八人抢答器的课程设计
《数字电子技术基础》课程设计
题目：八路抢答器
一、计设计任务及要求：
1.设计多路竞赛抢答器 2.抢答器至少控制 6 人抢答；
3.设置一个主持人控制开关，控制抢答器的开始与清零；
4.抢答器具有锁存和显示第一个抢答者的编号，并禁止其他人抢答的功能； 5.具有 30 秒倒计时显示抢答的时间控制，时间到禁止所有人抢答；
二、方案设计及论证：
抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0～S7表示。 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由老师控制。 抢答器具有锁存与显示功能。即学生按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示。学生抢答实行优先锁存，优先抢答学生的编号一直保持到老师将系统清除为止。抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由老师设定（如30秒）。当老师启动"开始"键后，定时器进行减计时。学生在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示学生的编号和抢答的时间，并保持到老师将系统清除为止。如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统禁止抢答，定时显示器上显示00。
设计方案简述
1. 定时抢答器的总体框图如下图所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当学生按动抢答键时，能显示学生的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答，扩展电路完成定时抢答的功能。
2. 定时抢答器的工作过程是：接通电源时，老师将开关置于“消除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器倒计时，当定时时间到，却没有学生抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止学生超时后抢答。当学生在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他学生再次进行抢答；控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到老师将系统消零为止，当学生将问题回答完毕，老师操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
三 、系统分析与设计 （一）抢答器电路设计
1. 抢答电路的功能有两个：一是分辨学生按键的先后，并锁存抢答者的编号，供译码显示电路用；二是是其他学生的按键操作无效。选用优先编码器74LS147和RS锁存器,74LS373,74LS192可完成上述功能。译码电路选用74LS48芯片具体电路如图1所示，其工作原理为：
2. 当老师控制开关处于“清除”位置时，RS触发器R为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0；74LS148的选通输入ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存器电路不工作。当老师开关拨到开“始位”置，优先编码电路和锁存电路同时开始工作，等待输入信号I7，···，I0。当有学生按下键时，74LS148的输出Y2Y1Y0=010,Yex=0。经RS锁存器后，CTR=1,BI=1，74LS373处于工作状态，4Q3Q2Q=101。经过74LS48译码后，显示器显示学生编号。此外，CTR=1，是74LS148的ST为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他学生按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的Yes为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他学生的输入不会被接收，保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。抢答完后老师使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
3. 七段数码管显示器74LS48
——测试灯输入端。=0（低电平有效）且BI=1时，Ya-Yg输出均为1，显示器七段应全亮，否则说明显示器件有故障。LT应处于高电平，即LT=1。
/——双重功能端。此端可作为输入信号端又可以作为输出信号端。作为输入端时是熄灭信号输入端BI，利用BI端可按照需要控制数码管显示或不显示。当BI=0时（低电平有效），无论A3A2A1A0状态如何，Ya-Yg均为0，数码管不显示。当该端作为输出端时是灭零输出端RBO，当RBI=0，且A3A2A1A0=0000时，=0。
RBI——灭零输入端。该端的作用是将数码管显示的数字O熄灭。当RBI=0（低电平有效）、LT1且A3A2A1A0=0000时，Ya-Yg均输出0，数码管不显示。 其功能和引脚如图所示:
4. 74LS147优先编码器功能
优先编码器在同一时间内,当多个输入信号请求编码时,只对优先级别高的信号进行编码的逻辑电路,常用的集成优先编码器有74LS147(8线----3线)其原理图和功能真值表如图
:
74LS147优先编码器真值表
5. 555定时器
振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精确度决定了计时器的准确度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度就越高，但耗电量将越大。所以，在设计电路时要根据需要而设计出最佳电路。在本设计中，采用的是精度高的，由集成电路 555 与 RC 组成的多谐振荡器。接通电源后，电容C1 被充电，vC上升，当vC上升到大于 2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1 通过R2和T放电，使vC下降。当vC下降到小于 1/3VCC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容器C1 放电结束,所需的时间为 ：当C1 放电结束时，T截止，VCC将通过R19、R18向电容器C1 充电，vC由 1/3VCC上升到 2/3VCC所需的时为：当vC上升到 2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波。
振荡周期T的计算： T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C
T1=（R1+R2）Cln(Ucc-1/3Ucc)/(UCC-2/3Ucc)=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C T2=R2Cln(0-2/3Ucc)/(0-1/3Ucc)=R2Cln2=0.7R2C 振荡周期T：
T=0.7（R19+2R18）C
=0.7*（56000+2*56000）*0.00001 =1. 176s
555定时器波形图
振荡周期T的计算： T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C
T1=（R1+R2）Cln(Ucc-1/3Ucc)/(UCC-2/3Ucc)=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C
T2=R2Cln(0-2/3Ucc)/(0-1/3Ucc)=R2Cln2=0.7R2C
振荡周期T：
T=0.7（R19+2R18）C
=0.7*（56000+2*56000）*0.00001 =1. 176s
555定时器波形图
6、原理图及PCB图
原理图底板电路部分
显示电路原理图
7、制作步骤
八路抢答器分为倒计时部分和抢答显示部分。
（1）仿真。设计电路图进行仿真，确定电路是否能实现其功能，观察555定时器波形
（2）画图。通过AD画图软件画出原理图，转换成PCB
（3）制板。打印PCB图转印电路图，焊接元器件制成电路板
（4）调试。
问题分析：
（1）数码管显示乱码：a、电路虚焊，b、元器件间的连线断路
（2）555有脉冲但是数码管不倒计时：a、检查74LS192的4引脚是否有脉冲
b、555定时器外接问题
（3）数码管倒计时倒计两秒后自动抢答: 拆除74LS32 5脚和9脚间连接的极性电容
（二）抢答器电路原理图
四、调试结果及实际电路照片
五、设计总结体会
经过两周的课程设计,我学会了如何进行电路设计及丰富了自己的理论知识和实践实习能力,在设计过程中,加深了对组合和时序逻辑电路的掌握情况,同时也使得学过的知识得到了巩固与复习,在设计抢答器、定时器的过程中，通过翻阅资料，上网搜索等，我对各电路器件（如：与非门，555定时器和LED显像管等）及原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识。在设计之初,并不明白如何用所学的器件来实现电路的功能,经过小组内的激情讨论,最终确定了答题的设计方案,在设计的过程中,不断的发现和克服困难,使我明白了,学习并非上课认真学习那么简单,我深深的体会到了,要将所学的理论知识转变成事物的重要性,不仅能够加深对理论知识的理解,也能怎家对本课的兴趣和爱好。 两周的磨练,使我对本课由最初的懵懂认识到现在的全面了解,总的来说收获很多。
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参考文献:
[1]电子技术基础（数字部分） 康光华主编 高等教育出版社 [2]数字电子技术基础(习题解答与实验指导) 范文兵主编 清华大学出版社 [3]数字电子技术基础 杨颂华 主编 西安电子科技大学出版社
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