电子技术综合实验课程设计-智力竞赛抢答器设计.docx

华州之力士学课程设计（综合实验）报告（20122013年度第一学期）名称：电子技术综合实验题目：智力竞赛抢答器设计院系：电气与电子工程学院班级：通信1103学号：Ill0321学生姓名：指导教师：设计周数：1周成绩：日期：2014年1月2日目录一、课程设计（综合实验）的目的与要求4二、设计框图及电路系统概述42.1 设计框图42.2 系统概述4三、各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算43.1 主持人操控台43.2 计时器：53.3 抢答电路63.4 分数控制电路（需要六个）73.5 使用到的片子：8四、调试过程及结果分析114.1 加法、减法器114.2 倒计时器为零后无法抢答124.3 关于电路的初始化124.4 关于片子的选择134.5 正确抢答时13五、设计、安装及调试中的体会135.1 设计135.2 安装135.3 调试145.4 总结14六、参考文献14附录（设计流程图、程序、表格、数据等）14流程图14子电路15总电路（见大页附录）16电子技术综合实验任务书一、目的与要求1 .目的1.1 综合实验是教学中必不可少的重要环节，通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。1.2 注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内容、步骤和方法。1 .3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。2 .要求2.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。2.2 根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。2.3 3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。2. 4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。3. 5学会撰写综合实验总结报告。4. 6通过综合实验，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。2.7在综合实验过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。二、主要内容共有8个既有学习价值又有一定的实用性和趣味性的设计课题，学生根据自身情况自由选择其中之一。1 .移位寄存器型彩灯控制器2 .智力竞赛抢答器3 .电子拔河游戏机4 .交通信号灯控制器5 .数字电子钟6 .电子密码锁7 .电子秒表8 .数字电子钟（硬件）三、进度计划序号设计（实验）内容完成时间备注1设计内容讲解、学习资料查找方法半天2发放材料、清点材料、熟悉各种元器件半天3查找资料、设计电路、绘制总体电路草图1天4电路组装并调试或在MUltiSiln上绘制电路图、仿真并调试2天5验收、撰写实验报告1天四、设计（实验）成果要求L学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案；然后对方案中单元电路进行选择和设计计算；最后画出总体电路图。9 .预设计经指导教师审查通过后，学生即可向实验室领取所需元器件等材料，在面包板上组装、调试电路，使之达到设计指标要求。10 在MUItiSiln软件平台上学生可直接设计、仿真和实现，直至达到设计要求。五、考核方式综合以下指标评定课程设计总成绩：优、良、中、及格和不及格。1 .设计方案的正确性与合理性；2 .实验动手能力（安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力以及创新精神等）；3 .总结报告；4 .答辩情况（课题的论述和回答问题的情况）；5 .设计过程中的学习态度、工作作风和科学精学生姓名：指导教师：年月日一、课程设计（综合实验）的目的与要求1、设计制作一个可容纳六组参赛队的智力竞赛抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。设置一个“系统复位”按钮和一个“抢答开始命令”按钮供主持人使用2、电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出“抢答开始命令”后，若参赛者按下抢答按钮，就显示最先抢答者的组号，指示抢答有效，并以声音警示。