1、數字電子技術基礎 課 程 設 計姓 名:何陽光 學 號:班 級:指導教師:申利平重慶大學電氣工程學院 2009年 6月數字式競賽搶答器一、 【內容提要】在許多比賽活動中,為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者,通常設置一臺搶 答器,通過數顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時還可以設置記分、犯 規及獎勵記錄等多種功能。 該設計就是針對上述各種要求設計出的供 6名選手參賽使用 的數字式競賽搶答器。 數字搶答器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

2、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。經過布線、 焊接、調試等工作后數字搶答器成形 。 二 、 【 設計內容及要求 】1.設計制作一個可容納六組參賽的數字式搶答器,每組設計一個搶答按鈕供搶答 者使用。2.電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能。在主持人將系統復位并發出搶答指 令后,若參賽者按搶答開關,則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的組別, 同時揚聲器發出“嘀-嘟”的雙音音響持續 23秒。此時,電路應具備自鎖功能,使 別組的搶答開關不起作用。3.設置記分電路。每組在開始時預置成 100分,搶答后由主持人記分,答對一次 加 10分,否則減 10分。4.設置定時電

3、路。30秒時仍無人搶答,則報警電路工作表示搶答時間耗盡并禁止 搶答。5.設置犯規電路。對提前搶答和超時搶答的組別鳴喇叭示警,并由組別電路顯示 出犯規組別。三、 【設計及選定的方案】(一.設計思路(1本題的根本任務時準確的判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現這一功 能可用觸發器和鎖存器等。在得到第一信號后應立即將電路的輸入封鎖,即使其他組再 次發出搶答信號也無效。同時還必須注意,第一搶答信號應該在主持人發出搶答命令之 后才有效,否則應視為提前搶答而犯規。(2當電路形成第一搶答信號之后,用編碼、譯碼及數碼顯示電路顯示出搶答者的組別,也可以用發光二級管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號控

4、制一 個具有兩種工作頻率的交替變化的音頻振蕩器工作,使其推動揚聲器發出兩個笛音音 響,表示該題搶答有效。(3記分電路可采用 3位七段數碼管顯示,由于每次都是加或減 10分,故個位總保持 為零,只要十位和百位做加/減計數即可,可采用兩級十進制加/減計數器完成。(二.方案及相關原理1.總體方案原理框圖: 圖 1數字式智力競賽搶答器原理框圖其工作原理為:接通電源后,主持人將開關撥到 "清零"狀態,搶答器處于禁止狀 態,編號顯示器滅燈,定時器顯示設定時間;主持人將開關置撥至開始"狀態,宣布"開 始",搶答器工作。搶答定時器 30秒倒計時,揚聲器給出聲響

5、提示。選手在定時時間內 搶答時,搶答器完成:優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示等功能。如果再次 搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態開關。2.單元電路設計 (1搶答開關電路搶答開關電路原理圖該電路完成兩個功能:一是分辨出選手按鍵的先后,并鎖存優先搶答者的編號, 同時譯碼顯示電路顯示該編號;二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程:開關 S 置 于"清零"端時,RS 觸發器的 端均為0,4個觸發器輸出置0,使 74LS148的 = 0,使之處于工作狀態。當開關 S 置于"開始"時,搶答器處于等待工作狀態

6、,當有選手將鍵按下時 (如按下 S5,74LS148的輸出 經 RS 鎖存后, 1Q=1, 010012=Y Y Y , 0=EX =1,74LS48處于工作狀態, 4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為"5"。 此 外 , 1Q=1, 使 74LS148的 =1,處于禁止狀態,封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時,74LS148的 ST 此時由于仍為1Q=1,使 =1,所以 74LS148仍處于禁止狀態,確保不 , 1=EX ST 會出二次按鍵時輸入信號,保證了搶答者的優先性。如有再次搶答需由主持人將S開關 重新置于“清除”端,然后再進行下一輪搶答。74LS148為8線-3

