30s倒計時帶報警八路搶答器Multisim仿真電路圖

ID:786648 · 發表于 2020-7-2 17:37

1. 8名選手編號為；0，1，2，3，4，5，6，7。各有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號對應，也分別為0，1，2，3，4，5，6，7。
2. 給主持人設置一個控制按鈕，用來控制系統清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。當主持人按下開始鍵，揚聲器發聲，搶答開始。
3. 搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，該選手編號立即鎖存，并在編號顯示器上顯示該編號，同時揚聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。
4. 搶答器具有定時（例20秒）搶答的功能，定時時間可由主持人設定。當主持人按下開始按鈕后，要求定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時時間，同時揚聲器發出音響，音響持續0.5秒。參賽選手在設定時間（20秒）內搶答，搶答有效，揚聲器發出音響，音響持續0.5秒，同時定時器停止倒計時，編號顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統清零為止。
5. 如果定時搶答時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統揚聲器報警（音響持續0.5秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示00，由主持人清零。
6. 用揚聲器發出聲音也可以同時輔助發光二極管來顯示計時時間或報警。

如圖 1所示它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成檢測數碼管工作情況。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到"清除"狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置于"開始"狀態，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，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"清除"和"開始"狀態開關。

如圖 2所示其工作原理為：接通電源后，主持人將開關按下即為“清零”狀態，清零指示燈滅，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈；主持人將開關斷開即為“開始”狀態，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當有人搶答時，蜂鳴器發出聲響并且燈不斷閃爍。選手進行搶答時，搶答器將完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、蜂鳴器鳴叫及燈閃爍的提示等操作。當一輪搶答之后，禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態開關。

圖 4

優先編碼電路

采用74LS148優先編碼器作為編碼電路。74LS148編碼器功能表如下：

圖 5

74LS148功能表：

表 1

74LS148N是一個優先編碼器

優先編碼器是數字系統中實現優先權管理的一個重要邏輯部件。一般編碼器的輸入端只能有一個為有效信號，才能進行編碼。優先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。優先編碼器的每個輸入具有不同的優先級別，當多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優先級別，并對其中優先級別最高的一個進行編碼，產生相應的輸出代碼。

輸入端：

~

輸出端： A0~A2（低電平有效）

使能輸入端：低電平有效

EO使能輸出端：當

=0時，EO=1表示有有效信號輸入

擴展輸出端：

=0時，表示編碼器工作，

=1時表示編碼器不工作

鎖存器

此設計電路選用D觸發器作為鎖存器電路。D觸發器的邏輯功能表如下所示：

圖 6

D觸發器的特性表

表 2

CP	D	Qn	Qn+1
X	X	Qn	Qn+1
0→1	0	0	0
0→1	0	1	0
0→1	1	0	1
0→1	1	1	1

D觸發器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發的特點，當時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端D的值傳輸到輸出端。真值表如下：

數碼顯示器

數碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數碼管。

圖 7

主持人控制開關

用于控制清零和工作的按鈕。

圖 8

控制電路

控制電路由觸發器和輸入信號一起控制電路的工作。

圖 9

原理：如上圖所示，4個觸發器的置數端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發器的Q非端為1，當輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發器開始工作，經過觸發器將信號傳輸到顯示數碼管，而第4個觸發器Q非端變為低電平，返回到與門鎖定觸發器的狀態，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。

報警顯示電路

如圖實驗選擇燈來表示信號的鎖定。

秒脈沖電路的設計

計數器的時鐘由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路的提供可以有兩種選擇方案:

方案一:用555構成的多諧振蕩器構成。多諧振蕩器沒有穩態，只有兩個暫穩態，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩態之間來回轉換，故又稱它為無穩態電路。由555定時器構成的多諧振蕩器如圖10所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發端(6腳)和低電平觸發器(2腳)并接后接到R2和C的連接處，將放電端(7腳)接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于(1/3)Vcc，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VI截止。這時，電源經R1，R2對電容c充電，使電壓uc按指數規律上升，當uc.上升到(2/3)Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從(1/3)Vcc上升到(2/3)Vcc這段時間內電路的狀態稱為第一暫穩態，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關。充電時間常數T充=(R1+R2)C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩態之間來回翻轉，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在(1/3~2/3)Vcc之間變化。

圖 11

振蕩頻率為

方案二:有石英晶體振蕩器提供時鐘脈沖。石英振蕩器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動，當交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優點，被應用于家用電器和通信設備中。

