《數字電子技術》 6課題二智力競賽搶答器邏輯電路設計 13 19 28 35 35 36數字電子技術課程設計是電子技術基礎教學中的一個實踐環節,它通過設計和搭建一個實用電子產品雛形,鞏固和加深在數字電子技術課出符合任務要求的電路,掌握通用電子電路的在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選和畢業以后從事電子技術方面的科研和開發打下一定的基礎。并初步掌握小型數字系統設計的基本方法。的數字系統。3.培養獨立思考、獨立準備資料、獨立設計規定功能的數字系統的能力。4.培養獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調試和排除故障的能力。5.培養書寫綜合設計實驗報告的能力。根據設計任務，從選擇設計方案開始，進行電路設計；選擇合適的設計電路圖；通過安裝、調試，直至實現任務要求的全部功能。對電路理，走線清晰，工作可靠，經驗收合格后，寫出完整的課程設計報告。設計單元電路，選擇器件，計算參數，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能測試。實際設計過程中往往反復進行以上各步驟，才能達到設計要求，需要靈活掌握。設計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據提出標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現設計求和技術指標。設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務方案的優缺點，從中選優。A.根據設計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設計要求，必要時應詳細擬定主要單元電路的性能指標。B.擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設計。C.單元電路設計應采用符合的電平標準。針對數字電路的課程設計，在搭建單元電路時，對于特定功都相對固定。但由于電路參數要求不同，還需要通過選擇參數來確定集成塊型號。一個電路設計，單用數字電路課程內容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集成塊，因此還需對相應內容熟悉，比如運算放大器的種類和基本和集成穩壓電路的特性和用法。總之，構建單元電路時，選擇器件的電流特性很重要。普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產模和模數轉換電路、采樣和存儲電路等，參數選擇恰當可以發揮其性能成本。單元電路設計過程中，阻容元件的選擇也很關鍵。它們的種類繁多，性能各異。優選的電阻和電容輔助于數字電路的設計可以使其功能多樣化、完整化。數字電路設計以邏輯關系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯之間的正確傳遞決定了設計內容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路整，有條件情況下可應用邏輯分析儀進行測試，確保單元正確。各單元連接是設計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅動電流是整個設計成功的關鍵一步。工作穩定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當的余量；電路低，功耗低；器件數目少，集成體積小，便于生產和維護。課程設計報告應包括以下內容：2.設計任務及其具體要求。功能、輸入信號、輸出信號、電路設計原理圖及其功能闡述、所選用的件等）。應標明接線引出端名稱、元件編號等）。5.器件清單。6.調試結果記錄。7.總結與體會。課程設計報告應內容完整、字跡工整、圖表整齊、數據詳實。小到人們日常生活中的電子手表，大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數顯電子鐘。數字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。24進制時分頻器分頻器單次或連續脈沖由圖1.1可見，數字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發生器；校時電路；六十進制秒、分計數器，二十四進制（或十二進制）計時計數器；秒、分、時的譯碼顯示部分等。