7、線優先編碼器,圖 3為其功能表。 圖 374LS148的功能真值表74LS48功能說明:動態滅零輸入端 :低電平有效。當 =1、 =0、且譯碼輸入全為 0時 , 該位輸出不顯示,即 0字被熄滅;當譯碼輸入不全為 0時,該位正常顯示。本輸入端用 于消隱無效的 0。如數據 0736.40可顯示為 736.4。 74LS48外部接線圖(2定時電路由節目主持人根據搶答題的難易程度,設定一次搶答的時間,通過預置時間電路對計 數器進行預置,計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預置時間的電路選用十進制同 步加減計數器 74LS192進行設計。a搶答定時電路可預置時間的定時電路b 答題定時電路(3報警電路由

8、555定時器和三極管構成的報警電路如圖 11、4所示。其中 555構成多諧振蕩器,振 蕩頻率 fo=1.43/(RI+2R2C,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,電路停振。報警電路(4時序控制電路時序控制電路是搶答器設計的關鍵,它要完成以下三項功能: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 正常搶答工作狀態。當參賽選手按動搶答鍵時,揚聲器發聲,搶答電路和定時電路停止工作。 當設定的搶答時間到,無人搶答時,揚聲器發聲,同時搶答電路和定時電路停 止工作。圖中,門 G 1的作用是控制時鐘信

9、號 CP 的放行與禁止,門 G 2的作用是控制 74LS148的輸人使能端 。 ST時序控制電路圖 6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,來自 圖 2中的 74LS279的輸出 1Q=0,經 G3反相, A=1,則時鐘信號 CP 能夠加到 74LS192的 CP D 時鐘輸入端,定時電路進行遞減計時。同時,在定時時間未到時,則“定時到信 號”為 1,門 G 2的輸出 =0,使 74LS148處于正常工作狀態, 從而實現功能的要求 。 ST當選手在定時時間內按動搶答鍵時,1Q=1,經 G 3反相, A=0,封鎖 CP 信號,定時器 處于保持工作狀態;同時,門 G 2的

10、輸出 =1,74LS148處于禁止工作狀態,從而實現 ST功能的要求。當定時時間到時,則“定時到信號”為 0, =1,74LS148處于禁止工 ST作狀態,禁止選手進行搶答。同時,門 G 1處于關門狀態,封鎖 CP 信號,使定時電路保 持 00狀態不變,從而實現功能 的要求。集成單穩觸發器 74LS121用于控制報警電路 及發聲的時間。3. 整體電路重慶大學數字電子技術課程設計 四 、 調試的內容】 【 我組只驗證了搶答電路圖，其他電路沒有驗證。 1.調試的方法： 不通電檢查 電路安裝完畢后，不要急于通電，應首先認真檢查接線是否正確， 包括多線、少線、錯線等，尤其是電源線不能接錯或接反，以免通

11、電后燒壞電路或元器 件。查線的方式有兩種：一種是按照設計電路接線圖檢查安裝電路，在安裝好的電路中 按電路圖一一對照檢查連線；另一種方法是按實際線路，對照電路原理圖按兩個元件接 線端之間的連線去向檢查。無論哪種方法，在檢查中都要對已經檢查過的連線做標記， 使用萬用表檢查連線很有幫助。 直觀檢查 連線檢查完畢后，直觀檢查電源，元器件接線端之間有無短路，連線 處有無接觸不良。 通電檢查 把經過準確測量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測量數 據和觀察結果，首先要觀察有無異常現象，包括有無冒煙、有無異常氣味、觸摸元件是 否有發燙現象、電源是否短路等。如果出現異常，應立即切斷電源，排除故障后可重新

12、 通電。 分塊調試包括測試和調整兩個方面。測試是在安裝后對電路的參數及工作狀態進 行測量；調整則是在測試的基礎上對電路的結構或參數進行修正，使之滿足設計要求。 為了使測試能夠順利進行，設計的電路圖上應標出各點的電位值，以及其他參考數 值。 調試過程中我們不能單憑感覺和印象，要始終借助儀器觀察， 2、調試注意事項 測試之前要熟悉各種儀器的使用方法，并仔細加以檢查，避免由于儀器使用不當 或出現故障而作出錯誤判斷。 測試儀器和被測電路應具有良好的共地，只有使儀器和電路之間建立一個公共地 參考點，測試的結果才是準確的。 調試過程中，發現器件或接線有問題需要更換或修改時，應關斷電源，待更換完 畢認真檢查

