFU1Vre TO bS 3210M 心OUTPUT6B C LT eijReot 7448 陽1 74LS48 D I At GWO1 f 621531441351261171089VccfigbcdJeBCD-七段薜碼器驅動器74fs279的引腳圖及功能真值表Connection Diagr

11、amFunction Table偉 博十IQ 2l 2$20 GM)InputsOutpurtT (Note 1|RQ一一-：Nc:e 2:LHHHLLHH1 " HISHLeveL LOW Level能x弋 5e*?rtinput csngi*cr» he 51NateFywe- ooci5eT npbes：H - tCT-cr« or Mtr s O'ANote 2; Thii cutoutaevel Is a»tvAs static; gtiictpciBst whrn0 ira R rputste Wk? 2加” h GHi74LS148

12、的功能表:輸人葡出ST瓦w砥瓦西瓦圾%兄界%1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX000001XXXXXX01001010XXXXK011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111011010X0111111110010011111111110121A A i & r* I i i J D圖3-1搶答部分原理圖此部分電路主要完成的功能是實現8路選手搶答并進行鎖存，同時有相應數碼顯ZjO工作過程：當主持人控制開關處于“清零”位置時，RS觸發器的R端為低電平,輸出端（4Q1Q）全部為低電平。于是74LS48的BI=

13、O,顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST=O,74LS148處于工作狀態，此時鎖存電路不工作。當主持人將開關撥到“開始”位置時，優先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態，既搶答器處于等待工作狀態，等待輸入端17、16、15、14、13、12、L、I。輸入信號，當有選手將鍵按下時（如按下S5）,74LS148的輸出丫2丫、0=010,Yex=O,經RS鎖存器后，CTR=1,Bl=1,此時74LS279處于工作狀態，4Q3Q2Q=101,經74LS48譯碼后，顯示器顯示出“5”。此外，CTR=1,使74LS148的ST端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態，封鎖了其它按鍵的輸入。當按下的鍵

14、松開后，74LS148的Yex高電平，但由于CTR維持高電平不變,所以74LS148仍處于禁止工作狀態，其它按鍵的輸入信號仍不會被接受。這就保證了搶答者的優先性以及搶答電路的準確性。當優先搶答者回答完問題后，主持人操作控制開關S,使搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。RS觸發器功能:一Q1.保持狀態。當輸入端接入S=R=1的電平時，如果基本SR觸發器現態=1、Q=o,則觸"詈次態Q=1、Q=0；若基本SR觸發器的現態Q=0、Q=1,則觸發器次態Q=0、即S=R=1時，觸發器保持原狀態不變。S2.置0狀態。當 =1,QR=0時，如果基本SR觸發器現態為 =1Q=0,因 R =0,會置0置

15、11保持使Q.，而Q總與s=1共同作用使Q端翻轉為o；如果基本sr觸發器現態為Q=o、QQQS一=1,同理會使=0,=1o只要輸入信號=1,R=0,無論基本SR觸發器的輸出現態如何，均會使輸出次態置為。態。3.置1狀態。當S=0、R=1時，如果觸發器現態為Q=0、0=1,因S=0,會使Gi的輸出端次態翻轉為1,而Q=i和r=i共同使G2的輸出端Q=o；同理當Q=i、Q=o,也會使觸發器的次態輸出為Q=1、Q=0;只要S=0、R=1,無論觸發器現態如何,均會將觸發器置1oSQQ4.不定狀態,當=R=0時，無論觸發器的原狀態如何，均會使=1,=1。當脈沖去掉后，S和R同時恢復高電平后，觸發器的新狀

16、態要看Gi和G2兩個門翻轉速RS觸度快慢，所以稱5R=o是不定狀態，在實際電路中要避免此狀態出現。基本發器的邏輯圖、邏輯符號和波形圖如圖17所示。(a)邏輯圖(b)邏輯符號(c)波形圖SR圖3-2基本SR觸發器3.2 定時電路設計該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS192減法計數電路、74LS48譯碼電路和2個7段數碼管即相關電路組成。完成的功能是當主持人按下開始搶答按鈕后，開始進行倒計時，到0s時倒計時指示燈亮。當有人搶答時，計時停止。兩塊74LS192實現減法計數，通過譯碼電路74LS48顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74LS192的預置數控

