標(biāo)題: 74系列數(shù)字電路智力競賽搶答器的設(shè)計 [打印本頁]
作者: q977165 時間: 2018-12-24 10:55
標(biāo)題: 74系列數(shù)字電路智力競賽搶答器的設(shè)計
摘 要
傳統(tǒng)的搶答器分立元件使用較多，造成電路的成本偏高，設(shè)計出數(shù)字化全集成電路的多路搶答器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求，因此向讀者介紹筆者用74 系列常用集成電路設(shè)計的數(shù)碼顯示四路搶答器，并詳細分析了電路工作原理。其功能為供四人用的智力競賽搶答器裝置線路。,本電路分為兩部分：一是基本搶答部分，二是倒計時部分。搶答有效有聲音提示并顯示組別，由主持人手動復(fù)位。此搶答操作方便,在很多的場所都可以使用,并且給人的視覺效果非常好.
一、完成課題的工作基礎(chǔ)和實驗條件
1．工作基礎(chǔ)
搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器存在分立元件使用較多，造成電路的成本偏高，而現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展要求電子電路朝數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，因此設(shè)計出數(shù)字化全集成電路的多路搶答器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求，故筆者按照這一要求，并根據(jù)74175D觸發(fā)器的功能特點，用74192和其它幾塊常用的74系列數(shù)字集成電路設(shè)計出了一數(shù)碼顯示四路搶答器電路，該電路具有成本低、元器件容易得到、路數(shù)多、數(shù)碼直觀顯示、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，而且該電路也可作數(shù)字集成電路應(yīng)用的一個范例，來作為學(xué)習(xí)使用數(shù)字集成電路之用。
2．實驗條件
（1）GW48系列EDA/SOC實驗開發(fā)系統(tǒng)（提供有目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA-型號EP1K30TC144-3、數(shù)碼顯示器、二極管、三極管、鈕子開關(guān)、晶振等資源）；
（2）電路設(shè)計采用下列器件：
74175、74148、74192、7448、ANDX、ORX、NOT，OR8，NAND等。
二、設(shè)計任務(wù)和要求
1. 基本要求
（1）有4路搶答；
（2）數(shù)字顯示搶答組別；
（3）由主持人復(fù)位后方可搶答；
（4）聲音（D）提示已有人搶答。
2. 附加功能
（1）主持人復(fù)位前有人搶答聲音提示
（2）有倒計時功能，倒計時為30秒 ，數(shù)字顯示倒計時間，如果計時到零還未有人搶答則聲音提示且之后的搶答無效。
（3）在倒計時未到達零之前如果有人搶答則計時停止。
三、電路基本原理
1．?dāng)?shù)字搶答器總體方框圖
如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“準(zhǔn)備”(低電平)狀態(tài)，定時器顯示設(shè)定時間，計時器處于禁止?fàn)顟B(tài)，此時如果有人搶答，則聲音提示搶答無效。主持人將開關(guān)置“開始”（高電平）狀態(tài)，宣布開始，搶答器工作。定時器倒計時，選手在預(yù)定時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：
優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"準(zhǔn)備"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。如果在
規(guī)定時間內(nèi)沒有人搶答，則聲音提示，之后搶答無效。
2．單元電路設(shè)計
(1) 搶答器電路
圖 2搶答器電路 參考電路如圖２所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是有選手搶答后其他選手按鍵操作無效。工作過程：剛開始選手開關(guān)p1、p2、p3、p4全為低電平，開關(guān)S置于0（低電平）時，D觸發(fā)器的無時鐘脈沖，觸發(fā)器處于禁止?fàn)顟B(tài)。觸發(fā)器４個輸出保持為1（高電平），使74148的輸入端1N、2N、3N、4N為高電平，經(jīng)74148優(yōu)先編碼器編碼后輸出端全為高電平， A2N，A1N，A0N經(jīng)反相器后接到7448的A、B、C輸入端，經(jīng)BCD—7段譯碼器7448譯碼后全為低電平，共陰極七段碼電路沒有顯示。將當(dāng)開關(guān)S置于1（高電平）時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下P3，P3為高電平），74148的輸出經(jīng)鎖存電路后后，3Q=0, 1Q、2Q、4Q=0,74LS48處于工作狀態(tài)，４Q３Q２Q1Q=1011,經(jīng)譯碼顯示為"3"。此外，3Ｑ＝１，使觸發(fā)器其他輸入端為保持為1，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入，從而保證了搶答者的優(yōu)先性。此時SPK輸出脈沖信號，聲音提示有人搶答。如有再次搶答需由主持人將Ｓ開關(guān)重新置“0”，然后再進行下一輪搶答。74175、74148、7448分別為為D觸發(fā)器、10線—4線BCD編碼器和BCD-to-7-Segment Decoder BCD—7段譯碼器，表1、2、3為其功能表。