13、后方可重新通電。 調試過程中，不但要認真觀察和檢測，還要認真記錄。包括記錄觀察的現象、測 量的數據間關系，必要時在記錄中應附加說明，尤其是那些和設計不符合的現象更是記 11 重慶大學數字電子技術課程設計 錄的重點。依據記錄的數據才能把實際觀察的現象和理論預計的結果加以定量比較，從 中發現問題，加以改進，最終完善設計方案。通過收集第一手資料可以幫助自己積累實 際經驗，切不可低估記錄的重要作用。 安裝和調試自始至終要有嚴謹的科學作風，不能抱有僥幸心理。出現故障時，不要手 忙腳亂，馬虎從事，要認真查找故障原因，仔細作出判斷，切不可一遇到故障解決不了 時就拆線重新安裝。因為重新安裝的線路仍然存在各種問

14、題，況且原理上的問題也不是 重新安裝電路就能解決的。 3遇到問題及解決措施 故障原因 實際電路與設計的原理圖不符。 元器件使用不當。 設計的原理本身不滿足要求。 誤操作等。 我們作了仔細的檢測，還是沒有達到目的，鎖存器沒有對數進行鎖存，主持人清零后只 有記數。由于諸多因素的影響，我們原來的理論設計可能要作修改，選擇的元器件需要 調整或改變參數，可能還要增加一些電路或元器件，以保證電路能穩定地工作。所以， 調試之后很我們可能要對前面的“選擇元器件和參數計算”一步中所確定的方案再作修 改，最后才能完成實際的總體電路，制作出符合設計要求的電子設備。 五、 實驗總 結】 【 ： 1、可以設計聲控裝置，

15、在主持人說開始時，系統自動完成清零并開始計時的功能。 2、在主持人讀題的過程中，禁止搶答，可以在主持人控制的開關上另接一個顯示電路， 即可實現“違規者可見”的功能，即在主持人讀題時如果有人違反比賽規定搶先按動按 鈕，顯示器可以顯示是哪個參賽隊搶先，便于作出相應的處理。 如果提供相應的器材及時間上的寬限，我想我們已定可以完成上述擴展功能，進一步完 善我們的作品。 六、 【所需元件】 12 重慶大學數字電子技術課程設計 1. 數字實驗箱。 2. 集成電路 74LS148 1 片 ， 74LS279 1 片 ， 74LS48 3 片 ， 74LS192 2 片 ， NE555 2 片 ， 74LS0

16、0 1 片，74LS121 1 片。 3. 電阻 510 2 只，1K 9 只，4.7k l 只，5.1k l 只，100k l 只，10k 1 只， 15k 1 只， 68k l 只。 4. 電容 0.1uF 1 只，10uf 2 只，100uf 1 只。 5. 三極管 3DG12 1 只。 6. 其它：發光二極管 2 只，共陰極顯示器 3 只。 七、 【參考文獻】 1.唐治德主編 數字電子技術 科學出版社 2.李海主編 2009 年 74 系列芯片手冊重慶大學出版社 1999 年 9 月 八、 【心得、體會】 剛剛經歷了模電課程設計，而現在數電課程設計也初步落下了帷幕，就想在模電 課程設計中有諸多的收獲和感慨一樣，這次的數電課程設計也是讓我們絞盡腦汁，經歷 了無數次的仿真失敗，最終才得到了今天這來之不易的報告。經歷多日的電子競賽總算 塵埃落定，感覺忍不住要長出一口氣。我們組的 3 位成員除日常的學習備考外，數日來 ， 為了這個課程設計可謂廢寢忘食，將所有的課余時間均奉獻給了這個課程設計。 結果怎樣已然不再重要，在這幾日里，我們經歷了階段性成功的狂喜、測試失敗 后的絕望、陷入困境時的不知所措，重新投入的振作。這樣的課題是無法孤軍作戰的， 只有通力合作才有可能