進行本次設計主要有兩個目的，一是對數字邏輯這門課 的理論知識進行一次系統的梳理；二是鍛煉自己將理論應用于實踐的能力。針對以上目的，就要求做到，通過分析實際的需求提煉出相應的理論模型，進而再進行電路的設計，在之后的實際電路實現的過程中，還可以根據實際的需要對電路做出一些改進。
結合課堂理論知識與實驗課的實踐經驗，本次課計主要設計了一個智力競賽搶答器。該搶答電路允許八位選手同時參與，由主持人發出指令，可顯示選手序號、實現鎖存功能并具有顯示搶答倒計時和答題倒計時功能，對犯規選手（包括提前搶答和超時搶答），設計有顯示其序號的功能。
數字搶答器共包括搶答電路、控制電路和報警電路等部分，主要應用有74LS00、74LS32、74LS76、74LS148、74LS161、74LS190、74LS373和555定時器等集成芯片，利用Multisim進行設計并模擬仿真調試，然后在電子技術綜合實驗儀上進行實物操作。
目 錄摘要······························································2
第1章 概述······················································ 4
第2章設計任務及要求········································ 5
2.1 設計任務·············································5
2.2 設計要求·············································5
第3章 系統設計·················································· 7
3.1 方案論證·············································7
3.2 系統設計·············································7
3.2.1 結構框圖及說明·································7
3.2.2 系統原理圖及工作原理···························8
3.3 單元電路設計·········································9
3.3.1 單元電路工作原理·······························9
3.3.2 元件參數選擇··································16
第4章 軟件仿真················································· 17
4.1 仿真電路圖··········································17
4.2 仿真過程············································17
4.3 仿真結果············································19
第5章 安裝調試················································· 20
5.1 安裝調試過程········································20
5.2 故障分析············································20
第6章 結論····················································· 21
第7章 使用儀器設備清單········································· 22
參考文獻························································ 24
收獲、體會和建議················································ 25
近年來類似于智力競賽類的搶答型娛樂競技活動越來越受到廣大群眾的歡迎，隨著科學技術的不斷發展，數字搶答器的功能日益豐富和完善，成本也在逐漸降低，易于擴展、可靠性高、集成度高、功能多樣等優點都使得數字搶答器得到了更加廣泛的應用。
立足于《電子技術》這門的知識體系，力求通過本學科的一些知識來自主實現具有基本應用功能的數字搶答器。希望通過這次設計實踐，達到兩個目的，鍛煉自己的動手實踐能力，以及用已學的知識對數字搶答器電路進行詳盡的分析與模擬。