表1 74175功能表
表2 74148功能表
表3 7448功能表
(2)定時電路
表 3定時器電路
通過預(yù)置時間30秒電路對計數(shù)器進行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供�？深A(yù)置時間的電路選用十進制同步加減計數(shù)器74LS192進行設(shè)計，具體電路如圖3所示。當(dāng)開關(guān)S為低電平時，對兩片74192進行預(yù)置數(shù)，當(dāng)開關(guān)為高電平且QD為低電平時倒計時開始，此時如果QD變?yōu)楦唠娖�，則停止計數(shù)，譯碼顯示電路上顯示剩余時間。若計時到零時QD還未低電平，這SPK輸出脈沖信號，聲音提示時間到。表4為74192的功能表。
表4 74192功能表
（3）電路總體設(shè)計
實驗原理圖見圖4.將搶答電路和計時電路的輸出用或門相連，從而使有人搶答或計時到零都有聲音提示；將計時電路的輸出端MANGER接到搶答電路的輸入端QD，從而保證計時到零后搶答無效；將搶答電路的的輸出端SPK接到計時電路的輸入端SPKIN，從而保證有選手搶答后計時停止。此外如果在計時未開時時有選手摁下，則聲音提示搶答無效。
本搶答器使用方法非常簡單，從上述工作原理可知，搶答前只需先將開關(guān)S置于“0”，然后再置于“1”，即可進行搶答。
圖 4實驗原理圖
四、實驗與調(diào)試
實驗調(diào)試時選用GW48系列EDA/SOC實驗開發(fā)系統(tǒng)（提供有目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA-型號EP1K30TC144-3、數(shù)碼顯示器、二極管、三極管、鈕子開關(guān)、晶振等資源），實驗選用實驗電路結(jié)構(gòu)圖NＯ．０，選用數(shù)碼８、數(shù)碼７顯示倒計時，選用數(shù)碼１顯示搶答選手號，選用鍵８代表主持人控制端Ｓ，選用鍵７、鍵６、鍵５、鍵４表示選手號Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４．按照結(jié)構(gòu)圖對管腳號進行封裝。實驗調(diào)試圖見圖５。
剛開始調(diào)試時發(fā)現(xiàn)一個問題：如果未有選手搶答則計時到零后數(shù)碼１顯示選手號為４，經(jīng)過分析原因是計時到零后觸發(fā)器自動清零，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后就輸出４，之后對電路進行了改進，將計時電路的輸出端manger和搶答電路的時鐘信號相“與”后接到觸發(fā)器的時鐘輸入端，將觸發(fā)器的清零端接高電平。第一個問題解決后引起的第二個問題是計時到零后無聲音提示，且計時到零后減法計數(shù)器繼續(xù)減，之后將計時電路的聲音輸出和搶答電路的聲音輸出相“或”后，再將計數(shù)器計時到零后的74192的所有輸出端“或非”后與74192的DN輸入端相“與”，這樣計時到零后74192的DN輸入端就為1，輸出就可以保持了。至此，電路的功能就全部可以實現(xiàn)了。
圖5 實驗調(diào)試圖
五、 體會
經(jīng)過近兩周的努力,在老師和同學(xué)的幫助下,我完成了設(shè)計任務(wù)。通過這次課程設(shè)計，加深了自己對理論知識的理解，同時也鍛煉了自己把理論知識應(yīng)用到實際問題的能力，更鍛煉了自己自學(xué)的能力，能夠根據(jù)需要去讀一些相關(guān)文獻，學(xué)會如何去使用一個軟件（學(xué)會一個軟件用好里面的幫助是最重要的）等，而這些正是以后工作學(xué)習(xí)生活所必需的。以前做實驗總是很單一，要不就是按課本上步驟一步一步走，要不就是設(shè)計簡單的如加法器，減法器之類的電路，或是用各種門電路設(shè)計簡單的報警電路，密碼鎖等。而這次實驗則是所有實驗的綜合，需要有一定理論基礎(chǔ)和積淀。
剛開始老師布置任務(wù)的時候覺得很難，經(jīng)過兩天左右的思考初步設(shè)計把電路分成兩個模塊，一是基本的搶答電路，二是定時電路，各部分設(shè)計好了再整合在一起，這樣就不難設(shè)計了。搶答電路可以用D觸發(fā)器來完成，設(shè)計的關(guān)鍵是如何鎖存最先搶答的選手號，定時電路可以用秒脈沖加減法計數(shù)器來完成，為了更接近于實際，我用兩片74192分別代表十位和個位。初步設(shè)計后MAX+PLUSSII進行仿真無誤后再進行附加功能的添加，如計時前搶答的報警，計時到零的聲音提示及有選手搶答后計時的停止與聲音的提示等。
設(shè)計電路時收獲最大的是不管以后干什么，都要從大處著眼，小處著手，先將任務(wù)分成幾個部分，再一部分一部分的去完成，最終再完成總體的設(shè)計，不然直接設(shè)計一個整體的模型，不方便調(diào)試，出了錯也不知道是哪部分出了問題。
通過這次實驗，還有一個收獲就是感受到同學(xué)之間的溫暖和相互協(xié)作的力量。盡管我們各自設(shè)計的電路不盡相同，思路也可能迥然不同，但我們能夠互相幫助，遇到問題一起探討，一起解決，別人有什么不懂的也盡量幫忙 。相互學(xué)習(xí)，共同進步，這種團結(jié)協(xié)作的精神正是我們新一代大學(xué)生所要求的基本素質(zhì)與修養(yǎng)。
由于知識水平的局限,設(shè)計中可能會存在著一些不足,我真誠的接受老師和同學(xué)的批評和指正.最后衷心感謝老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助!
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