智力竞赛抢答器设计报告DOC.docx
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智力竞赛抢答器设计报告DOC.docx
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智力竞赛抢答器设计报告DOC
一、设计题目1
二、设计要求与设计说明1
三、课题分析与设计说明2
四、设计思路及原理2
五、单元设计及实现3
1、抢答信号产生电路3
2、编码电路3
3、锁存电路4
4、译码电路5
5、延时电路6
6、振荡电路7
六、总体设计及实现9
七、调试仿真10
八、零件表12
九、设计总结13
十、参考资料13
一、设计题目
智力竞赛抢答器
二、设计要求与设计说明
1、最多可以容纳5名选手或5个代表队参加比赛,他们的编号分别为1、2、3、4、5,各用一个抢答按钮,其编号与参赛者的号码一一对应,此外,还有一个按钮给主持人用来清零,这些按钮(共六个)均采用自制的触摸按钮。
2、抢答器具有数据锁存功能,并将所锁存的数据用LED数码管显示出来。
主持人将抢答器清零后,若有参赛者的手指触及抢答器触摸按钮,数码管立即显示出最先动作的选手的编号,同时蜂鸣器发出间歇式声响,声音持续时间约一秒钟。
3、抢答器对参赛选手动作的先后有很强的分辨能力。
即使他们动作的先后只相差几毫秒,抢答器也能分辨出来。
也就是说,数码管不显示后动作选手的编号,只显示先动作选手的编号并保持到主持人清零为止。
4、在各抢答按钮为常态时,主持人可用清零按钮将数码管变为零态,直至有人使用抢答按钮为止。
5、画出总体电路图并列出元器件清单。
三、课题分析与设计说明
智力竞赛抢答器的抢答部分由抢答信号产生电路、编码电路组成,锁存和显示最先动手选手编号的功能由锁存电路、译码电路组成,延时电路在按钮按下后提供一个约一秒的电平信号,经振荡电路振荡送至蜂鸣器,使蜂鸣器产生约一秒的提示音。
主持人清零功能由信号产生电路和锁存电路共同实现。
四、设计思路及原理
模块化电路:
方便电路安装和调试。
将电路分为抢答信号产生电路、编码电路、锁存电路、译码电路、延时电路、振荡电路。
抢答信号产生电路是一组自恢复按钮,提供用以编码的电平信号,编码电路实现将按钮编号编码为二进制数,锁存电路实现对编码的二进制数的锁存,以及将二进制数输入译码电路,译码电路实现将二进制数译码并显示在数码管上,延时电路在按钮按下后产生一个约一秒的电平信号,触发振荡电路,振荡电路起振,蜂鸣器产生约一秒的间断提示音。
五、单元设计及实现
1、抢答信号产生电路
抢答信号产生电路用以产生抢答信号。
电路图如图5.1左边,本设计中信号是以高电平有效,所以按钮都和VCC相接。
前5个为抢答的按钮,第六个为清零按钮。
在编码电路后面有下拉电阻。
图5.1右边为按钮的实物图。
2、编码电路
图5.2
←
编码电路用以将抢答信号编码为二进制数。
如图5.2,编码电路使用7个二极管进行编码。
当按钮没有按下时,74LS75的D0、D1、D2被下拉电阻置0,如果按下1号按钮,则D0被置高,代表二进制数001。
如果3号键被按下,D0、D1被置高,代表二进制数011。
同理可以推出其他按钮。
二极管具有单向导电性,如果1号按钮被按下,高电平不会沿图中红色箭头回流,所以输出只能是001。
同理可以推导出该编码电路可靠可行。
使用该编码电路有以下考虑:
(1)使用二极管传输延迟比门电路小,可以减小分辨时间(二极管传输延迟≤5ns,编码器74LS148传输延迟为10ns~15ns)。
(2)用二极管替换编码器,价格便宜,线路更简洁(网上调查:
一颗IN4148约0.02元,而一片74LS148约2元)。
第6个按钮用于清零,结合以下锁存电路分析。
3、锁存电路
图5.3.1
锁存电路将二进制数锁存,并输入到译码电路。
如图5.3.1,锁存器使用74LS75。
芯片13脚(E0)和4脚(E2)为高电平时不锁存(Q0Q1Q2Q3=D0D1D2D3),为低电平时锁存。
当按钮没有按下时,Q0Q1Q2输出低电平,三输入或非门12脚输出高电平,锁存器不锁存。
当按钮被按下后,则Q0Q1Q2至少会有一个高电平,或非门12脚输出低电平,锁存器锁存,后按的按钮不会再被记录。
锁存器数据传输延迟为17~30ns,锁存传输延迟为25~30ns,或非门传输延迟为3~15ns,二极管传输延时计5ns,所以能分辨的信号只要不超过80ns就能分辨出来。
图5.3.2附74LS75真值表。
4、译码电路
译码电路将二进制数翻译使得可直接在数码管显示。
如图5.4.1,译码芯片选用74LS47。
