成绩课程设计说明书题目：四人抢答器电路设计课程名称：数字电子技术学院：电子信息与电气工程学院学生姓名：裴雷雨学号：011X专业班级：自动化2011级2班指导教师：李立2013年6月6日课程设计任务书四人抢答器电路设计摘要：本文介绍设计了一个四人抢答器控制电路，该电路能够实现四人比赛抢答的功能并通过发光二极管和蜂鸣器实现对抢答者的声光报警指示。

其中抢答电路用四D触发器74LS175、与非门74LS00和555定时器实现；报警电路用一个上拉电阻、发光二极管、蜂鸣器等实现抢答声光指示器；显示电路用74LS74 D触发器、74LS192计数器、74LS47译码器（驱动器）和七段共阳极数码显示器实现；时钟电路用计数器74LS192、555定时器、74LS47译码器（驱动器）、七段共阳极数码显示器和双D触发器74LS47共同完成十秒倒计时的时钟电路。

关键词：抢答器；声光报警；定时电路；显示电路；时钟电路目录1.设计背景 (1)数字电路系统 (1)时钟电路的作用及基本构成 (1)Multisim软件和DXP软件 (1)2.设计方案 (2)分析任务 (2)论证方案... (2)电路分析 (2)3.方案实施 (3)设计原理图 (3)用Multisim电路仿真 (10)制作PCB (12)安装与调试 (12)4.结果与结论 (12)5.收获与致谢 (13)6.参考文献 (13)7.附件 (14)电路原理图 (14)PCB布线图 (15)实物图 (16)元器件清单 (17)1. 设计背景数字电路系统数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。

输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。

比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。

模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。

在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

数字逻辑电路是一门研究数字信号的编码、运算、记忆、计数、存储、分配、测量和传输的科学技术。

简单地说是用数字信号去实现运算、控制和测量的科学。

时钟电路的作用及基本构成时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。

时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。

比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。

设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

Multisim软件和DXP软件Multisim软件是由加拿大IIT公司推出的大型设计工具软件。

它不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的数据分析功能，同时还提供了庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪器表，可以满足对一般的数字逻辑电路、模拟电路以及数字-模拟混合电路进行分析和设计的需求。

DXP软件是一个软件集成平台，把为电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用软件中。

DXP 包括所有设计所需的工具：原理图和HDL设计输入、电路仿真、信号完整性分析、PCB设计、基于FPGA的嵌入式系统的设计和开发。

此次课程设计主要学习应用到Multisim软件的电路图仿真和DXP软件的原理图及PCB的设计，因此熟练掌握两种软件的基本操作很有必要。

设计方案分析任务抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。

即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。

而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。

抢答时间设定9秒。

接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

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、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

论证方案将由定时器组成的多谐振荡器发出的高频脉冲接至触发器的输入端口。

将四个抢答开关信号接入触发器的输入端口，当系统抢答信号发出后，第一个抢答者信号生成，触发器所对应的Q输出端口输出高电平，此时指示发光二极管亮。

同时将__ Q输出端口和高脉冲相与接至触发器脉冲端口，由于__Q端口发出低电平信号，从而封锁了抢答电路。

在此同时，触发器__Q端口的低电平信号也接至声光指示模块上，和十秒倒计时模块中的定时器组成的多谐振荡器的时钟相与，用来封锁显示电路的倒计时。

电路分析当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。

报警电路给出声音提示。

当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。

然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。

最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。

若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

方案实施设计原理图1、本次设计选用的集成芯片的逻辑符号图及功能如下图1 74LS192的逻辑符号图表1 74LS192功能表输入输出CLR UP DOWN D C B A Q D Q C Q B Q A1×××××××000000××d c b a d c b a01↑1××××加计数011↓××××减计数74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。

