进行本次设计主要有两个目的，一是对数字逻辑这门课 的理论知识进行一次系统的梳理；二是锻炼自己将理论应用于实践的能力。针对以上目的，就要求做到，通过分析实际的需求提炼出相应的理论模型，进而再进行电路的设计，在之后的实际电路实现的过程中，还可以根据实际的需要对电路做出一些改进。
结合课堂理论知识与实验课的实践经验，本次课计主要设计了一个智力竞赛抢答器。该抢答电路允许八位选手同时参与，由主持人发出指令，可显示选手序号、实现锁存功能并具有显示抢答倒计时和答题倒计时功能，对犯规选手（包括提前抢答和超时抢答），设计有显示其序号的功能。 数字抢答器共包括抢答电路、控制电路和报警电路等部分，主要应用有74LS00、74LS32、74LS76、74LS148、74LS161、74LS190、74LS373和555定时器等集成芯片，利用Multisim进行设计并模拟仿真调试，然后在电子技术综合实验仪上进行实物操作。 目 录摘要······························································2 第1章 概述······················································ 4 第2章设计任务及要求········································ 5 2.1 设计任务·············································5 2.2 设计要求·············································5 第3章 系统设计·················································· 7 3.1 方案论证·············································7 3.2 系统设计·············································7 3.2.1 结构框图及说明·································7 3.2.2 系统原理图及工作原理···························8 3.3 单元电路设计·········································9 3.3.1 单元电路工作原理·······························9 3.3.2 元件参数选择··································16 第4章 软件仿真················································· 17 4.1 仿真电路图··········································17 4.2 仿真过程············································17 4.3 仿真结果············································19 第5章 安装调试················································· 20 5.1 安装调试过程········································20 5.2 故障分析············································20 第6章 结论····················································· 21 第7章 使用仪器设备清单········································· 22 参考文献························································ 24 收获、体会和建议················································ 25
第1章 概述近年来类似于智力竞赛类的抢答型娱乐竞技活动越来越受到广大群众的欢迎，随着科学技术的不断发展，数字抢答器的功能日益丰富和完善，成本也在逐渐降低，易于扩展、可靠性高、集成度高、功能多样等优点都使得数字抢答器得到了更加广泛的应用。 立足于《电子技术》这门的知识体系，力求通过本学科的一些知识来自主实现具有基本应用功能的数字抢答器。希望通过这次设计实践，达到两个目的，锻炼自己的动手实践能力，以及用已学的知识对数字抢答器电路进行详尽的分析与模拟。 本次设计的数字抢答器电路主要由基本电路和扩展电路组成，其中基本电路包括选手抢答电路、锁存电路、主持人控制电路；扩展电路包括倒计时电路和报警电路。通过优先编码器74LS148、锁存器74LS373和译码器将参赛选手的输入信号在显示器上输出，利用控制电路和主持人开关启动报警电路；通过倒计时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出，并利用蜂鸣器和指示灯实现报警电路。
第2章 设计任务及要求 2.1 设计任务 设计一个智力竞赛抢答器。 1.基本设计任务 （1）设计一个具有八个选手（序号从1到8）的抢答电路，序号和选手一一对应； （2）抢答器要求具有显示选手的序号，同时禁止其他选手抢答的锁存功能； （3）设计主持人控制系统的开始与结束电路。当主持人发出抢答命令，并同时按下启动定时开关后，八个选手通过各自的按键开关发出抢答信号； （4）报警电路：对犯规选手（包括提前抢答和超时抢答），设计有显示抢答犯规选手序号的功能。 2.扩展设计任务 （1）每个选手按键抢答问题的同时，配有声音提示； （2）当选手开始答题的时候，系统开始倒计时30s有数字显示。计时结束时，有声息提示； （3）当主持人发出答题信号后，系统开始10s倒计时，同时有数字显示，若选手仍未抢答时间到后，停止抢答，同时具有声音提示。 2.2 设计要求 按照设计任务提出设计方案，并完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。 1.理论设计部分 - 独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。
- 画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。
- 系统中包含的中、小规模集成电路的种类至少在六种以上。
2.模拟仿真 - 根据理论设计用Multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。
- 分析电路的工作原理，写出仿真报告。
3.安装调试部分 - 实现给定的小型数字系统，并进行单元测试和系统调试。完成系统功能。
- 若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。
第3章 系统设计 3.1方案论证 与普通抢答器比较，本作品有以下几个方面的优势： - 具有清零装置和抢答装置，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。
- 具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛对本题弃权。
- 30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。
3.2 系统设计 3.2.1 结构框图及说明
图3.1 系统组成框图
抢答电路中，由主持人控制选手的抢答电路的工作与否，在发出抢答指令的同时打开倒计时电路，在倒计时时间范围内允许选手抢答。若选手超时或提前抢答，则犯规，报警电路工作，显示电路显示犯规选手序号。若选手正常抢答，则显示电路显示抢答成功的选手序号，蜂鸣器工作发出提示，进入答题系统。答题系统由主持人发令开始并控制倒计时系统，在倒计时时间范围内，选手答题。倒计时结束时提示电路发出提示，选手停止答题，展示自己的答案。一轮数字抢答器工作完毕后，主持人可以复位控制开关进行下一轮抢答。
3.2.2 系统原理图及工作原理 定时抢答器的总体框图如下图
