四人抢答器

课程设计说明书课程名称：数字电子技术、模拟电子技术设计题目：四人抢答器院系：电子信息与电气工程学院学生姓名：.....学,,,,专业班级：电气工程及其自动化2010级指导教师：,,,,2012年5月25日课程设计任务书设计题目四人抢答器学生姓名......所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班电气工程及其自动化2010级设计要求：1、设计制作一个可容纳四个组参赛的抢答器，每组一个抢答开关；2、设置一个抢答开始按键，同时设置抢答定时电路，且计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废；3、系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号，即其他任何一组的抢答信号都不会使电路响应；4、系统采用声光指示第一抢答者：用扬声器提示第一抢答者产生；用发光二极管指指示第一抢答者。学生应完成的工作：设计一个四人抢答器的控制电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005.[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.[3]邱关源,罗先觉.电路（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006.[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005.[5]张阳天,韩异凡.ProtelDXP电路设计[M].北京:高等教育出版社,2005.工作计划：5月14号—16号完成原理图的设计；5月17号—28号进行PCB设计；5月21号—23号制作PCB板；5月24号—25号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期：2012年5月14日任务完成日期：2012年5月25日指导教师（签名）：学生（签名）：四人抢答器摘要：设计制作了一个四人抢答器控制电路，该电路具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。该电路主要有抢答电路、报警电路、显示电路、时钟电路四部分构成，其中，抢答电路部分由74LS175、74LS21、74LS00、555定时器构成；报警电路部分由蜂鸣箱构成；显示电路由共阳极显示译码器、74LS192、74LS47构成；时钟电路部分由555定时器、触发器74LS74、74LS192、74LS00、74LS21、74LS175构成。利用Multisim10对设计的电路进行仿真，可以得到，当闭合主持人控制的开关后，第一个抢答者按下抢答键，与第一抢答者相对应的LED灯会亮，时钟电路停止倒计时并伴随有报警声，并封锁其他各组抢答信号，使电路不会再响应。在无人抢答时，时钟电路完成9到0的倒计时后，会有报警声提示。关键词：四人抢答器；抢答信号；声光报警；定时电路目录1设计背景………………………………………………………………11.1模拟、数字电路的定义及应用…………………………………11.2时钟电路的定义及应用…………………………………12.设计方案………………………………………………………………22.1任务分析……………………………………………………………22.2方案论证……………………………………………………………23.方案实施……………………………………………………………23.1原理图设计…………………………………………………………23.2电路仿真……………………………………………………………73.3PCB制作……………………………………………………………93.4安装与调试…………………………………………………………94.结果与结论…………………………………………………………105.收获与致谢…………………………………………………………106.参考文献……………………………………………………………117.附件…………………………………………………………………117.1电路原理图…………………………………………………………117.2PCB布线图………………………………………………………127.3元器件清单…………………………………………………………1211.设计背景1.模拟、数字电路的定义及应用模拟电路是处理模拟信号的电子电路，用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。现代电子产品已经发展到数字处理为主的电路控制方式了，但数字信号提供的只是一些参数值，具体的实现还需要模拟电路来实现。现在模拟电路应用得最多的是功率放大、信号采集等。1.2时钟电路的定义及应用时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路主要由555定时器、电阻、电容组成。555定时器成本非常低，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器在四人抢答器中构成多谐振荡器，起到了计时的重要作用。555集成电路应用十分广泛，如家电定时电路、声光控开关、报警发音电路、数控机床电机驱动等都有它的存在。在应用当中主要有以下三种工作方式：1．单稳类电路作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。2．双稳类电路作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。3．无稳类电路作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。22.设计方案2.1任务分析四人抢答器主要包括抢答电路，报警电路，显示电路，时钟电路。