若系统复位但未发“抢答开始命令”，参赛者就按下抢答按钮，也显示抢答者的组号，但指示抢答无效，并以声音警示。要求确定第一个输入的抢答信号，并保持该信号不变，同时使后输入的信号无效。3、在发出“抢答开始命令”后开始计时，经过规定的抢答时间后若没有人抢答，就发出“抢答时间到”信号，以声光警示，并锁定输入电路使各路抢答信号无法再输入。4、设置计分电路，开始时每组预置为100分或其它，答对一次加10分，答错减10分。二、设计框图及电路系统概述2.1 设计框图电路可以分为四个部分（选手抢答器、主持人开关台、计分器、计时器）2.2 系统概述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。实现这一功能可用触发器或锁存器等。在得到第一抢答信号之后应立即将电路的输入封锁，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“抢答开始命令”后才有效，否则无效。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号。还可用鉴别出的第一抢答信号控制音频振荡器工作，给以警示。3、计分电路可采用3位七段数码管显示，由于每次都是加或减10分，故个位总保持为0,只要十位和百位作加减计数即可，可采用两级十进制加/减计数器完成。三、各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算3.1 主持人操控台改进前的开关：调试后的开关:3.2 计时器：从主持人宣布开始后30秒若无人抢答亮灯并发出警示74192的预置数控制端由主持人控制实现预置数，当主持人端为低电平时,741sl92置数;当主持人端为低电平时,电路开始倒计时。当有人抢答时，即经抢答电路与门、D触发器以及六个电路相与为低电平（现用开关J2模拟）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，时序电路报警，并通过与门与电路的D触发器的输入端的二进制与门相连，使电路锁定之后选手抢答无效，（修改后的电路见电路4.2下图只是倒计时器）。图中使用J2开关模拟选手抢答前后的情况，以确定在连接电路时当选手抢答后倒计时停止。V 8 Ng28 S ASst 8* SuZxoa < dDA S3/ 8f So § &3.3 抢答电路开关R：复位（'0'复位）开关S：开始（'0'开始；'1'未开始）1、每个抢答器用的是一个二输入与门（74LS08）和一个D触发器（74LS74）2、抢答电路简述：每个与门电路一个输入端与其所在同一条电路的抢答开关相连。六个D触发器的输出端Q非进行六与门运算（使用两个三输入与门74LSIl和一个二输入与门74LS08）后再经过一个RS锁存器与每个电路的与门电路的另一输入端相连，构成反馈电路，实现所存功能。D触发器的D端和RP端与1'相连。3、具体过程：主持人按动复位开关R后，所有的Q非端都为'1;有人抢答时该人所对的D触发器时钟出现一个上升沿，Q非变为'0',六与门输出变为'0'返回给输入端的二输入与门所有人对应的D触发器时钟为'0'再有人按动开关后不会发生变化实现锁存功能4、错误抢答简述：使用一个D触发器（U12）,六输入与门电路与非门相连接入U12时钟控制端，开始开关S与U12的D相连，其他部分同其他D触发器。5、具体过程：主持人拨动复位开关R后U12的输出端Q为'0',当主持人未拨动开始开关S时开关为高电平，有人抢答时U12时钟有一个上升沿，U12的输出Q变为F',红灯亮起同时报警器开始报警；当主持人拨动开始开关S后（S为低电平）有人抢答，U12得到上升沿但是输出Q不变依旧为低电平,不会发生报警。74LS74N74LS74N74LS74N74LS08D4tS74N3.4分数控制电路（需要六个）U7A74LS08DU7B口74LS08DU7CD74LS08D74LS08D74LS08D74LS74NU13A74LS74NU6ADIG_BLUE74LS11D74LS08DU11A74LSllD74LS74D正确抢答部分改进后图见4.574LS148N2.5 V74LS04DU12A> ICLK开关A：加十分开关B：减十分开关RlO0：置初试分数为100每个计分电路采用两片74LS192,74LS192是可逆十进制计数器。开关R（在总电路中为R100）与LD端相连，CR端为低电平按下RlOO后可实现把分数置为100的功能。