經過比較，多諧振蕩器頻率穩定性比石英晶體振蕩器較差，而且其精確度也遠沒有石英晶體振蕩器那么高，但是考慮到在此次電路中的實際情況，石英晶體振蕩器的造價等要求高于多謝振蕩器，所以采用方案--的多謝振蕩器來提供時鐘脈沖。如圖12所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產生矩形被輸出。我們設定產生的時鐘脈沖的時間間隔是一秒，根據

計算可以得出電阻R與電容c的關系，給定電容值，可適配解出電阻值得到如下圖的電路:

圖 12

報警電路設計

報警電路只是采用了一個蜂鳴器和LED發光二極管構成，起電路如圖 13所示。

圖 13

時序控制電路設計

時序控制電路是搶答器設計的關鍵，需要完成三項功能:

主持人將控制開關撥到“開始”位置時，搶答電路和限時電路進入正常搶答工作狀態。
當競賽選手按動搶答健時，搶答電路和限時電路停止工作。
當限定的搶答時間到，無人搶答時搶答電路和限時電路停止工作。本設計采用門電路對控制開關、搶答電路、定時電路進行連接。

如圖 14所示

圖 14

整體電路的仿真與調試
- 仿真軟件的介紹

Multisim是加拿大圖像交互技術公司(Interactive Image】Technoligics簡稱IT公司)推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。通過直觀的電路圖捕捉環境，輕松設計電路;通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為;借助高級電路分析，理解基本設計特征;通過一個工具鏈，無縫地集成電路設計和虛擬測試;通過改進、整合設計流程，減少建模錯誤并縮短上市時間。

搶答器電路的仿真：

a.主持人將控制開關撥到開始位置，搶答電路和限時電路進入正常工作狀態。

b.在在規定時間內當選手按動搶答鍵，搶答電路和限時電路停止工作，同時數碼管顯示相應選手的編號，指示燈亮起。

c.在規定時間內無人搶答，搶答電路和限時電路停止工作，選手再按搶答鍵，將不會顯示編號，同時限時電路顯示00，報警器報警，報警指示燈亮起。

仿真時的問題與解決:

設計按照的電路圖連接器件，在仿真軟件上進行調試，出現如下問題：

(1)連線問題，元器件之間不能正常連接，連線交叉過多，電路圖看起來十分混亂。

(2)元件參數的計算選擇不是很合理，電容、電阻的參數選擇未能使輸出時鐘脈沖的時間達到理論要求。

主要就是上述的問題，對上述問題的解決方法是:

（1）在元件之家以添加節點的方式使其正常連接，同時更,改元器件放置位置，重新選擇管腳連接順序，再次布線。

（2）通過查閱資料，修改給定的電容參考值，重新計算電阻的值，多次修改調試，直到到達理論值。

心得體會及建議

通過這次設計，我學會了許多課本上學不到的東西，同時也加強了我的動手、思考和解決問題的能力，受益匪淺。

為了弄懂74LS系列芯片的功能，我從圖書館里借來了好幾本書，同時也在網上找了資料再到邏輯功能，經過一番努力終于解決，還有其它的芯片的功能也要慢慢的去琢磨。而在設計過程中，我覺得是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，同時平時課間又沒有好好的運用額理解個個元件的功能，而且考試的內容有限，所以在這次設計過程中，我們了解很多元件的功能，對其在電路中的使用有更多的認識。

從前的學習過程過于浮淺，只是流于表面的理解，而現在要做設計，就不得不要求我們對所用到的知識有更深層次的理解。因為設計的內容比及書本中的理論知識而言，更接近于現實生活，而理論到實踐的轉化往往是一個艱難的過程，它猶如一只攔路虎，橫更在我們的面前。但是我們毫不畏懼，因為我們相信我們能行。

這幾天的主要任務是設計和仿真出主體電路。雖然在設計中會遇到這樣那樣的問題，有時認為是正確的，而在仿真中卻出現了這樣那樣的問題。比如說在設計好的主電路圖要實現南北各燈泡的狀態，電路圖我認為是對的，而在仿真的是后去出現了問題，就是出現了一個出狀態，其它的都是正確的，經過了反復的檢查沒什么問題，其實沒有問題，在實際中就不會出現了這種問題，所以有不懂的還是要問老師，那樣還節省很多的時間。