本次設計的數字搶答器電路主要由基本電路和擴展電路組成，其中基本電路包括選手搶答電路、鎖存電路、主持人控制電路；擴展電路包括倒計時電路和報警電路。通過優先編碼器74LS148、鎖存器74LS373和譯碼器將參賽選手的輸入信號在顯示器上輸出，利用控制電路和主持人開關啟動報警電路；通過倒計時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出，并利用蜂鳴器和指示燈實現報警電路。
第2章 設計任務及要求
2.1 設計任務
設計一個智力競賽搶答器。
1.基本設計任務
（1）設計一個具有八個選手（序號從1到8）的搶答電路，序號和選手一一對應；
（2）搶答器要求具有顯示選手的序號，同時禁止其他選手搶答的鎖存功能；
（3）設計主持人控制系統的開始與結束電路。當主持人發出搶答命令，并同時按下啟動定時開關后，八個選手通過各自的按鍵開關發出搶答信號；
（4）報警電路：對犯規選手（包括提前搶答和超時搶答），設計有顯示搶答犯規選手序號的功能。
2.擴展設計任務
（1）每個選手按鍵搶答問題的同時，配有聲音提示；
（2）當選手開始答題的時候，系統開始倒計時30s有數字顯示。計時結束時，有聲息提示；
（3）當主持人發出答題信號后，系統開始10s倒計時，同時有數字顯示，若選手仍未搶答時間到后，停止搶答，同時具有聲音提示。
2.2 設計要求
按照設計任務提出設計方案，并完成原理圖設計、模擬仿真，按要求完成設計報告。
1.理論設計部分
2.模擬仿真
3.安裝調試部分
第3章 系統設計
3.1方案論證
與普通搶答器比較，本作品有以下幾個方面的優勢：
3.2 系統設計
3.2.1 結構框圖及說明
搶答電路中，由主持人控制選手的搶答電路的工作與否，在發出搶答指令的同時打開倒計時電路，在倒計時時間范圍內允許選手搶答。若選手超時或提前搶答，則犯規，報警電路工作，顯示電路顯示犯規選手序號。若選手正常搶答，則顯示電路顯示搶答成功的選手序號，蜂鳴器工作發出提示，進入答題系統。答題系統由主持人發令開始并控制倒計時系統，在倒計時時間范圍內，選手答題。倒計時結束時提示電路發出提示，選手停止答題，展示自己的答案。一輪數字搶答器工作完畢后，主持人可以復位控制開關進行下一輪搶答。
3.2.2 系統原理圖及工作原理
圖3.2 系統組成框圖
如圖所示電路包括主體電路和擴展電路兩部分。其中主體電路完成基本的搶答功能，即主持人按下控制開關后，當選手按動搶答鍵時，數碼管顯示選手編號，同時封鎖輸入電路，其他選手搶答無效。擴展電路完成定時搶答的功能以及報警功能。圖3.2所示電路的工作過程是：接通電源后，主持人將控制開關置于“清除”處，此時搶答器處于禁止狀態，選手不能進行搶答，定時顯示器顯示設定的時間（30s），當主持人將控制開關置于 “開始”時，揚聲器發出聲響，搶答器處于工作狀態，同時定時器開始倒計時。當選手在定時時間內按動搶答鍵時，電路要完成以下功能：
（1）優先編碼電路判斷搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后通過譯碼顯示電路在數碼管上顯示搶答者的編號；
（2）揚聲器發出短暫聲響；
（3）控制電路對其余輸入編碼進行封鎖，禁止其他選手進行搶答；
（4）控制電路要使定時器停止工作，數碼管上顯示剩余的搶答時間，當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關進行系統清零，使系統回復到禁止工作狀態，以便進行下一輪搶答。當定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統將報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。
3.3 單元電路設計
3.3.1單元電路工作原理
圖3.3 搶答電路
工作原理：當主持人控制開關處于“清零”位置時，RS觸發器的R端為低電平，輸出端（4Q～1Q）全部為低電平。于是74LS48的BI=0，顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST=0，74LS148處于工作狀態，此時鎖存電路不工作。當主持人將開關撥到“開始”位置時，優先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態，既搶答器處于等待工作狀態，等待輸入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0輸入信號，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出Y2Y1Y0=010，YEX=0，經RS鎖存器后，CTR=1，BI=1，此時74LS279處于工作狀態，4Q3Q2Q=101，經74LS48譯碼后，顯示器顯示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態，封鎖了其它按鍵的輸入。當按下的鍵松開后，74LS148的YEX高電平，但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍處于禁止工作狀態，其它按鍵的輸入信號仍不會被接受。這就保證了搶答者的優先性以及搶答電路的準確性。當優先搶答者回答完問題后，主持人操作控制開關S，使搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。