用中、小規模集成電路設計一臺能顯示日、時、分、秒的數字電子鐘，要求如下：2.秒、分為00～59六十進制計數器。3.時為00～23二十四進制計數器。5.可手動校時：能分別進行秒、分、時、日的校時。只要分別對秒、分、時、日進行手動脈沖輸入調整或連續脈沖輸入的校正。6.整點報時。整點報時電路要求在每個整點前嗚根據設計任務和要求，對照數字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進行模塊化設計。常用晶體振蕩器發出的脈沖經過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為3276820pF3～20pF1132768Hz22MΩ374LS7420pF3～20pF1132768Hz22MΩ3CD4060RQ14清零，就為二十四進制了。所以我們設計這個七進制計數器，應根據譯碼顯示器的狀態表來進行，如表1.1所示。示器。日123456置開關在手動位置，分別對時、分、秒、日進行單獨計數，計數脈沖由單次脈沖或連續脈沖輸入。當分為59時，則秒在計數計到54時，輸出一數字電子鐘邏輯電路參考圖如圖1.3所示。74LS24874LS24874LS24874LS24874LS248abcdefgDCBA74LS24874LS24874LS24874LS24874LS248abcdefgDCBA74LS248&&&&&&&&&&74LS0074LS0074LS0074LS00&—0& —0& &SRR&SRR&4自動/SdRS1S二74LS00二74LS00200Ω200ΩST1KΩ1&ST1KΩ1&1 2.2KΩ&10KΩ10KΩRR+100μF/16V+100μF/16V32768Hz113～20pF沖，供時鐘計數器用。按單次脈沖進行校正。如K1在單次，K2數器從星期1到星期日計數。若開關K1處于連續端，則校正時，不需要按動單次脈沖，即可進行校正。單次、連續脈沖均由門電路構成。這一部分電路均使用中規模集成電路74LS161實現秒、分、時的計數，其中秒、分為六十進制，時為二十四進制。從圖3中可以發現秒、分兩組計數器完全相清零”反饋到/CR端，而實現個位十進制，十位六進制的功能。時計數器為二十四進制，當開始計數時，個位按十進制計數，當這時再來一個脈沖，應該回到“零”。所以，這里必須使個位既能完成十進制計數，又能在高低位滿足“23”這一數字后，時計數器清零，圖中采用了十位的“2”和個位的“4”相與非后再清零。對于日計數器電路，它是由四個D觸發器組成的（也可以用JK觸發器其邏輯功能滿足了表1，即當計數器計到6后，再來一個脈沖，用7的瞬態將Q4、當然也可用共陽數碼管和譯碼器。與QH相與后再和1s標準秒信號相與而去控制低音喇叭嗚叫，直至59秒時，產生時。和500Hz從晶振分頻器近似獲得。如圖中CD4060分課題二智力競賽搶答器邏輯電路設計智力競賽是一種生動活潑的教育形式和方法，通過搶答和必答兩種方式能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內，使人們增加一些科學知識和生活知識。實際進行智力競賽時，一般分為若干組，各組對主持人提出的問題，分必答和搶答兩種。必答有時間限制，到時要告警，回答問題正確與否，由主持人判別加分還是減分，成績評定結果要用電子裝置顯示。搶答時，要判定哪組優先，并予以指示和鳴叫。因此，要完成以上智力競賽搶答器邏輯功能的數字邏輯控制系統，至少應包括以下幾個部分。2.判別選組控制部分；3.定時電路和音響部分。1.搶答組數為4組，輸入搶答信號的控制2.判別選組電路。能迅速、準確地判處搶答者，同時能排除其它組的干擾信號，閉鎖其它各路輸入使其它組再按開關時失去作用，并能對搶中者有光、聲顯示和嗚叫指示。3.計數、顯示電路。每組有三位十進制計分顯示電路，能進行加/減計分。4.定時及音響。示燈。搶答時，當搶答開始后，指示燈應閃亮。當有某組搶答時，指示燈滅，最先4.主持人應有復位按鈕。搶答和必答定時應有手動控制。2.判別選組實現的方法可以用觸發器和組合電路完成，也可用一成。例如用MC14599或CD4099八路可尋址輸出鎖存器3.計數顯示電路可用8421碼撥碼開關譯碼電路顯示。8421碼撥碼開關能進行加或減計數。也可用加/減計數器（如74LS1組件，也可用CL002譯碼顯示器。4.定時電路。當有開關啟動定時器時，使定時計數器按減計數或加行工作，并使一指示燈亮，當定時時間到，輸出一脈沖，驅動音響電路工作，并使指示燈滅。根據智力競賽搶答器的設計任務和要求，其邏輯參考電路如下圖所示。