第3、4、5脚接高电平使能,7、1、2、6脚为二进制输入端,本电路不用高位D,直接接地。
图5.4.2,为74LS47真值表。
5、延时电路
延时电路是给振荡电路提供约1秒的使能信号(低电平)。
如图5.5,主要使用电容充放电实现。
没有按钮按下时,或非门12脚输出高电平,VCC不会通过电阻R1给电容C3充电,而是通过二极管与R7分压。
实践表明,此时输入到或非门9脚的电平不是有效低电平,就不能使能振荡电路。
如果有按钮被按下,或非门12脚输出低电平,则VCC通过电阻R1给电容充电,或非门9脚的电平被拉低,产生有效低电平,振荡电路起振。
电容充电,两端电压升高,或非门9脚的电平也逐渐升高,直到变为无效的低电平,振荡电路停止振荡。
整个过程可以通过调节R1、R7、C3大小控制电路的延时时间。
当按下清零键后,或非门12脚变为高电平,电容开始放电,直到电容两端不在有放电电流。
等待下一次抢答。
6、振荡电路
振荡电路是产生一个低频振荡,使得蜂鸣器能够间歇的响。
如图5.6,主要使用两个或非门实现。
当延时电路输入无效低电平时,或非门8脚被封锁为低电平,6脚被封锁为高电平。
蜂鸣器不会响。
当延时电路输入有效低电平时,可能有两种状态:
(1)电容C1已经充满电,那么8脚的低电平会将10、11脚置低,于是8脚输出变为高电平,6脚变为低电平,电流从8脚经电阻R5到6脚给电容充电,直到10、11脚输入为有效高电平后,8脚输出低电平,6脚输出高电平。
依次循环。
(2)电容C1还没有充满电,电流就会从6脚经电容,电阻R1到8脚给电容充电。
直到10、11脚出现有效低电平,就会重复
(1)中所述的状态。
实践表明,6脚接R8电阻接地电路才能在得到使能信号后正常起振。
六、总体设计及实现
七、调试仿真
第一次调试是在安装完抢答信号产生电路、锁存器(锁存端置1,不锁存)、译码电路,按下各按钮则数码管显示对应数字,但是不锁存。
第二次调试是安装完锁存电路,按下各按钮,显示数字并锁存,后按下的按钮不再显示,按下清零按钮,数码管显示0,直到有抢答按钮按下。
第三次调试是安装完振荡电路,对或非门9脚接地,蜂鸣器和指示灯都没有反应。
调试中给6脚接入一个下拉电阻后电路开始正常工作。
若对9脚置高,电路停止振荡。
第四次调试是安装完整个电路,遇到以下两个问题:
(1)延时电路不能正常延时。
于是断开R1调节R7使得振荡电路能够稳定振荡,然后接入R1,并调整其阻值,使得振荡电路不能起振。
然后按下按钮,调整电容C3大小,使得延时大约1秒。
延时电路调试完毕。
(2)电路上电显示7,并锁存,需要一次清零才正常工作。
推断原因是刚上电时,虽然下拉电阻将锁存器D0、D1、D2拉低,但是信号需要一个短暂时间才能传输到输出端,所以刚上电时或非门接收到的信号为111,所以输出低电平将锁存器锁存。
解决方法:
上电时稍微延时启动74LS27。
设计电路如下:
上电时,R20首先给C20充电,当C20两端电压足够髙时才能启动74LS27,而在这个时间差,锁存器的输出端已经输出000了。
自启动问题解决。
八、零件表
器件
数量
说明
备注
74LS75
1
锁存器
74LS47
1
译码器
74LS27
1
三输入或非门
二极管
8
IN4148
三极管
1
NPN
9013
蜂鸣器
1
有源
数码管
1
共阳
按钮
6
自恢复
开关
1
自锁
电容47UF
3
电阻10Ω
1
电阻1K
4
电阻1.2K
1
电阻3.3K
1
电阻5.1K
1
电阻6.6K
1
电阻20K
1
发光二极管
1
红色
九、设计总结
为期两周的数电课程设计过程中我们收获颇丰。
在小组的共同努力下我们设计出了符合要求的电路并调试成功,且线路简洁,设计具有创新点。
我们的设计将电路分为抢答信号产生电路、编码电路、锁存电路、译码电路、振荡电路。
这样模块化的设计便于连接、调试。
用二极管代替编码器价格低廉、设计简洁,振荡器使用多余的两个或非门,也节约了传统的555定时器。
课设中自启动问题、延时问题和振荡问题,通过理论分析和实际尝试也轻松解决。
团队精神是整个课设过程中最重要的部分,没有一个团队的精心合作,就不会有这样理想的成功。
总之,该课设考察了我们三点:
专业知识、实际动手能力和团队精神。
十、参考资料
1、《数字电子技术基础》高等教育出版社阎石主编
2、XX百科74LS75资料:
XX百科:
74LS75
3、XX文库74LS47资料:
XX文库:
74LS47
4、XX文库74LS27资料:
XX文库:
74LS27
5、以上芯片详细资料可以参见附页资料。
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