四路抢答器

《数字电子技术》课程设计题目：四路竞赛抢答器设计姓名：朱晔学号：1408101041系别：电气工程系专业：电气工程及其自动化年级：2014级指导教师：年月日设计日期：2016年6月目录摘要·······················································1一、设计要求························································11.1设计任务·······················································11.2任务要求····················································21.3可选用的器件与原件3二、系统主要功能··········································9三、系统总体框图··········································10五、系统硬件设施·············································105.1选手按键和LED显示电路········105.2、时钟产生电路5.3主持人控制电路5.4系统总电路六、系统性能测试与分析6.1测试使用的仪器6.2性能测试与结果分析七、调试过程遇到问题与解决方法八、心得体会九、参考文献1摘要在日常生活中各种竞赛场合经常要用到抢答器，在电视台和娱乐场所等大型场合中的智力抢答更是不可缺的系统，其利用的是大型显示屏显示数字。抢答器不但在以上场合取到很大的作用，而且在现代制造业中也有很重要的作用。现代电子技术的飞跃发展，各类智能化产品相应而出，抢答器器也不例外；数字电路具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，本设计就以数字电路为核心设计四路抢答器。而本次课程设计技术目标与要求是设计四路的抢答器，附有简单的抢答功能，不仅可以用于比赛，娱乐抢答，知识竞赛等活动，也可以用于各类需要竞争的场合，抢答器的运用非常附有人性化，应用非常广泛。实现抢答器功能的方式有多种，可以采用模拟电路、数字电路或模拟混合电路，可以实现多路抢答的功能。现设计一个用数字电路设计的四路抢答器，以74LS175、74LS00、74LS20、555为核心，使其具有反应快、功能齐全、实用性强的特点。一、设计目的和要求1.1设计要求（1）4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为S1,S2,S2,S4(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上相对应的二极管发光，同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。(4)可用555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。按照抢答规则，电路能对第一个抢答开关的回答者迅速作出反应，对应的灯要亮，并且灯亮起之后，该答题者不必长按开关，电路可以自行工作，保持灯亮。其次，当有一盏抢答灯亮起之后么，其他答题者后继的开关按下信号不会使其他灯亮。2最后，当本次答题结束后，主持人的开关可以关闭亮起来的灯，使电路恢复初始状态，等待下一次的抢答。1.2设计目的(1)进一步掌握数字电子技术课程所学的理论知识，加深对数字电子技术课程理论知识的理解。(2)熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。(3)了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题,有效的提高动手能力，独立分析问题、解决问题的能力，协调能力和创造性思维能力。(4)培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。二、功能介绍（1）抢答器最多可供4名选手参赛，编号为1—4号，各队分别用一个按钮（分别为S1—S4）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关Space，该开关由主持人控制。（2）抢答器具有数据锁存功能，并将锁存数据用LED数码管显示出来，直到主持人清零。（3）开关space作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关space被按下时抢答电路清零，当开关Space松开时则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1—S4实现。（4）有抢答信号输入（开关S1—S4中的任意一个开关被按下）时，并显示相对应的灯处于亮的状态。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。三、总体方案设计下图所示为设计方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灯灭，主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”。抢答器工作，选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人再操作“清除”和“开始”状态开关。3四、具体电路设计4.1主电路设计主设计电路如图2，电路选用74LS175、74LS00、74LS20来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存抢答者的编号，同时在显示管显示；而且禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关Space按下时，电路断开输入端为零，开关Space闭合时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答器按键按下时（如按下S2），74LS175的输出镜RS锁存后，74LS175处于工作状态，若发光二极管2亮，CTR=1,使74LS175其他工作端等于1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS175的此时由于仍为CTR=1，所以74LS175仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如果再次抢答需要主持人将Space开关重新按下然后才能进行。