+++333---+++++333---+++111---+++222---+++444---1μD/CBAD/CBA1&&1μF10KΩ&1KΩ374LS190/LDD3D2D1D0CP1μD/CBAD/CBA1&&1μF10KΩ&1KΩ374LS190/LDD3D2D1D0CP/RCQ3Q2Q1Q0/CT74LS190D3D2D1D0秒脈沖&f1&&&D4D3D2D1f21&10KΩ10KΩQ+3-+0-&f1&&&D4D3D2D1f21&10KΩ10KΩQ+3-+0-/Rd100KΩ×8100KΩ×8680Ω&680Ω&11B0.01μ0.01μF10KΩ圖2.1為四組智力競賽搶答器邏輯控制電路參考圖，若要增加組數，則需要把計分顯示部分增加即可。分，只需按動撥碼開關十位“+”號一次；若加“20”分，只要按順便提一下，計分電路也可以用電子開關或集成加、減法計數器來組合完成。端采用了阻容方法，以防止開關抖動。定時數據置入計數器，同時使JK觸發器翻轉（Q=1定時器進行減計數定時，定時開始，定時指示燈亮。當定時時間到，即減法計數器為“00”時，Bo為“1”，定時時，應為多音，其時序應為間斷音頻輸出。當定時到，應為單音，其時序應為單音頻輸出，時序如圖2.2所示。f1f2為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號綠燈（G）亮表示允許通行。南北方向NSGYR交通燈控制器的系統框圖如圖3.1所示。南北方向NSGYR東西方向EWGYR系統控制電路1分頻分頻時標設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：它們的工作方式，有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。南北向綠燈亮，東西向紅燈亮—占5t南北向黃燈亮，東西向紅燈亮—占1t南北向紅燈亮，東西向綠燈亮—占5t南北向紅燈亮，東西向黃燈亮—占1tt為時間單位2.應滿足兩個方向的工作時序：即東西方向亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖見圖3.3所示。圖3.3中，假設每個單位時間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮時間的時間之和，黃燈是間歇閃耀。012345678910110123456ttNSGNSYNSR EWR EWGEWY5tt6t3.十字路口要有數字顯示，作為時間提示，以便人們更為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數方式工作，直至減作循環。4.可以手動調整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。5.在完成上述任務后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮時間的2倍或3倍。（2）用LED發光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮時，這一方向的發光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮時，移以從以下幾部分進行考慮。秒（也可以3秒）為一單位時間，則計數器每計4秒輸出一個脈沖。這一電路就很容易實現，邏輯電路參考前面有關課題。計數器可以用單觸發器組成，也可以用中規模集成計數器。這里我們選用中規模74LS164八位移位寄存器組成扭環形12進制計數器。扭環形計數器的狀態表如表3.1所示。t00000001001110000010012100000100131110001001411110010015111110000161111111107011111011080011110110900011101100000110110000000010100根據狀態表，我們不難列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式：顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數器開始工一位置上，開關在自動位置時，則交通信號燈按自動循環工作方式運行。夜間時，將夜間開關接通，黃燈閃亮。用移位寄存器組成汽車模擬控制系統，即當某一方向綠燈亮時，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮時，則使該方向的移位停止。如圖3.4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。