抢答的选手将有效抢答信号输入到计分电路（选手抢答有效，即抢答器代表该组选手的D触发器的输出Q为高电平，下图中使用VCC代替选手已抢答，来检测计分器是否可以正常工作）与主持人控制的开关A和开关B,共同控制计分器的加分和减分。开关A、B分别于叩、down端相连实现加十分，减十分功能。D触发器没有实际功能只是在置数时保证个位的'0'可以显示，由于在总电路中太占位置故删除了。5VU6A rFb-，一H2-.一CLR -OO CDoAD1 od2JP»幽触 YOWD U7A 74LS74DU3 4 U5 raiara pl 蹩 I k.I RGDR日HX DIG REDU7A 74LS74D74WIieaKey =&Key = B一'7 U-SOC74LS00D74LS192D74LS19如-4- MD-SGN3.5使用到的片子：74LS74.74LS148>74LS192>74LSo0、74LSO8、74LS1K74LSO4、七段数码管1、优先编码器74LS14874LS148为8线-3线优先编码器，表4.1.1为其真值表，表4.1.2为其功能表,图4.1.1为其管脚图。215314474LS1481351261171089图351.174LS148管脚图表3.5.1.274LS1488线一3线二进制编码器真值表输入输出STMINl眄加3MIN5/叫网1XXXX1I1110IlllIlll111100XXXXSXXX0000010XXXXxxl001010X«XXX011010010XXXXWOlll011010XXXo5Illl100010XXOlIlll101010XOllWIlll110010DlllIlll1110174LS148工作原理如下：该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EL输出使能端EO和优先编码工作状态标志GSo当El=O时，编码器工作；而当El=I时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当El为0,且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111,出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS=1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1AO=I11为非编码输出；GS=O时，A2A1AO=111表示响应输入O端为低电平时的输出代码（编码输出）。Eo只有在El为0,且所有输入端都为1时，输出为0,它可与另一片同样器件的El连接，以便组成更多输入端的优先编码器。从功能表不难看出，输入优先级别的次为7,6O0输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010,这就是优先编码器的工作原理。2、计数器74LS19274LS192具有下述功能：异步清零：CR=LQ3Q2QIQO=OOOO异步置数：CR=O,LD=O,Q3Q2Q1QO=D3D2DIDO保持：CR=O,LD=I,CPU=CPD=I,Q3Q2QIQO保持原态力口计数：CR=O,LD=I,CPU=CP,CPD=1,Q3Q2Q1Q0按加法规律计数减计数：CR=O,LD=I,CPU=1,CPD=CP,Q3Q2Q1Q0按减法规律计数74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：100l状态后负脉冲输出Bo为借位输出：OOOO状态后负脉冲输出。匕.DfiCRHOCOU）D>Dyra111111112lTll11l9"8GND输入输出MRPLc¾CPdP3P2PlFOQ302QlQO1XXXXXXX000000XydCbadCba011XXXX加计数011XXXX减计数图3.5.274LS192管脚引线图图3.5.2.2 74LS192功能真值表3、D触发器74LS7474LS74是边沿型双D触发器，时钟CP上跳沿有效，即触发器初态和次态按CP的上升沿划分。图3.5.3.1 74LS74的逻辑图I¾l ID F ICPP ¾E IQ % IQ B74LS74Vcc2Rd2D2CP2Sd2Q2Q图3.5.3.2 74LS74的管脚图7492引出端符号:74LS74脚号引代码引脚功能RZR-M注1CLRI复位信号9.10/4.38I该集成殿为142 .电源：14脚为*5.00V3 度位：1W.13W4 .用途：双D触发器2Dl触发信号«/4.713CKI时钟信号910/4.914PRI柠制<o4685Ql同相位出3.71/3006Ql反相位,出0/6.287GNDOO8Q2反相位0附«/6.289Q2同相位班3.71/3.00IOPR2控制O.2I/O.2IIlCLK2N仲篇号8/42。