17、制端實現預置數30s,計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數器開始減法計數工作，并將時間顯示在共陰極七段數碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，輸出低電平到時序控制電路，同時以后選手搶答無效。3.2.1 74LS192主要功能介紹：74LS192的CPU為加計數時鐘輸入端，CPD為減計數時鐘輸入端。LD為預置輸入控制端，異步預置。CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除。TCU為進位輸出，TCD為借位輸出。其真值表和引腳圖如下：74LS192功能表：15三 10 而P0P1P2P3Q0Q1Q2Q3326754o14 一CPuCPd

18、PLMRTCuTCd輸入輸出MKPL%*F3P2PlP0Q3Q2QIQ01XXXXXXX0口0000XXicbadcba.1011XXXX加計數a111XXXX減討數(a)圖3-374LS192引腳圖3.3 報警電路設計3.3.1 由555定時電路和三極管構成的報警電路如圖所示。其中555定時電路構成多諧震蕩器。其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之停振。555功能介紹：ZI1 -GND2 -Tngger3Output4 Reset5 -Controlvoltage6 -Threshold7 -Discharge8 -Vcc圖3-474LS192弓

19、|腳圖ccvn(TH)5kQ+VC2&G35kQ35用555定時器可以組成單穩態觸發器和多諧振蕩電路，如圖3-7和3-8所示,圖3-6單穩態觸發器電路圖由555組成的單穩態觸發器的電路圖。將555定時器的6號腳和7號腳接在一起，并添加一個電容C和一個電阻R,就可以構成單穩態觸發器。電容接在電源與6號腳之間，電阻接在7號腳和地之間。這個單穩態觸發器是負脈沖觸發的。穩態時，這個單穩態觸發器輸出低電平。暫穩態時，這個觸發器輸出高電平。5號腳懸空時，輸出脈沖寬度為尺CM3。5號腳接控制電壓"%時，輸出脈沖寬度公式為：在這里，單穩觸發器主要是用于控制喇叭聲響的時長，這就要通過控制觸發器

20、的輸出脈寬來實現.設計要求喇叭聲響時長為1秒.經計算得到在單穩觸發器中的各參數如下：C=0.01微法Rp=91M歐R184上£ 555 ；信號311輸入P2f 555<21 11_n_11h 丁 1 Tj/圖3-8報警電路原理圖由圖中可以看到，接上電源后，當信號輸入為高電平時，第一個555連接成的單穩態觸發器的輸出為低電平，處于穩定狀態，這時，右邊的多諧振蕩器的復位輸入為低電平，所以其輸出也為低電平，揚聲器不發音。當信號輸入為低電平時，單穩態觸發器被觸發，處于暫穩態，此時其輸出為高電平，輸入到多諧振蕩器的復位端，多諧振蕩工作，輸出為頻率為1.2KHz的脈沖波形。這樣揚聲器就會以

21、1.2KHZ的頻率發出間歇式聲響。圖3-9定時部分原理圖3.3時序控制電路設計時序控制電路是搶答器的關鍵，它要完成以下三項功能：(1)(2)(3)主持人將控制開關撥到“開始”位置時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路進入正常的搶答工作狀態。當參賽對手按動搶答鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路停止工作。當設定搶答時間到時，無人搶答，揚聲器發聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。根據上面的功能要求及，設計的時序控制電路如圖所示：(b)(a)（a）搶答與定時電路的時序控制電路（b）報警電路圖（a）的工作原理是:主持人控制開關從“清除”位置撥到“開始”位置時,74LS279的輸出CTR=O,經G3反相，A