74LS48的7，6，2，3引腳接受來自74LS192的輸出信號并把它譯碼顯示在數碼管上。74LS192的9，10，11，15引腳完成時間設定功能，本設計要求定時30秒，所以把左邊的芯片的1，15引腳接高電位，期于的全接低位，使的初始時間設定為30秒。555芯片完成產生秒脈沖的功能。工作過程為：搶答開始前，74LS192的置數端為低電位，處于初始狀態，數碼管顯示為30，5引腳接高電位。搶答開始后，秒脈沖沖推動右邊的芯片開始倒記時，同時右邊芯片產生的信號做為左邊芯片的CP信號推動左邊的芯片倒記時，完成十進制的倒記時功能。當有人搶答后1Q的輸出為1，經過非門后變為0，通過與門屏蔽了秒信號，停止記時，完成顯示搶答時間的功能。當記到了30秒時，左邊的芯片產生的定時到信號輸出為低電位，也屏蔽了秒信號，使得數碼管顯示為00。
555構成多諧振蕩器，振蕩頻率為：
f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C
其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振不再工作。
時序控制電路是搶答器設計的關鍵，它要完成以下三項功能：
①主持人將控制開關撥到“開始”位置時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態，
②當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路停止工作。
③當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。
根據上面的功能要求以及圖3.3和圖3.4，設計的時序控制電路如下圖所示：
門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端ST。圖3.6（A）的工作原理是：主持人控制開關從“清零”位置撥到“開始”位置時，來自于圖3.3中的74LS279的輸出CTR=0，經G3反相，A=1，則從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時，在定時時間未到時，圖3.4中74LS192的借位輸出端BO2=1，門G2的輸出ST=0，使74LS148處于正常工作狀態，從而實現功能①的要求；當選手在定時時間內按動搶答鍵時，CTR=1，經G3反相，A=0，封鎖CP信號，定時器處于保持狀態，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態，從而實現功能②的要求；當定時時間到時，圖3.4中74LS192的借位輸出端BO2=0，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態，禁止選手進行搶答，門G1同時處于關門狀態，封鎖CP信號，使定時電路為00狀態，從而實現功能③的要求，74LS121用于控制報警電路及發聲的時間。
（5）音頻產生電路的設計
本單元用于產生音頻信號驅動蜂鳴器工作，要使蜂鳴器工作必須給其輸入脈沖信號，因此，在該單元中我們同樣采用了555定時器來產生方波脈沖，考慮到對脈沖信號能夠做到有效的控制，我們采用由555構成的多諧振蕩器。
圖3.7 由555定時器構成的多諧振蕩器
設電容C 原先未充電, 故 TH = TR < VCC /3 , 此時 uo = 1 , 555內的晶體管 T 截止 , 電源通過 R1 和 R2 對電容 C 充電。在 uC 沒有充電到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不變。
一旦 uC 充至穩態值 , 即 TH = TR > 2VCC /3 , 立即 uo = 0 , 同時555內的管 T 導通,電容 C 放電, 一直至VCC /3 , 使得uo 回到 1 , 進入循環。
輸出方波的周期 T的計算: T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C
在電路中用到的由555定時器構成的音頻產生電路如下：
該電路中555定時器的4腳接到指示控制電路中，由指示控制電路來控制音頻信號的產生及消失。即當4腳來的是高電平時，該電路才能正常工作并產生音頻信號驅動蜂鳴器，當4腳來的是低電平時，555定時器處于復位狀態，輸出為低電平，蜂鳴器不工作。