具体的电路连线如下图4五、设计原理设计的电路中LS175为一四路的锁存器，当CLK引脚输入上升沿时，D1-D4被锁存到输出端（Q1-Q4）。在CLK其他状态时，输出与输入无关。其异步复位端为低电平时，Q1-Q4输出为低，/Q1-/Q4输出为高。电路上电后，按下复位按键，/Q1-/Q4输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。同时用它们作为输入的与非门U1A输出为低电平。电路进入准备状态。这时，假设有按键S2被按下，与非门U1B的输出将由低变成高电平，形成一个上升沿经过两个非门的延迟后作为175CLK的输入。CLK得到上升沿后会将D1上的数据锁存，这时由于S2是按下的，D1上应为高电平，故175的/Q1输出为低电平。对应得LED被点亮，同时与非门U1A的输出也变为高电平。它为高电平后，按键的两端都为高电平，故按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定。达到了既定的功能目标。六、主要器件介绍7.174ls175四d触发器74LS175为四输入八输出的D触发器，输入端口为D1、D2、D3、D4，输出端口为5Q1、Q2、Q3、Q4和/Q1,/Q2,/Q3,/Q47.274LS20与非门4个输入与非门，内含两组4与非门第一组：1,2,4,5输入，6输出第二组：9,10,12,13输入6输出67.374LS00二输入与非门787.4555的工作原理它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。九、实验步骤及操作99.1检测与查阅器件通过检测看看元器件是否完好，并在电路板上标出编号，便于连线。9.2连接电路先在实验电路板上插好器件，在插接器件时，要注意芯片的方向，做好焊接工作，同时保证芯片的管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折损，指示灯的正负极不能接反。在通电前先用万用表检测各芯片的电路接线是否正确，是否连通。9.3电路调试首先按抢答器功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障，若某些功能不能实现就要设法查找并排除故障，排除故障可按信息流程的正向（由输入到输出），也可按照信息流程逆向（由输出到输入）查找。例如：当有抢答信号输入时，观察对应指示灯是否点亮，若不良，可用万用表分别测量先关与非门输入，输出端电平状态是否正确，由此检验线路的连接和芯片的好坏。若抢答开关按下时指示灯亮，松开时又灭掉，说明电路不能保持，此时应该检查与非门相互连接是否正确，直到排除所有故障为止。十、实验困难问题及解决措施10.1困难一由总电路可以看到，本次课程设计的接线十分之多，因为在接线时要十分细心，如果不小心就会接错。在实验设计实体连接的过程中，每一步都小心翼翼地做。一条线接错或者一条线在过程中不小心被动到，都有可能让整个电路没有反应，所以每一步都必须要小心，没有人希望重新连接一次，器件和线路实在是多，最好能够先把电路划分清晰，就是尽量明显的把个各块独立的电路组成部分分开得明显些，这样就算接错了也可以大概检查各块输出就知道哪里出问题，减少检查的范围和数量，更省时省力。10.2困难二实验时要注意74系列要接入电源，因为在实验中，我曾经忘记了接电源。使得抢答器的显示灯无法正常显示。在接线时，要看清楚管脚是16个脚还是14个脚，如果是16脚的，一定要接入电源。电源跟地一定要接对，有一次因为接错电源，浪费了半个钟头。1010.3困难三555脉冲源时应该用LED灯作显示，、测试脉冲信号输出输入情况，电阻在接入前要测试保证其可以正常工作。最好就是把输出接在LED灯上，一直接线，。一直观察它的灯亮情况，直到它会正常闪烁为止。说明脉冲源正常工作。10.4困难四开关处理一定要好，要测好脚，特别是六脚开关，防止接错。蹲点一定要仔细，小心，防止过大出现短路问题。电阻断了，重新接也要特别留意。用万用表测要注意开关打开。弄好后要标好正负极，以免在测试中接反。十一、设计成品的优点与不足11.1优点元器件较少，功能满足要求，实用性强。11.2不足（1）在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S1和S2时（其同时按下的几率较小，但情况还是会存在的）会显示两个灯亮，违反抢答的原理。（2）估计是74LS175有问题，锁存功能时好时坏，有的时候，需抢答者一直按着，其他抢答者按键才无效，实现抢答功能。（3）电路跳线较多，使得电路板外观不好。11.3改良焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接,可改用编码器和锁存器来代替D触发器。需要更换坏了的，接触不好的元器件。在焊接前要画好连接方式，巧妙地设计，使电路板变得更加美观，给参观者赏心悦目的感觉。心得体会持续近一个星期的课程设计结束了，设计虽然有一些小毛病，但总体上还是很成功的。一周的时间虽然很短暂，但从中获益匪浅.毕竟在课堂上学习的内容真真正正能用到实际是有点超乎我们的想象，而且要把理论知识付诸实践确实非一11件易事。首先对数字电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的数字实验只是针对某一个小的功能设计，而课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS175、74LS00、74lS20、555等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。在以后的学习