22、=1,則從555定時輸出端的時鐘信號CP能夠力口至U74LS192的CPO時鐘輸入端，定時電路進行遞減時，同時，在定時時間未到時，定時到信號定時時間的內按動搶答鍵時，CTR=1,經G3反相，A=0,封鎖CP信號,定時器處于保持工作狀態；同時，門G2的輸出ST=1,74LS148處于禁止工作狀態,禁止選手進行搶答。同時，們G1處于關門狀態，封鎖CP信號，使定時電路保持00不變，從而實現功能3的要求。第四章智能搶答器實物制作4.1 原理圖設計及PCB設計本次課程設計的電路設計部分都是在AltiumDesigner10.0設計。搶答器總的原理圖和搶答部分PCB圖設計如下：VCCYGC3£5

23、-tL54J聲二-一二EFQrS4IMFKu22-<2_當KzaTKlI:Il:斗在再由WTFFFT0；7UJX;YtM-一斗牛-h三*用3<<°皿C，：，一7二*h4卜由'A卿卿，其用屆I9一F|田-'3.31小F工JJ_Nn«3J島膻恬但,3二已二：三士1=口-1rL51，0小心:«亡ua:,匚二二口'皿Ot-L|0二三.:T:N-mhGOH=GEz,-22JLMK-d>AHH圖4-1搶答器總的原理圖S12Oap。口口0J_orL2母c-T-Ho圖4-2搶答器雙層板PCB圖4.2 實物的轉印利用打印機把已經畫好的

24、PCB圖分層打印在轉印紙上，把轉印紙與雙面同銅板對齊放進轉印機中調整好溫度進行轉印。4.3 實物的腐蝕利用濃鹽酸與雙氧水腐蝕銅板，腐蝕過程應注意濃鹽酸與雙氧水的比例，腐蝕過程應輕輕搖晃，讓銅板充分腐蝕。4.2.1 實物焊接通過實驗原理圖進行實物焊接，各個芯片的引腳功能不能混淆，內部結構以及使用時的注意事項，地線與+5V應分清，個別芯片未用到的管腳不應懸空。同時在電路板上要預先確定電源的正負端，便于區分及焊接。正確焊接各芯片個管腳連接必須查閱各種資料并記錄，以確保在焊接過程和調試過程中芯片不被燒壞，同時確保整個電路的正確性。焊接過程中不應把芯片插到芯片槽中，防止溫度過高燒壞芯片。焊接完電路后應用

25、萬用表逐個檢查每條線的連接情況，看是否出現虛焊與短接的情況，還有焊接時要盡量使布線規范清晰明了，這樣才有利于在調試過程中檢查電路。4.2.2 實物調試和檢查遇到問題解決過程(1)無論怎樣檢查調試數碼管無反應在完成電路的焊接進入調試階段時發現搶答器數碼管無任何顯示，檢查電路的連接未發現任何問題，初步斷定芯片已經損壞，上網查閱有關芯片的資料，利用數字電路實驗箱檢查驗證，可以得出芯片已經損壞無法使用。(2)控制開關無法控制電路數碼管顯示不穩定，其他一切正常，可以斷定開關接觸不良，更換開關問題解決。4.3實物展示：圖5.1整體實物圖圖5-2實物焊接背面圖第五章測試結果分析與設計體會5.1 測試結果與分

26、析調試工作需耐心細心。在調試過程中，有些問題往往是芯片損壞引起的，但也不排除由于線路連接問題，通過對芯片功能的檢驗，對焊點級線路的檢查最后找出出問題所在。5.2 設計體會與實驗總結這次課程設計的電路相比之前做的相對較復雜。所用到的元器件比較多，投入的時間精力級費用打。在整個電路的設計過程中，難點在于怎樣的把每個方塊有機合理整合到一起，這就需要我們平時的積累和學習。不是一朝一夕可以做到的，但是，即使面對實驗過程遇到的困難，我們不要心浮氣躁，要靜下心來仔細比較分析問題以及可行的解決方法，通過上機仿真以及接線調試等可行方案，用心完成此次課程設計。設計過程中，我深刻的體會到，單單靠學習課本上的知識是不夠的，網絡是一個很好的幫手，遇到什么不懂的問題，上網尋找解決的方法，平時也可以與同學交流，借鑒其他同學好的經驗，反復實踐，不