12D2触发信号033/03313CLR2复位信号9.10/43814Vcc电源021/011图3.5.3.3触发器输入端D称为同步输入信号，因为它们是在CLK的有效时钟沿才能起作用，传输到输出。除此之外，触发器还有异步输入端，异步输入端直接影响触发器输出而与CLK脉冲没有关系，通常异步输入端是置位端和复位端，在有效电平时，使触发器异步置位或是复位。输入输出说明Sd而CLKDQn+101XX1预置110XX0预置000XX1不允许11小00置O11个11置1110XQO保持图3.5.3.474LS74触发器的特性表（其他为常见芯片，就不一一说明）四、调试过程及结果分析4.1 加法、减法器加法、减法器所用元件为74LSI92为上升沿触发电路，做部分电路是考虑到了这个问题，但是总体连线时由于刚开始的开关只大概考虑到具体功能未考虑到具体情况连线后A、B均为下降沿无法实现加法、减法。改进后的开关考虑到了这部分关系，最后得到正确的加减分情况。（改进前后的图见2.1）4.2 倒计时器为零后无法抢答改进一：刚开始在做倒计时器是想法太不全面只是做好30s倒计时到OS亮红灯并且报警，在和其他电路组合后发现倒计时结束后依旧可以在抢答。改进方法：倒计时结束的标志是十位有借位为，即BO为0,此时把Bo的输出值与抢答器六与门后的输出相与反馈到输入端当Bo为'0'时每个个D触发器的时钟信号都只能为0'改进二：经过仔细研究发现当BO'0'时探针及扬声器的部分为1'发出警报然后将计数器都置零但是置零完毕后Bo的值又变为'1',此时时钟还在活动DoWN接受到一个上升沿此时计算减法需要借位BO为0'接下来时尚一部分重复，所以Be）是在0'和1'之间变化的故不能作为判断标准。不过,在倒计时结束后为各部分均为'0'可作为判断依据，其他部分连接同上。U68A74LS04DU11E74LS04D818 74LS192DU16IJ IDCD_HEX_DIG_GREENU21A 74LS04DU19 74LS192D-274U保证有人抢答后计时器停留在当前输出改进后部分电路（图中显示为倒计时器为0时警告且无法抢答）4.3 关于电路的初始化刚开始设计部分电路时未考虑到：当第一轮抢答完成后进行第二轮抢答时分数是不需要初始化的，即分数只进行一次初始化，故在原来开关的基础上加入了开关R100,作用为在抢答初开始时对分数进行初始化。4.4 关于片子的选择在设计倒计时器之初选用的片子是74LS193因为刚开始的设计为倒计时二十秒，把十六进制的片子经过变化改为十进制倒也容易，但是到了分数计算的时候就需要连接好多连线进行好多用算，在将近两个小时才完成了对分数控制电路的实现，但整个电路过于繁杂不适合作为子电路连接到总电路上，于是选用了74LS192在功能表上来和看74LS193没有太大的区别，但192是十进制的这就意味着可以用简单的线路就设计好电路，在这方面考虑下选用了192,电路图变得很简洁。4.5 正确抢答时检查一遍后发现在正确抢答时电路也需要扬声器发出声音，在原来的设计中正确抢答时只有绿灯亮，且只要不出现错误抢答绿灯是一直亮的，这部分是错误的。改进后的正确抢答使用六个与门后的非和S开关来判断，S开关闭合即为'0'和六与门电路输出为0'是绿灯亮且开扬声器响。如下图所示:五、设计、安装及调试中的体会5.1 设计根据PPT上描述可知总体可以分为四个部分来实现，分别为：选手抢答器、主持人开关台、计分器、计时器。总体来说主持人开关大体上分为复位、开始、力口、减四个部分。关于计时器和计分器的原理是大概相同的，以前做过24进制的钟所以难度不是很大。所以首先把难点部分定在选手抢答器部分，根据PPT上的提示需要锁存器，由于对锁存器的部分记忆不是很牢固于是经过看书和网上查阅资料进行复习最终选定了D触发器和而输入与门一起实现锁存功能。应该说涉及部分基本上就是PPT上老师给提供的思路自己由于知识的生疏刚开始想法不是很多，以后应该在学习课程的时候就多了解相关课外知识，从这次设计的所有题目来看除了以前上实验课接触过的一些东西，只要实验题目涉及部分考试或是平时做实验没有见过涉及过思路就是一片模糊，其实就算是课本中也涉及过不少具体的实例包括以前在上数电课的时候也接触过很多书店的实际应用但是都应为不是重点就没有用心，这是我需要改正的。希望自己以后能够做到，这次试验的平行难度的题目看到了虽然无法知道细节，也应该能在短时间内判断设计出大体构想。