QHQGQFQEQDQCQBQA移位寄存器74LS164-21&LEDQHQGQFQEQDQCQBQA移位寄存器74LS164-21&QHQGQFQEQDQCQBQA移位寄存器74LS164-1NSG1移位脈沖移位脈沖NSYNSR根據設計任務和要求，交通信號燈控制器參考電路，如圖3.5所示。秒脈沖電路可用晶振或RC振蕩電路構成。s1&s1&-111TT&1-111TT&1TT1T1T、、&& 1&&& 1&&&lK1&11&&&&&lK1&11&&&&&它由74LS164組成扭環形計數器，紅燈滅。數器方式工作，從數字“24”開始往下減，當減到“0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西方向紅燈滅信號（EWR：0）使與門關斷，減法計數器工作結束，而南北方向紅燈亮使另一方向——東西方向減法計數器開始工作。在減法計數開始之前，由黃燈亮信號使減法計數器先置入數據，圖中接入U/ 亮（R=1）開始減計數。平，在CP移位脈沖作用下，而向前移位，高電平“H”從QH一直移到QA（圖中74LS164-1）由于綠燈在紅燈和黃燈位高電平時，它為低電平，所以74LS164-1QA都能在CP移位脈沖作用下向前移位。這就意味著綠燈亮時汽車向前運行這一功能。要說明一點，交通燈控制器實現方法很多，這里就不一一舉例了。設計構成一個控制汽車六個尾燈的電路，用六個指示燈模擬六個尾燈（汽車每側三個燈并用兩個撥動式（乒乓）開關作為轉彎信號源；一個兵乓開關用于指示右轉彎，一個乒乓開關用于指示左轉彎，如果兩個乒乓開關都被接通，說明駕駛員是一個外行，緊急閃爍器起作用。暗亮時鐘產生時鐘產生邏輯電平指示控制電路邏輯開關(b)(a)尾燈閃爍器(b)尾燈控制電路方框圖周期性明亮與暗，一周約需一秒，對于左轉彎，左邊燈的操作應相類似；當緊急閃爍起作用時，六個尾燈大約以1Hz的頻率一致地閃爍著個開關模擬腳踏制動器，制動時，若轉彎開關未合上（或錯誤地將兩個開關均合上另三個尾燈連續亮。另一個開關模擬停車，停車時，全部尾燈亮度為正常的一半。汽車尾燈控制電路由四部分組成，如圖4.1（b）所示，控制電路、時鐘發生電路、邏輯開關及邏輯電平指示。器構成。尾燈亮度為正常一半）。接線圖由同學自己擬定。（1）設置轉彎信號狀態計數電路。（2）設置時鐘發生電路（f=1Hz）。（3）設置控制電路。（4）設置邏輯開關。（5）畫出汽車尾燈控制電路圖。（1）74LS11三輸入與門2片。（2）74LS175觸發器1片。（6）CD40106反相施密特觸發器1片。（7）電阻、電容、導線若干。（8）面包板2塊。設計一個測試溫度范圍為0～100□的數字溫度計。A/D器放大電路譯碼器顯示器數字溫度計一般由溫度傳感器、放大電路、模數轉換、譯碼顯示等幾個部分組A/D器放大電路譯碼器顯示器溫度傳感器溫度是最普通最基本的物理量，用電測法測量溫度時，首先要通過溫度傳感器將溫度轉換成電量，溫度傳感器有熱膨脹式（雙金屬元件和水銀柱開關溫差電勢效應電壓式（熱電偶電阻效應式電阻溫度計（有鉑、鎳及鎳鐵合金和熱敏電阻）。半導體感受式（測溫電阻、二極管和集成電路器件如AD590）。AD590是一種單片集成的兩端式溫度敏感電流源，它有金屬殼裝芯片和不銹鋼等幾種封裝方式，它是一個電流源，所流過電流的數值(μA級）等□~+110□。圖5.2是它的應用示例圖。AD590-AD590-II2II2I1O在測量溫度時，AD590往往要接到需要電壓輸入的系統中，圖5.2是用兩個AD590和一個運算放大器進行溫度測量的基本電路，其輸出電壓VO=（T1-T2）50mv/□,若T2=0□,則為待測溫度，當T1=T2時，由于AD590之間的失配或者有小的溫度差，用電阻R1和R2能夠調掉偏置。度數值與電壓之間的換算關系。（1）查閱資料選擇溫度傳感器。（2）設計溫度測量電路（確定溫度與電壓之間的轉換關系）。（3）設計溫度顯示電路（顯示的數字應反映被測量的溫度）。（4）畫出數字溫度計電路圖，讀數范圍0～100□,讀數穩定。（1）溫度傳感器AD590等。（4）譯碼器：（自選）需將二進制數轉換成BCD碼。（5）BCD碼的七段碼顯示器74LS483片。（6）數碼管（共陰性）3只。（7）電阻、電容若干。（9）面包板2塊。設計一個多路防盜報警電路，要求：（1）輸入電壓：DC12V。（2）輸出信號：同時驅動LED和繼電器。（3）具有延時觸發功能。（4）具有顯示報警地點功能。（5）可以根據需要隨時擴展報警路數。延時電路放大電路負載觸發電路延時電路放大電路延時電路放大電路多路報警器采用多路輸入、同一報警輸出方式實現。輸入端帶延時觸發功能，延時電路放大電路負載觸發電路延時電路放大電路延時電路放大電路觸發電路驅動電路觸發電路參考電路如圖6.2所示，包括：指示燈，指示報警，同時信號經過二極管D觸發后續報警電路。