数字电路课程设计数字抢答器设计报告姓名:学号:专业:指导教师:2014年 12 月 18 日八路数字抢答器一、设计目的及任务 (2)1.设计的目的 (2)2. 设计的任务及要求 . (2)(1基本功能 (2)(2扩展功能 ......................................................... 2 二、电路设计总方案及原理框图 .. (2)1. 设计思路 (2)2.总电路框图 .............................................................. 3 三、单元电路工作原理 ...................................................... 3 1.显示电路 (3)(1 RS 触发器: (4)(2 74LS148优先编码器:. (5)2. 秒脉冲发生器电路 . (6)3.报警电路 (8)四、电路仿真 . (9)五、实验结果 . (9)六、结论 . (10)七、附录 . ......................................................................... 11 1. 总电路图 .................................................................. 11 八、参考文献 . ...................................... 错误!未定义书签。
一、设计目的及任务1.设计的目的通过八路数字抢答器的设计实验, 要求大家回顾所学数字电子技术的基础理论和基础实验, 掌握组合电路、时序电路、编程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法, 熟悉掌握优先编码器、触发器、计数器、单脉冲触发器、 555电路、译码 /驱动电路的应用方法,熟悉掌握时序电路的设计方法。
达到数字实验课程大纲所要求掌握的基本内容。
2. 设计的任务及要求(1基本功能①设计一个智力竞赛抢答器, 可同时供 8名选手或 8个代表队参赛, 他们的选号分别是 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7,各用一个抢答按钮,按钮的编号对应分别是S0、 S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7。
②给节目主持人设置一个控制开关, 用来控制系统的清零 (编号显示数码管灭灯和抢答器的开始。
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, 编号立即锁存,并在 LED 数码管上显示出选手的编号。
此外,要封锁输入电路, 禁止其他选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持主持人将系统清零为止。
(2扩展功能①抢答器具有定时抢答的功能,且一次抢答的时间可以由主持人设定(如 30秒。
当节目支持人启动“ 开始” 键后,要求定时器立即减计时,并用显示器显示。
②参加选手在设定的时间内抢答, 抢答有效, 定时器停止工作, 显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间,并保持到主持人将系统清零为止。
③如果定时抢答的时间已到, 却没有选手抢答时, 本次抢答无效, 系统短暂报警,并封锁输入电路,禁止选手超时后抢答,时间显示器上显示 00。
二、电路设计总方案及原理框图1. 设计思路(1本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。
实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。
在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁, 即使其他组的抢答信号无效。
同时还必须注意, 第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。
(2当电路形成第一抢答信号之后,用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别,也可以用发光二极管直接指示出组别。
(3在主持人没有按下开始抢答按钮前,参赛者的抢答开关无效;当主持人按下开始抢答按钮后,开始进行 30秒倒计时,此时,若有组别抢答,显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答” ;当计时时间到,仍无组别抢答,则计时指示灯灭表示“时间已到” ,主持人清零后开始新一轮抢答。
2.总电路框图电路总体框图如图 1所示:图 1 总电路框图三、单元电路工作原理1.显示电路此部分电路主要完成的功能是实现 8路选手抢答并进行锁存, 同时有相应发光二极管点亮和数码显示。
使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 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, 并锁存优先抢答者的编号, 同时译码显示电路显示编号(显示电路采用七段数字数码显示管 ;二是禁止其他选手按键,其按键操作无效。
工作过程:开关 S 置于 " 清除 " 端时, RS 触发器的 R、 S 端均为 0, 4 个触发器输出置 0,使 74LS148 的优先编码工作标志端= 0,使之处于工作状态。
当开关 S 置于 " 开始 " 时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将抢答按键按下时(如按下 S5 , 74LS148 的输出经 RS 锁存后, CTR=1,RBO =1, 七段显示电路 74LS48 处于工作状态, 4Q3Q2Q=101,经译码显示为“ 5” 。
