多路抢答器电路原理详析及其课程设计1图文精.docx
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多路抢答器电路原理详析及其课程设计1图文精
河南科技学院新科学院电子课程设计报告
题目:
多路数字抢答器
专业班级:
电气工程及其自动化091姓名:
时间:
指导教师:
完成日期:
2011年06月15日
多路数字抢答器设计任务书
1.设计目的与要求
设计一个八位智力竞赛抢答器。
准确地理解有关要求,独立完成系统设计,要求所设计的电路具有以下功能:
(1设计多组参赛的抢答器,每组设置一个抢答按钮;
(2电路具有第一抢答信号鉴别与锁存功能,抢答成功后,显示组别、发出声响;
(3设置犯规电路,对提前抢答或超时抢答的组别,显示组别、发出声响。
2.设计内容
(1画出电路原理图,正确使用逻辑关系;
(2确定元器件及元件参数;
(3进行电路模拟仿真;
(4SCH文件生成与打印输出;
(5PCB文件生成与打印输出
3.编写设计报告
写出设计的全过程,附上有关资料和图纸,有总结体会。
4.答辩
在规定时间内,完成叙述并回答冋题。
一、引言:
4
二、总设计方案52.设计目
的52.总设计框
图三、抢答器的组成框
图63.元器件的功能和作
用63.1.、十进制可逆集成计数器
74LS19263.1.2BCD-七段显示译码器
74LS4873.1.3不可重复触发集成单稳态触发器
74LS12183.1.48线-3线优先编码器
74LS148
83.1.5555定时
器9四抢答器的电路设
计104.数字抢答器设计原
理104.单元电路设
计114.2.抢答器电
路114.2.定时电
路124.2.报警电
路134.2.时序控制电
路134.2.总
图1五、电路设计总结和体
会15参考文献:
15附录11附录
217
【摘要】
抢答器作为一种电子产品,早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合,但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多,造成每路的成本偏高,而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展,因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。
我们按照这一要求,并根据多种元器件八路锁存器的功能特点,用CD4511、CD4068以及其他常用的电子元器件系列数字集成电路设计出了一数码显示八路抢答器电路,该电路具有成本低、元器件容易得到、路
数多、数码直观显示、性能稳定等诸多优点,而且该电路也可作数字集成电路应用的一个范例,来作为学习使用数字集成电路之用。
抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装臵,从原理上讲,它是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
主要由选择电路、锁存电路、复位装臵、编译显示电路等组成。
我们围绕着这条主要思路想出了几个不同的具体方案进行对比分析,最后用最
简洁的电路实现了抢答功能。
最终的设计方案的大致思路是这样的:
我们利用8个按钮开关构成选择电路,利用二极管的开关特性将最先的按钮按下时所产生的信号转换成数字信号,同时经过锁存电路将选择电路进行封锁(即其后按下的按钮无效,不会产生信号,然后经过译码电路最终从数码管中显示最先按下的按钮编号。
在这次的课程设计当中,我们灵活运用Protel和EWB仿真的知识,用PCB电路制成了抢答器。
【关键字】抢答器定时电路报警电路时序控制
一、引言:
各种智力竞赛越来越多,在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。
必答有时间的限制,到时间要告警。
而抢答则要求参赛者作好充分的准备,等主持人说完题目,参赛者开始抢答,谁先按钮,就由这个参赛者答题,但是很难确认谁先按的,因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。
我们这里所设计的抢答器是一种比较简易的抢答器,没有使用特别多的,复杂的元器件。
它的特点是电路简单、制作方便、操作简单、方便、性能可靠,实用于多
种智力竞赛活动。
本抢答器的电路主要有四部分组成:
数字抢答电路、时序控制电路、报警电路以及可以预制时间的定时电路。
其中数字抢答部分有一个CD4511
译码器和LED数码管显示器组成,可以将八位抢答者的按钮通过CD4511译码驱动LED数码显示管显示出他们最先抢答者的编号。
而时序控制电路的功能是当参数选手按抢答器时,使扬声器发声,这时抢答电路和定时电路停止工作。
而且设定的时间到后若无人抢答,则报警电路工作。
报警电路是当设定的时间到达后或者有人抢答时,报警电路被输入一个高电平,这时报警电路开始工作。
二、总设计方案
2.1设计目的
1主持人有开始键和复位键,按下开始键后才能开始抢答,否则犯规。
2用数码管显示,正常抢答后显示抢到的队号,如果犯规则闪烁显示队号
3如果3秒内没有抢答,则说明该题超时作废,用0闪烁表示。
4复位键用于恢复犯规或超时状态
2.2总设计框图
主滋电齬
说明:
上图为该抢答器的总体框图,其工作原理是:
在接通电源的情况下,要进行抢答之前,主持人需要将开关拨到清除”状态,编号指示灯灭。
抢答器处于禁止状态,定时器也不会有显示时间:
此时,主持人可以将开关拨到开始”状态,宣布开始抢答开始。
定时器进行倒计时,选手在定时时间内抢答时,抢答过程完成,此次抢答结束,在这个过程中,优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告诉此次抢答结束。
如果在规定时间内没有人抢答,到时间结束时就后发出报警声,再次抢答无效,比赛也会结束。
三、抢答器的组成框图
3.1元器件的功能和作用
3.1.1、十进制可逆集成计数器74LS192
QcQg
Qa
>CP_
oc
74LS192
>CP+
CI)
CB
ALD
r
图一74LS192逻辑符号
CP+CP-LDCr
Qz>QcQbQa
XXX1
0000
XX00
DCBA
f*110
加法计数
1f10
减法计数
1110
保持
表一74LS192功能表
1该器件为双时钟工作方式,CP+是加计数时钟输入,CP-是减计数时钟输入均为上升沿触发,采用8421BCD码计数。
②Cr为异步清0端,高电平有效。
3LD为异步预臵控制端,低电平有效,当Cr=0、LD=0时预臵输入端D、
C、B、
A的数据送至输出端,即QDQCQBQA=DCBA。
(MSB
4进位输出和借位输出是分开的。
OC为进位输出,加法计数时,进入1001状态后有负脉冲输出,脉宽为一个时钟
周期
OB为借位输出,减法计数时,进入0000状态后有负脉冲输出,脉宽为一个时钟
周期
3.1.2、BCD-七段显示译码器
+曲I丨丨丨川
DCBA
74LS48
图二74LS48引脚图
输入
eHLHLLLHLHLHLLLU
chhlhhhhhhhlhlli
bHHHHHLLHHHLLLL—
hlhhlhhhhhlllh!
XJ1Tl-ri-tiJL1n”EyfflJIIH-tk-Li-_rintaJh*IT-ti«LII
ALHLHLHLHLHLHLHt
bllhhllhhllhhllh
cllllhhhhllllhhh
ollllllllhhhhhhh
^Hxxxxxxxxxxxxxx
或功能
I
10it
12
13
表二74LS48功能表
①要求输出0~15时,灭灯输入(BI必须开始时保持高电平。
如果不灭,则动态灭灯输入(RBI必须开路或为高电平
2将一低电平直接加于灭灯输入(BI时,则不管其他输入为任何电平,所有各段输出都关闭。
3当动态灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO开路或者保持高电平而试灯输入为高电平时,所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出(RBO处于低电平(响应条件。
4当灭灯输入/动态灭等输出(BI/RBO开路或者保持高电平而试灯输入为低电平时,
则所有各段都开通。
5BI/RBO是线与逻辑,作灭灯输入(BI或动态灭灯(RBO之用,或两者兼用。
3.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器74LS121
图三74LS121引脚图
3.1.4、8线-3线优先编码器
丄
66
6
I
ST
Y2Y0
74LS148_
Yex
YS
1N7
IN6
IW
IN4I®IN2
Txi
y
0
V
Q
74LS148
图四74LS148引脚图
5
6
6
6
ST
Vt
吃Y0
74LS14E
YS
IN6
l\5
IN4IN3
IN1
¥
0
0
9
9
0
0
輸
A|
输
出
ST
瓦
石
耳
瞎%
1
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
D
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
D
0
X
X
X
K
X
X
0
0
0
0
0
1
0
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1
0
X
K
X
X
0
1
1
0
1
0
[]
1
0
X
X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
X
0
1
1
1
1
1
0
D
0
1
表四74LS148功能表
STT4L5148_
IMf\6l\a|\4IM|S2
输入
ST
阿何砂砚叽in5
1
XKXXXX
0
111111
3.1.5、555定时器
(1单稳态触发器
由555构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示,电源接通瞬间,电路有一个稳定的过程,即电源通过电阻R向电容C充电,当V才上升到2/3Vcc时,Vo为低电平放电BJTT导通,电容C放电,电路进入稳定状态。
若触发器输入端施加触发信号(Vi<1/3Vcc,触发器发生翻转,电路进入暂稳态
Vo输出高电平且BJT截止。
此后电容C充电至Vc=2/3Vcc时,电路又发生翻转,
Vo为低电平,T导通,电容C放电,电路恢复至稳定状态。
如果忽略T的饱和压降,则Vc从零电平上升到2/3Vcc的时间,即为输出电压
Vo的脉宽tw,tw=RCIn3=1.1RC。
(a电路图(b工作波形
图五由555定时器构成的单稳态触发器
(2多谐振荡器
由555定时器构成的多谐振荡器如下图所示,其工作波形如b图所示。