（6） 聲光指示電路的設計
聲光指示單元用于指示搶答的信息，能夠指示出搶答是否有效，圖1.22是聲光指示單元的電路。各單元的指示信號送給雙與非門74LS00及雙輸入或門74LS32，它將信號進行不同的組合處理分別送給發光二極管或音頻產生電路來向主持人做出相應的信號指示。圖中，DS1為無效搶答指示燈，DS2為有效搶答指示燈。
（1）搶答電路開始運行，主持人將控制開關置于清除位置。搶答器出于禁止工作狀態，蜂鳴器關閉，顯示電路關閉，定時顯示器顯示設定的10秒搶答倒計時；
（2）當主持人開關置于開始位置，蜂鳴器聲音提示，搶答器處于工作狀態，定時器開始10秒搶答倒計時；
（3）10秒倒計時內，若有選手成功搶答，鎖存器工作，顯示電路顯示選手編號，同時亮綠燈，禁止其他選手再次搶答，蜂鳴器聲音提示，計時器開始顯示30秒答題倒計時；
（4）若有人在主持人開關開始前搶答，或者當10秒搶答倒計時結束后再由選手搶答，報警啟動，有蜂鳴聲，同時亮起紅燈。
（5）當選手搶答成功后，主持人將開始答題開關打開，30秒答題計時系統開始工作，倒計時結束后，蜂鳴器報警，禁止選手超時作答
3.3.2元件參數選擇
序號 | 類型 | 數量 |
1 | 74LS279（RS鎖存器） | 1 |
2 | 74LS48（4線—7段譯碼驅動器） | 3 |
3 | 74LS148（8線—3線優先編碼器） | 1 |
4 | 74LS192（十進制可逆計數器） | 2 |
5 | 74LS121（單穩態觸發器） | 1 |
6 | 74LS00（二輸入與非門） | 2 |
7 | 74LS20（四輸入與非門） | 2 |
8 | NE555 | 2 |
9 | 晶體管3DG130 | 1 |
10 | 七段數碼管（共陰極） | 1 |
11 | B鍵（觸發開關） | 9 |
12 | 發光二極管 | 1 |
13 | 揚聲器 | 1 |
14 | B鍵（輸入開關） | 8 |
15 | 電阻（510Ω） | 2 |
16 | 電阻（1KΩ） | 2 |
17 | 電阻（10KΩ） | 9 |
18 | 電阻（15KΩ） | 2 |
19 | 電阻（68KΩ） | 2 |
20 | 電容（0.01μF） | 2 |
21 | 電容（0.1μF） | 2 |
22 | 電容（10μF） | 2 |
23 | 電容（100μF） | 2 |
第4章軟件仿真
4.1 仿真電路圖
如下圖所示：
圖4.1 仿真電路圖
4.2 仿真過程
按上述原理設計出整個電路，用Multisim12軟件進行EDA仿真調試，首先讓選手的1-8的按鍵彈起，點擊仿真按鈕，主持人清零開關J9和定時器開關J10同時閉合，實現對選手搶答數碼管清零和對定時器數碼管置數的功能，然后斷開J9和J10，讓選手進行搶答，通過仿真調試，該電路完全能夠實現搶答器設計要求的基本功能和擴展功能。
第2路搶答器搶答后的顯示，同時發光二極管指示燈發光，如下圖：
圖4.2 搶答結果
CTR端的示波器波形，撥動開關后，CTR上跳，有人搶答時，CTR下跳，如下圖所示：
圖4.3 示波器波形圖
倒計時開始后開始計數，同時倒計時指示燈亮直到倒數到0秒熄滅，如下圖所示：
圖4.4 顯示結果
倒計時開始后開始計數，同時倒計時指示燈亮直到倒數到0秒熄滅，計時器個位減到0時，BO1出現一個下跳；計時器十位減到0時，BO2出現一個下跳，如下圖所示：
圖4.5 示波器波形圖
4.3 仿真結果
主持人打開開關搶答開始計時，有人搶答后顯示編號且顯示剩余時間。時間到00后報警燈亮且無法搶答。而提前搶答和超時搶答時會由蜂鳴器發聲，進行報警。該仿真完全達到要求。
第5章 安裝調試
5.1 安裝調試過程
電子電路的組裝與調試在電子設計技術中占有重要位置。它是對理論設計進行檢 驗、修改和完善的過程，任何一個新產品往往都是在安裝、調試并反復改多次方能最終完成。
組裝電路時應注意以下幾點：
1) 所有元器件在組裝前應盡可能全部測試一遍，以保證所用元器件均合格。
2) 所有集成電路的組裝方向要保持一致，以便于正確布線和查線。
3) 組裝分立元件時應使其標志朝上或朝向易于觀察的方向，以便于查找和更換。
4) 對于有極性的元件，例如電解電容器、晶體二極管等，組裝時一定要特別注意，切勿搞錯。
5) 為了便于查線，可根據連接線的不同作用選擇不同顏色的導線。一般習慣是正電源用紅色線、負電源用藍色線、地線用黑色線、信號線用黃色線等。
6) 連線盡量做到橫平豎直。連線不允許跨接在集成電路上，必須從其周圍通過。同時應盡可能做到連線不互相重疊、不從元器件上方通過。
7) 為使電路能夠正常工作與調測，所有地線必須連接在一起，形成一個公共參考點。
正確的組裝方法和合理的布局，不僅可使電路整齊美觀、工作可靠，而且便于檢查、調試和排除故障。如果能在組裝前先擬訂出組裝草圖，則可獲得事半功倍之效果，使組裝既快又好。