5.2 安装大体的构思虽然已经有了但是在暗中过程中尤其是我认为简单的计时器和计分器上由于倒计时和计分都需要把十六进制转化为十进制，虽然说难度不是很大可是所需要器件多电路繁杂，刚开始选用的74LS193所做的倒计时器甚至用了六个非门来实现。在这种情况下，我放弃了做倒计时器的想法尝试使用74LS160来实现030秒的计时，计时器是做了出来但是由于我们设计的是智力抢答器，总觉得没有倒计时体现不出紧张的气氛。再经过又一次的复习看书后我找到了被我忘在一边的十进制计数器一一74LS192,由于192的适宜方便计分器很快就被我做了出来，由于做计分器积累的经验倒数计时器的完成也进行的十分顺利。留在最后的难点是选手抢答器，我从最简单显示部分入手为了配合三位七段数码管使用了74LSI48,因为之前的教训这次首先认真复习了编码器部分后选定的。引起我的疑问是如图所示148的六74LS148N号引脚，根据书上148的真值表和逻辑电路图可知148的输入为低电平有效但是根据图上所示六号引脚为富电平有效。不过经过我的试验认证发现就内部功能而言六号引脚还是低电平有效所以就无视了这个不同。然后就是最重要的锁存部分，经过对于D触发器的了解和以及PPT上的提示，终于在不断修改中的除了正确功能的电路。在各部分完成后我对以前模糊的很多知识有了很清晰的认识，在使用各个片子时也不用先翻书再上网再决定了，尤其是对于74LSo0、74LS08>74LS04这些常用芯片功能部分对我而言已经闲荡熟练。同样各个部分的安装过程中我也发现了自己的问题，尤其是不够耐心认真，这部分在使用193、192的过程中尤为明显，只是复习了计数器前半部分的内容就凭这印象觉得自己都懂了用了麻烦的方法才做成原来很简单的部分，浪费了很多时间。5.3 调试在调试部分比较骄傲的在于由于在前面比较认真各个电路的内部并没有出现什么问题，但是由于细节部分考虑的不全面在把分电路合并时出现了一些问题（在“四、调试过程及结果分析”都有提到）。这部分来说还是在做电路的时候只是考虑到了分电路的顺利运行，但没有对总体电路有一个细致的规划。刚才在最后的检查后发现倒计时器中的BO是在0'和'1'之间跳动并不固定不符合判定倒计时器是否倒计时为00的标准，于是修改，修改结果见4.2部分。这部分看出在检查总电路时我的态度不够端正刚开始做的时候只是完成了就洋洋自得，没有细心检查导致出现了这种致命性的错误。这样是不对的，在做完实验后应高按照实验要求慢慢检查各个部分直到实验结果满足每一个要求为止。5.4 总结通过本次设计我积累了很多经验，也了解到了在做此类的设计的重点是先放眼宏观步骤确定思路，然后就要狠抓细节部分确保所设计的结果符合每一个要求。整体与部分是相辅相成的只有把部分细节的细节抓好整体才会正确，同样的要了解整体都需要什么样的东西来构成才能根据整体思路弄好部分电路。同样在这次设计中我也学到了很多书本上没有的东西，学会了寻找最合适且是电路最简洁的芯片而不是像原来一样根据芯片设计电路。最快的学习就是把学习和实践相结合，就像在做这次试验的时候刚开始翻开半年前学过的课本总觉得很陌生无法抓到重点，有好多东西似懂非懂，但是在实验和调试过程中对原来模糊的芯片有了具体的实质的认识，由陌生倒很快可以不看书也可以知道它的真值表和引脚所代表的意义。在最后的细节检查后发现第一二次检查过后还是存在的错误部分，而且不是因为电路错误而是没有认真通读题目认为这个地方只要正确抢答有绿灯亮了就好，造成只要没有错误抢答就有绿灯亮的错误信号没有注意到细节的判断一次性或者是几次性就解决所有错误。这还是细节部分的问题，自己不够细心不够态度端正造成。在做实验的过程中虽然也有过想要放弃的时候尤其是刚开始的时候所有知识还处于“忘记”的阶段，但是在一小段时间的复习和实践结合过程中实验变得简单了起来，思路也清晰了，同时我也明白了在面对难题的时候最重要的就是有着不解决问题不罢休的态度，看起来困难其实细细分析过后只不过是我们以前所学过的简单部分的集合罢了。六、参考文献董宏伟数字电子技术实验指导书中国电力出版社2011.8李月乔数字电子技术基础中国电力出版社2009.1附录（设计流程图、程序、表格、数据等）流程图子电路A计分电路B抢答电路103O104105O-106107O1H4LS04D74LS11D三74LSOeD74LSllD74LS74D74LS74NU5AU7DU8A口74LS08DU7C口74LS08DU7A口74LS08DU7B-r74LS08D74LS74NU13A74LS74NU3A74LS74NU4A11-74LS0DU11A74LS148NUWBU12AU8BO-74LS0D»-74tS7474LS74NU15A74LS08DIOIO7404NU46AO-7408NLDOC倒计时电路总电路（见大页附录）