实现抢答电路需要用到触发器、定时器；实现报警电路需要用到蜂鸣箱；实现显示电路需要用到计数器、显示译码器和数码管；实现时钟电路需要用到定时器、触发器。在主持人发布抢答命令后，第一抢答者发出抢答信号，此时抢答电路截止，其它抢答者无法抢答。当第一抢答者抢答成功时，会有发光二极管点亮来指示，同时报警器会发出警报。在抢答过程中显示电路用来提示抢答者的抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声；10秒内无人抢答时，会有发光二极管点亮提示，同时有警报声。2.2方案论证将四个开关分别接至74LS175触发器的四个输入端，555定时器组成的多谐振荡器的OUT端接至触发器的CLK端。当发出抢答信号后，触发器对应的Q端输出高电平，此时二极管点亮。同时将Q接至74LS21触发器的四个输入端口，由于Q发出低脉冲信号，从而封锁了抢答电路。Q端口的低电平信号通过四输入与门后，再通过74lLS00的一个与非门后接至声光指示模块，此时在规定时间内若有人抢答二极管会发光同时蜂鸣器会报警。当无人抢答时，555定时器组成的多谐振荡器的频率为1Hz时，输出的信号与经过两次与非Q端输出的信号再次与非之后，再次经过74LS192计数器、74LS47触发器后便在显示数码管上显示倒计时的时间。3.方案实施3.1原理图设计1、抢答电路四个抢答开关信号分别接至四D触发器的四个D输入端，由555定时器组成的多谐振荡器的OUT端和Q端输出的经过两次与非之后的信号进行与非后接3至四D触发器脉冲CLX端。四D触发器的四个Q输出端分别接四个发光二极管，当抢答开关闭合后，输出高电平，相应的二极管会发光。当再有其它抢答信号时，信号被截止。具体电路图如图1所示。图1抢答电路图该抢答电路所用的74LS175触发器的逻辑图如图2所示。图274LS175逻辑图该抢答电路所用的74LS175触发器的真值表如表1所示。表174LS175真值表输入输出DQQLLHHHL4该抢答电路所用的74LS21触发器的逻辑图如图3所示。图374LS21逻辑图抢答电路所用的74LS21触发器的真值表如表2所示。表274LS21真值表该抢答电路所用的74LS74触发器的逻辑图如图4所示。图474LS74逻辑图抢答电路所用的74LS74触发器的真值表如表3所示。输入输出ABCDY×××LL××L×L×L××LL×××LHHHHH5表374LS74真值表输入输出PRCLRCLKDQQ01××1010××0100××1111↑11011↑00111↓×DQDQ该抢答电路所用的74LS192触发器的逻辑图如图5所示。图574LS192逻辑图抢答电路所用的74LS192触发器的真值表如表4所示。表474LS192真值表2、报警电路图6所示电路图中接地的端口，接触发器的四个Q端进行与非运算后的端口输入输出CLRLOADUPDOWNDCBAQDQCQBQAH×××××××0000LL××dcbadcbaLH×H××××加计数LHH×××××减计数6后，进行与非后输出低电平。当抢答者按下抢答器抢答成功之后，报警器开始发出警报同时与之并联的二极管会点亮。具体电路图如图6所示。图6报警电路图3、显示电路显示电路是为了提醒抢答者抢答的剩余时间。若是显示电路能够正常工作，需要驱动器、数码管和可逆十进制计数器的共同工作。因为显示器为共阳极的，所以需要CA端接至高电平,这样才能正常工作。具体电路图如图7所示。图7显示电路图4、时钟电路据题目设计要求倒计时时间为10秒，电路设计为由555定时器组成的多谐7振荡器发出的1Hz的时钟脉冲信号接至预置数9的计数器74LS192，当74LS192倒计时为0时借位信号发出，将借位信号接至D输入端口始终接高电平的双正边边沿触发器74LS74的脉冲输入端，从74LS74的Q端口输出低电平。将此低电平信号与1Hz时钟脉冲相与非后，封锁倒计时模块。整个过程由预置数为9的计数器到双D正边沿触发器的Q端口输出低电平信号的产生，恰好为10秒，实现了时钟电路设计。具体电路图如图8所示。图8时钟电路图3.2电路仿真在各单元电路设计的基础上，用EDA软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图如下。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行了仿真，经过多次修改之后，仿真电路能够正常工作。仿真电路如图9所示。在主持人发布抢答命令后，第一抢答者发出抢答信号，抢答成功之后，其它抢答者无法抢答。当第一抢答者抢答成功时，会有发光二极管点亮来提示，同时报警器会发出警报。在抢答过程中显示电路会来提示抢答者的抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，倒计时间从9秒到0秒。当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声，10秒后无人抢答，会有发光二极管点亮提示，8同时有警报声。图9仿真电路图图10555定时器仿真电路图9图9中555定时器的THR端口和TRI端口连在一起构成施密特触发器。电源电压为5v，电容C上的电压Vc在TV和-TV之间往复振动，电容C的充放电时间为1T和2T。112222T(RR)Cln2RCln2,TCln2R。故电路振荡周1212TTT(R2R)Cln2,又因为输出脉冲占空比为11212qT/T(RR)/(R2R)q2/3，，所以T=1s。既555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz。对555定时器仿真如图10所示。由仿真图可知仿真后所得振荡器的实际周期为1.329秒。最后计算所得误差为32%。3.3PCB制作首先打开DXP软件，在打开的主页上，设置所需PCB板的大小，以及下面的一些参数。1、单位采用公制单位mm。2、电源线和地线要求采用0.8mm或是0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。信号线采用