此外, CTR =1, 使 74LS148 优先编码工作标志端=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, 74LS148 的此时由于仍为 CTR =1,使优先编码工作标志端=1, 5 所以 74LS148 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。
只要有一组选手先按下抢答器, 就会将编码器锁死, 不再对其他组进行编码。
通过 74LS48译码器使抢答组别数字显示 0-7。
如有再次抢答需由主持人将 S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
抢答模块原理图如图 2所示:图 2 抢答模块原理图(1 RS 触发器:①保持状态。
当输入端接入 S =R =1的电平时, 如果基本 SR 触发器现态 Q=1、 Q =0,则触发器次态 Q =1、 Q =0;若基本 SR 触发器的现态 Q =0、 Q =1,则触发器次态 Q =0、 Q =1。
即 S =R =1时,触发器保持原状态不变。
②置 0状态。
当 S =1, R =0时,如果基本 SR 触发器现态为 Q =1、 Q =0, 因 R =0,会使 Q =1,而 Q =1与 S =1共同作用使 Q 端翻转为 0;如果基本 SR 触发器现态为Q =0、 Q =1,同理会使 Q =0, Q =1。
只要输入信号 S =1, R =0,无论基本 SR 触发器的输出现态如何,均会使输出次态置为 0态。
③置 1状态。
当 S =0、 R =1时,如果触发器现态为 Q =0、 Q =1,因 S =0, 会使G1的输出端次态翻转为 1,而 Q =1和 R =1共同使 G 2的输出端 Q =0;同理当 Q=1、 Q =0,也会使触发器的次态输出为 Q =1、 Q =0;只要 S =0、 R =1,无论触发器现态如何,均会将触发器置 1。
④不定状态。
当 S =R =0时,无论触发器的原状态如何,均会使 Q =1, Q =1。
当脉冲去掉后, S 和 R 同时恢复高电平后, 触发器的新状态要看 G 1和 G 2两个门翻转速度快慢,所以称 S =R =0是不定状态,在实际电路中要避免此状态出现。
(2 74LS148优先编码器:表 1 74LS148真值表74LS148的输入端和输出端低电平有效。
如表 174LS148真值表所示:0I ~7I 是输入信号, 2Y ~0Y 为三位二进制编码输出信号, S I =1时,编码器禁止编码, 当 S I =0时,允许编码。
S Y 是技能输出端,只有在 S I =0,而 0I ~7I 均无编码输入信号时为 0。
EX Y 为优先编码输出端, 在 S I =0而 0I ~7I 的其中之一有信号时,EX Y =0。
0I ~7I 各输入端的优先顺序为:7I 级别最高, 0I 级别最低。
如果 7I =0(有信号 ,则其它输入端即使有输入信号,均不起作用,此时输出只按 7I 编码, 2Y 1Y 0Y =000。
优先编码被广泛用于计算机控制系统中, 当有多个外设申请中断时,优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。
图 3 译码管电路二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。
也称为变量译码器。
若输入端有 n 位,代码组合就有 2n 个,当然可译出 2n 个输出信号。
显示译码器由译码输出和显示器配合使用,最常用的是 BCD 七段译码器。
其输出是驱动七段字形的七个信号,常见产品型号有 74LS48、 74LS47等。
字符显示器:分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。
电子计算器,数字万用表等显示器都是显示分段式数字。
而 LED 数码显示器是最常见的。
通常有红、绿、黄等颜色。
LED 的死区电压较高,工作电压大约 1.5~3V,驱动电流为几十毫安。
如图 3所示,是七段 LED 数码管的引线图和显示数字情况。
74LS47译码驱动器输出是低电平有效,所以配接的数码管须采用共阳极接法;而 74LS48译码驱动器输出是高电平有效,所以,配接的数码管须采用共阴极接法。
数码管常用型号有BS201、 BS202等。
图 3是共阴式 LED 数码管的原理图,使用时,公阴极接地, 7个阳极 a~g由相应的 BCD 七段译码器来驱动。
2. 秒脉冲发生器电路该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器 74LS192减法计数电路、 74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。
完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后,进行 30s 倒计时,到 0s 时倒计时指示灯亮。
当有人抢答时,计时停止。
两块 74LS192 实现减法计数,通过译码电路 74LS48 显示到数码管上, 其时钟信号由时钟产生电路提供。
74LS192 的预置数控制端实现预置数30s , 计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
按键弹起后, 计数器开始减法计数工作, 并将时间显示在共阴极七段数码显示管上, 当有人抢答时, 停止计数并显示此时的倒计时时间; 如果没有人抢答, 且倒计时时间到时, 输出低电平到时序控制电路, 控制报警电路报警, 同时以后选手抢答无效。
倒计时模块电路如图 4所示: 图 4 倒计时模块电路由 555定时器和三极管构成报警电路。
其中 555构成多谐振荡器, 振荡频率 fo =1.43/[(RI +2R2 C ], 其输出信号经三极管推动扬声器。
PR 为控制信号, 当 PR 为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。
555定时器连接图如图 5所示:图 5 555定时器连接图3.报警电路控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号,当有人在有效时间内抢答时, 定时时间到时无人抢答时,输入信号为高电平,报警电路发出报警信号;反之, 输入信号为低电平时,报警器不工作。