接通电源后,电容C被充电,Vc上升,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位,同时放电BJTT导通,此时Vo为低电平,电容C通过R2和T放电,使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时,触发器又被臵位,Vo翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
tPL=0.7R2C
当C发电结束时,T截止,Vcc将通过R1、R2向电容器C充电,Vc有1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为
tPH=0.7(R1+R2C
当Vc上升到2/3Vcc时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一
个周期的方波,其频率为
F=1.43/(R1+2R2*C
圭持人
拉制开关
1b
1
产主电踌
■
报警
■
」L
珂
T
3
Vcc
(a电路图(b工作波形
图六由555定时器构成的多谐振荡器
四、抢答器的电路设计
4.1数字抢答器设计原理
图七数字抢答器总体框图
说明:
上图为该抢答器的总体框图,其工作原理是:
在接通电源的情况下,要进行抢答之前,主持人需要将开关拨到清除”状态,编号指示灯灭。
抢答器处于禁止状态,定时器也不会有显示时间:
此时,主持人可以将开关拨到开始”状态,宣布开始抢答开始。
定时器进行倒计时,选手在定时时间内抢答时,抢答过程完成,此次抢答结束,在这个过程中,优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告诉此次抢答结束。
如果在规定时间内没有人抢答,到时间结束时就后发出报警声,再次抢答无效,比赛也会结束
。
4.2单元电路设计
4.2.1抢答器电路
la
71LS48
hi
13
AT
+5v
71LS2T3
jb
IOTqxB
DI
■+6v
A筍•
SlOfi
仞YS
TO
74L5148
BSP
工作原理:
如图,该电路实现两个功能:
一是能够过分辨出选手按键的先后,并锁存优先抢答者的编号,同时译码器显示电路显示编号;二是禁止其他选手之后按键无效。
工
作过程:
当开关处于清除端时,74LS279的RS触发器段均为0信号,所以四个触发器端均输出为0,此时ST为0,根据74LS148功能表可以看出,该芯片处于工作状态。
当开关达到开始”端时,抢答器处于等待工作状态,当有选手按下键时,及有一个输入端为低电平,根据74LS148功能表可知,丫1,丫2,丫3处于一种输出状态,Yex输出为0所以1Q输出为1,74LS48处于工作状态。
根据2Q,3Q,4Q的输出,译码器将显示第一个按下键的选手号码。
并且此时1Q=1,使74LS148的ST=1,所以74LS148处于禁止工作状态,封锁了其他键的再次输入。
因为只有8名选手,编号从0000到0111所以74LS48芯片的A3端不需要用到,所以可以直接臵地。
如果没有选手按键的话,七段显示译码器就会一直不亮,直到最后此次比赛结束
4.2.2定时电路
+5V
^LS48Yg
Aj&AiAr;3
Y^4LS4S^g
yA】AzAjAo
害丁可p号
led事
±
1)
F1
1A
QcQh涉i
74LSI92
B()QdQc(Jb申
_74I-SL92
LPt?
bCBA
-5V
10uF
n甘E
—土—
+5V
3
IjlK
<5
555
5
*
—iIQ
15V
眾帝1re貢扁
图九可预制时间的定时电路
工作原理:
如图所示,分为两个部分,一是秒脉冲,由555定时器构成的多谐振荡电路,根据公式振荡周期为T=0.7(R1+2R2C,可计算出该振荡器的振荡周期为1秒,由于是矩形脉冲,所以一个周期内发光二极管会发一次光。
另一部分是可预臵时间的减计数器,对于预臵端可以采用十进制8421BCD码设臵,当555振荡器发出一个脉冲时,74LS192的CP-端就接受一个信号,在cp脉冲的上升沿预臵数就开始自减,当各位减少到0时,BO2就会输出一个负脉冲,cp2-就会开始减少1,然后74LS192二开始再自减1,直到预臵数最后变成00,最后在BO2输出一个周期的负脉冲。
在时间未到时,BO2一直到是输出正脉冲,除非最后变成00时,才会输出负脉冲,这就可以作为定时到的信号,如果是时间到了,输出是零,时间不到输出是1。
另外,假如有选手按键的话,则最后不会计数器不会因为自减为00而最后输出负脉冲,而是应为秒脉冲输出与1Q的非相与后当作脉冲输入74LS192的。
当没有选手按键时,1Q的非为0,所以cp脉冲就会停止输入,时间就会停止,所显示的时间就是该选手抢答的时间但此时的定时到信号还是1。
423报警电路
HL
80
图十报警电路
工作原理:
该报警电路有555定时器和三极管构成,有555定时器构成一个多谐振荡器,其输出信号可以经三极管推动扬声器。
PR为控制信号,当PR为高电平时,4端接高
电平,振荡器正常工作,当为低电平时,振荡器停止工作,不会发声。
因为来一个高电平是该报警电路会发声,但是只有在一个周期内发声,这个周期非常短,只是多谐振荡器的一个周期,只有一秒钟,所以中间需要加一个单稳态触发器,根据555构成的单稳态触发器的功能原理,这样可以延长这个周期,是发声信号加长,该定时器用到的电阻是30k□电容是100uf,根据公式计算得到的周期是3秒。
4.2.4时序控制电路
+5V
C2lOQuF
图十一一时序控制电路
工作原理:
时序控制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下三项功能:
1主持人将控制开关拨到"开始"位臵时,抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
2当参赛选手按动抢答键时,扬声器发声,抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间
425总图
El12
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敬
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五、电路设计总结和体会
数字电路课程设计眼看尘埃落定,感觉忍不住要长出一口气。
其实,因为自己的数字逻辑基础本来就不是很好,所以真要自己做课程设计,困难真的是很大,所以就和别人一块做,虽然大家的成果都很相似,不过我还是很惊喜,自己是这个成果的二分之一0在这两周里,我们一起到图书馆查资料,借书,上网查东西,还有向别人讨教,真的是很有趣的,不过最重要的是尝试到了合作的乐趣,真正体验到了大家一起交流的乐趣,我们每人本来只有一个思想,交流后就有了两个思想。
还有,和别人交流后,才发现好多问题,知道了一个问题原来还有许多种解法,甚至为这些东西而感到不可思议。
同时感觉到了自己在思考问题时自己的疏漏之处,避免下次在考虑同样问题的时候犯同样的错误。
也许我们做的东西都是大同小异,不过这真的是加入了我们自己的想法,不管怎样,结果怎样已然不再重要,关键是在这几日里,我们体会到了许多东西。
重新投入的振作。
我们也在数日里的并肩作战中培养出了无与伦比的默契和深厚的友谊。
在这次课程设计过程中,我们掌握了书本以外的电子技术知识,培养了专心致志
的工作学习习惯,懂得了相互之间的理解与体谅,可谓获益匪浅。
参考文献:
1、《电子技术基础数字部分》.康华光
2、《电子技术课程设计》.历雅萍、易映萍编高等教育出版社
3、《毕业典析》••XX文库
4、《电子技术课程设计》历雅萍、易映萍编高等教育出版社
5、《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
6《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编华中理工出版社
7、《经典集成电路400例》任致程主编机械工业出版社
8、《电子数字基础(数字部分》康华光主编高等教育出版社
附录1SCH图:
R20250CK100?
CKR21710100?
CKR22048100?
U4A
BCDEFGVCCU25V4536217ABCDEFGU10ABCDEFGU11171819202123142215910111213OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBAVCC01514727476927375811312111091514495257595056581312111091514~LT~RBI~BI/RBO16OAOBOCODOEOFOG74LS48D~LT~RBI~BI/RBOU674LS48DOAOBOCODOEOFOGU774LS48DVCC5VVCCABC
D4771263547126QAQBQCQD3267ABCD1Q11Q21Q11Q2U3A74LS279D~1R238403941U3B74LS279D~1R213123267424443451312~BO~CO4~1S1~1S2~1R1~1S37QAQBQCQD~1S1~1S2~1R1~1S3~BO~CO3542627U16A51415~LOADCLR~LOADCLRUPDOWNABCD15110911
14151109111429VCCU174LS148D5VVCC2497654ABCD2815k?
7400N2U16B47400NU17A7404N005VVCC46VCCVCCVCCA0A1A2GSEO54UPDOWN6023165R14U8U974LS192D23165D0D1D2D3D4D5
D6D7El5V471011121312345310Q2VCCLED12N22190R13R17100k?
7k|?
6151R1255200k?
53C110nF013VCC5VA1VCCRSTDISTHRTRICONGNDOUTVCC5VU12A74LS00D121R113k|?
VCCVCC5V3730R131R232R333R4R5R635R7R8343610k?
10k|?
10k|?
10k|?
10k|?
10k|?
10k|?
10k|?
VCCVCC5VU19A00U18A67404N07400NC2100nF555_VIRTUALU13A74LS00D54VCC5VVCCQ1U5A119U21A74LS04DR1515k|?
VCCR191k|?
8VCC135U14OUT374LS11D2N2219C4133100uF08U151384R1668k?
U23A774LS04DU22A74LS00N0C3100nF1361377625RSTDISTHRTRICONGND1BUZZER0100Hz016
附录2PCB图:
1141098761098761098769822821310772128723122116969610411125511051510134114111411
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- 关 键 词:
- 抢答 电路 原理 及其 课程设计 图文