（2）報警電路：報警電路由NE555和驅動電路構成。 6+C2-1D VQ+-+C2-1D VQ+-設計一個簡易4層電梯控制電路。電梯控制器是控制電梯按顧客的要求自動上下的裝置。（1）觀察電梯的工作過程，描述出所設計電梯控制電路的邏輯功能。（2）電梯升降一層所需時間可自行設計。信號保留至執行后消失。實現定時開或者定時關，最長定時時間為99長記時時間為999秒，有三位數碼管顯示記數狀態。設計思路:用三個可預置數的減計數器組成三位二-十控制器隨著計數器計數的狀態發生改變，計時期間，用電氣開關斷開，時，用電氣開關閉合。數字表根據用車起步價、行車里程計費及等候時間計費三項顯示客戶用車總費用，打印單據，還可設置起步、停車的音樂提示或語言提示。1.自動計費器具有行車里程計費、等候時間計費和起步費三部分，三項計費統一用4位數碼管顯示，最大金額為99.99元。為8.00元。要求行車時，計費值每公里刷新一次；等候時每10分鐘刷新一次；行3.在啟動和停車時給出聲音提示。方案1采用計數器電路為主實現自動計費。進行計數，而起價可以通過預置送入計數器作為初值，如圖1的原理框圖所示。行應的脈沖數，例如單價是1.80元/km，則設計一個一百八十進制計數器，路的秒脈沖作六百進制計數，得到10分鐘信號，計數器根據起步價所置的初值，加上里程脈沖、等候時間脈沖即可得到總的用車費用。總費計數數據鎖存譯碼顯示P2求和行車里程計數器總費計數數據鎖存譯碼顯示P2求和行車里程計數器里程單價計數器P1等候時間計數器P1等候時間計數器10分鐘單價計數器起步價P0起步價打印機上述方案中，如果將里程單價計數器和10分鐘等候單價計數器用比例乘法器完成，則可以得到較簡練的電路。它將里程脈沖乘以單價比例系數得到代表里程費用的脈沖信號，等候時間脈沖乘以單位時間的比例系數得到代表等候時間的時間費用脈沖，然后將這兩部分脈沖求和。里程脈沖顯示電路復位電路打印機看門狗電路音響電路10分鐘的時間信號控制加法器加上相應的單價值，就能計算出用車里程脈沖顯示電路復位電路打印機看門狗電路音響電路89C51單片機方案2采用單片機為主實現自動計費。單片機具有較強的計算功能，以8位MCS51系列的單片機備的條件，任選其中的一種方案作具體設計。本例作為傳統電子設計方法的實例，11&o1&&o1&111&&NS0&&里程計費電路如圖3所示。安裝在與汽車輪相接的渦輪變速器上的磁鐵使干簧繼電器在汽車每前進10m閉合一次，即輸出一個脈沖信號。汽車每前進1km則輸中，干簧繼電器產生的脈沖信號經施密特觸發器整形得到CP0。CP0送入由兩片沖的計費是0.01元，稱為脈沖當量。11&/Q2Q2RDABCETEP74HC161DLD1&/Q2Q2RDABCETEP74HC161DLD11&CPRDABCETEP74HC161CPQAQBQCDLD111RDABCETEP74HC161CPQAQBQCDLDRDABCETEP74HC161CPQAQBQCDLD+5V11560Ω1RDABCETEP74HC161CPQAQBQCDLDRDABCETEP74HC161CPQAQBQCDLD+5V11560ΩRDABCETEP74HC161CPQAQBDLD&&CP2數器對秒脈沖CP2作計數，當計滿一個循環時也就是等候時間滿10分鐘。一方面（5）構成的一百五十進制計數器（10分鐘等候單價）開始計數，計數期間同時將沖當量為0.01元，等候計時的起始信號由接在74HC161（1）的手動開關給定。如圖5所示，其中計數器由4位BCD碼計數器74LS160構成，對來自里程計費電路的脈沖P2和來自等候時間的計費脈沖P1進狀態值送入由2片8位鎖存器74LS273構成的鎖存電路鎖存，然后由七段譯碼器74LS48譯碼后送到共陰數碼管顯示。10KΩ+4.7μFEPA&&10KΩ10KΩ4.7μF+3.3KΩ3.3KΩ/S310KΩ/S3 + 4.7μF1 + 4.7μF1計數、譯碼、顯示電路為使顯示數碼不閃爍，需要保證計數、鎖存和計數器清Q2或Q1為高電平1期間，計數器對里程脈沖計數完1km脈沖（或等候10分鐘脈沖）則計數結束。現在應將計數器的數據鎖存間保證數據鎖存可靠。鎖存到74LS273中的數據由74LS4（2）設置了第二級單穩電路，該單穩電路用第一級單穩輸出脈沖的下跳沿啟動，經延時后第二級單穩的輸出產生計數器的清零信號。這樣就保證了“的先后順序，保證計數和顯示的穩定可靠。P1(或P2)計數Q1(或Q2)計數鎖存單穩電路1Q單穩電路2Q清零時鐘電路提供等候時間計費的計時基準信號，同時作為里程計費和等候時間計費的單價脈沖源，電路如圖7所示。Vcc 3