5.2 故障分析
連接完成后，報警電路工作異常。經排查，導線連接正確，各元件完好。后借助儀器檢查出損壞導線，更換后電路正常。
第6章 結論
本設計基本完成了老師的要求，能夠實現全部的功能。能八路搶答，能定時搶答，也能報警，清零。
在進行實驗的時候，遇到不少的問題。一開始不知道該使用什么芯片去做實驗，復習老師講過的課件，熟悉芯片的功能，同時去圖書館借有關書籍，看看哪些芯片能達到編碼，譯碼，鎖存等，以及重新溫習了上個學期的《數字邏輯與數字系統》書本。經過資料的搜集，基本確定了用哪類芯片達到哪類功能。然后就研究電路圖，仔細對照真值表連接電路圖，并畫好電路圖草稿。畫好電路圖后，然后在電腦上模擬，一開始在電腦上畫好電路圖后，仿真也不過，存在幾個錯誤，慢慢檢查后，是連線的錯誤，有幾個地方是不該接在一起的，從而造成了一個輸入端有兩個輸入量。在排除錯誤后，經過了仿真，但是數碼管完全沒有反應，檢查后發現是因為在通過與非門進行清零的時候，接線錯誤導致令74LS279一直不工作，改過錯誤后，數碼管能正確顯示，選手也能搶答，但是搶答時間到了，74LS192還是在計數，不能在00那里停止，于是改進電路圖，使74LS192的十位的BON連到一個脈沖上。上面是一些問題和解決方法，其實遇到的問題遠不止這些，不過現在回想起來都是一些很低級的錯誤，有時候是因為粗心大意造成的錯誤，有時候是因為沒有認真看芯片的真值表而造成的。
經過了這次設計，我收獲良多。在一開始的時候，很擔心自己不能完成實驗，因為上學期的數字邏輯不是學得很好，造成信心不是很足。后來也證明了我是可以獨立完成的。在設計電路的時候，考慮的不是很全面，以及畫電路圖的時候沒有很細心謹慎地工作，造成了一些低級錯誤。所以經過設計，我提高了自己的動手能力，也增強了自己的信心。同時讓我知道在工作的時候要保持細致嚴密的工作態度，這樣會事半功倍。
第7章 使用儀器設備清單
1. 74LS148的引腳圖和邏輯功能表
2. 74121的邏輯功能表和引腳圖（代替74LS121）
3. 74LS279的邏輯功能表和引腳圖
4. 74LS192的邏輯功能表和引腳圖
參考文獻
1.李景宏，馬學文.電子技術實驗教程.沈陽：東北大學出版社.2000
2.王永軍，李景華編著.數字邏輯與數字系統.北京：電子工業出版社，2002
3.高吉祥，易凡編著.電子技術基礎實驗與設計.北京：電子工業出版社，2002
4.陳大欽編著. 電子技術基礎實驗. 北京：高等教育出版社，2000
收獲、體會和建議
由為期數天的設計實踐，主要獲得以下幾點總結和體會。這次設計是通過查閱多種資料、與同學討論以及獨立思考設計出來的。在設計過程中，用到了本學期所學過的各個集成芯片，因此我對它們的功能和運用有了更深一步的了解。同時通過Multisim軟件對電路進行模擬仿真，從而使設計結果得到了驗證。 通過這次設計環節，我了解到模擬電路和數字電路之間的聯系，對單元功能電路的理解和運用能力有了一定的提高。
將理論與實踐相結合，知識的價值才會真正體現出來，但將所學的知識合理有效的應用于實踐中，是很艱難的。然而面對困難我們需要勇氣和執著，如果缺乏勇氣不能在挫折面前我們便會不知所措，不愿有所作為，這樣是不會有進展的。一開始接觸這樣綜合性的電路實驗，我心里很沒底，不知從何處著手。但是指導老師的指點和查閱的一些資料讓我漸漸理清思路。另外還想提一下的就是Multisim的使用，開始的時候對Multisim很不熟悉，但是摸索一段時間，我們還是能用它來進行仿真設計的。當然要進行一項比較復雜的實踐時，光有勇氣還是不夠的，更加需要執著的付出。
這次的設計主要是關于數字電路的知識，譬如多諧震蕩器的原理，其周期的計算，模式開關電路的設計，各種芯片（主要是74LS373和74LS148等）的結構與功能等。這時需要靜下心來復習，把電路的各個部分原理弄清楚。
基于以上所述，總的來說就是三點。一，端正態度，認真負責。要像對待理論學習一樣，認真地參與實踐，將理論聯系實際，在實踐中檢驗理論，升華理論知識。認真聽取指導教師的意見和建議，不斷改進。二，堅持付出，不懼失敗。在實踐活動中，我們可能會遇到各種各樣的困難，經歷很多失敗，這是必然的，但面對困難與失敗，我們要迎難而上，要有一股不出結果不罷休的精神。三，勇于創新，精益求精。在實踐中不斷改進，取得更大的進步。
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課 程 設 計 報 告.docx
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好像對不上哦。有沒有仿真圖，上一個澄清一下哦。嘻嘻！| 歡迎光臨 (http://www.zg4o1577.cn/bbs/) | Powered by Discuz! X3.1 |