其逻辑符号图如图1所示。

图中UP是加法计数脉冲输入端，DOWN是减法计数脉冲输入端，____CO是进位脉冲输出端，_____BO是借位脉冲输入端，CLR是异步清零输入，_________LOAD是异步置数输入端，A、B、C、D是并行数据输入端，Q A、Q B、Q C、Q D是计数器输入端。

图2 74LS74逻辑符号图74LS74内含两个独立的上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（___DS）复位输入（___DR）、时钟输入（CLK）和数据输出（Q、__Q）。

___DS、___DR的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。

当___DS、___DR均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CLK上升沿作用下传送到输出端。

表2 74LS74功能表输入输出S D R D CLK D Q n+1 Q n+10 1 × × 1 01 0 × × 0 10 0 × × 0 01 1 ↑ 1 1 01 1 ↑0 0 11 1 ↓× Q n Q n图3 74LS47的逻辑符号图74LS47为4线—七段译码器/驱动器它和七段数码显示管共同组成显示电路，该电路的输入D、B、C、A是四位BCD码，输出是驱动七段数码管工做的反码，某段输出为0表示点亮该段，为1表示熄灭该段。

74LS47驱动的是共阳极的数码显示管，因此数码显示管的CA端接高电平VCC才能正常工作。

图4 74LS175的逻辑符号图74LS175是常用的四D触发器集成电路，里面含有四组D触发器，可以用来构成寄存器、抢答器等功能部件。

表3 74LS175的功能表输入输出R D C P1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q图5 555定时器逻辑符号图555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。

用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。

本文用到555定时器的多谐振荡功能。

2、本次电路设计各芯片构成的局部电路图如下报警电路如图6所示，该电路的发光二极管的输出经过一个74LS00的与非门，当与非门输出为高电平时，发光二极管不亮，并且蜂鸣器不响，也就是说此电路不工作；当与非门输出为低电平时，发光二极管点亮，并且蜂鸣器发出声响，此电路导通。

5V R6100ΩLED424VCC25图6 报警电路原理图抢答电路如图7所示，四个抢答开关按钮与四D 触发器74LS175的四个D 输入端口相接，当第一个抢答者摁下抢答按钮时，Q 端输出高电平，而与之相对应的Q 端口L × × × × × L L L L H ↑ 1D 2D 3D 4D 1D 2D3D4DH H × × × × 保持 H L××××保持输出低电平，此低电平与555定时器的触发高电平相与后输出低电平，并将其输入到四D触发器的CLK输入端，从而封锁了剩余三位抢答者的抢答信号。

图7 抢答电路原理图显示电路如图8所示，该电路主要由74LS47和七段数码显示管共同组成，此电路主要是为了提醒抢答者在抢答开始之后所剩余时间多少。

图8 显示电路原理图图9 555定时器构成的多谐振荡器原理图用555定时器设计的多谐振荡器原理图如图9所示，555在此的功能是为了满足数码管倒计时为十秒的工作状态及当第一个抢答信号发出时封锁其他三个信号的要求，故据此可以根据充放电时间计算出电路的震荡周期：1T ＝(1R ＋2R ) ×C×Ln2 2T ＝2R ×C×Ln2故：T ＝1T ＋2T ，根据设计要求可知此震荡周期为1Hz ，取电容C 1、C 2的大小分别为10uF 和10nF ，由此可以计算出两电阻的阻值大概在48KΩ左右，因此选用1R =2R =47KΩ。

由此用示波器仿真输出信号如下图10 所示，该仿真周期存在着误差，那是因为提供的电阻为47KΩ，与理论的48KΩ的电阻存在着一定的差别，误差也就是由此产生的。

图10 555定时器信号输出波形图用Multisim电路仿真图11 无人抢答时的仿真图图12 有人抢答时的仿真图制作PCB首先建立PCB文件，对元件选择正确的封装，利用网络表导入元件，然后进行布线，先要进行一系列的参数设置，并要移动元件的位置尽量得到最佳布局，我们采用的是手动布线的方法。

PCB板制作要求如下：1、单位采用公制单位（mm）。