图3.2 系统组成框图 如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图3.2所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能： （1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号； （2）扬声器发出短暂声响； （3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答； （4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。 3.3 单元电路设计 3.3.1单元电路工作原理 （1）抢答电路的设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是有禁止其他选手抢答的锁存功能，可用优先编码和锁存器完成上述功能。 其电路组成如下所示：
图3.3 抢答电路
工作原理：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX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，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
（2）定时电路的设计 74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示在数码管上。74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为30秒。555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。 图3.4 定时电路
（3）报警电路的设计 555构成多谐振荡器，振荡频率为： f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C 其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。 由555定时器和三极管构成的报警电路如下所示： 图3.5 报警电路 （4）时序控制电路的设计 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： ①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态， ②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 ③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。 根据上面的功能要求以及图3.3和图3.4，设计的时序控制电路如下图所示： 图3.6(A) 抢答与定时电路的时序控制电路 图3.6(B) 报警电路的时序控制电路 门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端ST。图3.6（A）的工作原理是：主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3.3中的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，图3.4中74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持状态，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求；当定时时间到时，图3.4中74LS192的借位输出端BO2=0，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门G1同时处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路为00状态，从而实现功能③的要求，74LS121用于控制报警电路及发声的时间。 （5）音频产生电路的设计 本单元用于产生音频信号驱动蜂鸣器工作，要使蜂鸣器工作必须给其输入脉冲信号，因此，在该单元中我们同样采用了555定时器来产生方波脉冲，考虑到对脉冲信号能够做到有效的控制，我们采用由555构成的多谐振荡器。
图3.7 由555定时器构成的多谐振荡器 设电容C 原先未充电, 故 TH = TR < VCC /3 , 此时 uo = 1 , 555内的晶体管 T 截止 , 电源通过 R1 和 R2 对电容 C 充电。在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不变。 一旦 uC 充至稳态值 , 即 TH = TR > 2VCC /3 , 立即 uo = 0 , 同时555内的管 T 导通,电容 C 放电, 一直至VCC /3 , 使得uo 回到 1 , 进入循环。 输出方波的周期 T的计算: T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C 在电路中用到的由555定时器构成的音频产生电路如下：
图 3.8 音频产生电路
该电路中555定时器的4脚接到指示控制电路中，由指示控制电路来控制音频信号的产生及消失。即当4脚来的是高电平时，该电路才能正常工作并产生音频信号驱动蜂鸣器，当4脚来的是低电平时，555定时器处于复位状态，输出为低电平，蜂鸣器不工作。 （6） 声光指示电路的设计 声光指示单元用于指示抢答的信息，能够指示出抢答是否有效，图1.22是声光指示单元的电路。各单元的指示信号送给双与非门74LS00及双输入或门74LS32，它将信号进行不同的组合处理分别送给发光二极管或音频产生电路来向主持人做出相应的信号指示。图中，DS1为无效抢答指示灯，DS2为有效抢答指示灯。
以上就是多个单元电路的详细分析，下面将各单元联系起来做一次全面地分析。电路功能规定，当SA按下后为清零状态，此时不允许抢答，只有当SB按下后且在规定的时间内抢答才视为有效抢答。分析如下。 首先接通电源，在主持人按下SA键后，此时74LS76的2脚及8脚均为低电平，而3和7始终为高电平，所以由74LS00功能表知将被预置为RS触发器，则输出端15脚为高电平，该路送到74LS373的LE端，使得74LS373能够正常工作，此时要是没有抢答键按下，则会实现如前面所述的清零功能，若此时有抢答键按下，则会在显示器上显示出相应的号码，但此种情况视为违规抢答，要发出违规信号，因为在此时有按键按下后，74LS148将会对信号进行编码，则它的EO端将输出高电平送至74LS00的9脚，而该与非门另一输入端接到定时器输出端此时为低电平，所以在74LS00的11脚输出为低电平，此时有效指示灯DS2不会点亮，相反地，74LS148的GS将输出低电平，由于电容C1的作用此时74LS76的2和8脚皆上升为高电平被预置为边沿JK触发器，由于按键SB为按下所以定时电路输出低电平，将在9脚和12脚分别产生高、低电平，随着GS低电平信号的到来，11脚将输出高电平，这时DS1将被点亮指示为无效抢答，同时74LS32输出高电平使得音频电路产生脉冲信号驱动扬声器工作。 在按下SA键后，接着再按下SB键，此时开始定时，定时时间由定时电路设定，此时定时电路将输出一高电平。74LS76的9和12脚将分别为低、高电平。在有抢答按键按下后。74LS76的11脚输出低电平。而747LS00的11脚输出为高电平，此时DS1位被点亮，DS2被点亮同时蜂鸣器发出声音。指示为抢答有效。 （1）抢答电路开始运行，主持人将控制开关置于清除位置。抢答器出于禁止工作状态，蜂鸣器关闭，显示电路关闭，定时显示器显示设定的10秒抢答倒计时； （2）当主持人开关置于开始位置，蜂鸣器声音提示，抢答器处于工作状态，定时器开始10秒抢答倒计时； （3）10秒倒计时内，若有选手成功抢答，锁存器工作，显示电路显示选手编号，同时亮绿灯，禁止其他选手再次抢答，蜂鸣器声音提示，计时器开始显示30秒答题倒计时； （4）若有人在主持人开关开始前抢答，或者当10秒抢答倒计时结束后再由选手抢答，报警启动，有蜂鸣声，同时亮起红灯。 （5）当选手抢答成功后，主持人将开始答题开关打开，30秒答题计时系统开始工作，倒计时结束后，蜂鸣器报警，禁止选手超时作答 3.3.2元件参数选择 表3.1 元件参数选择
第4章软件仿真 4.1 仿真电路图 如下图所示：
图4.1 仿真电路图 4.2 仿真过程 按上述原理设计出整个电路，用Multisim12软件进行EDA仿真调试，首先让选手的1-8的按键弹起，点击仿真按钮，主持人清零开关J9和定时器开关J10同时闭合，实现对选手抢答数码管清零和对定时器数码管置数的功能，然后断开J9和J10，让选手进行抢答，通过仿真调试，该电路完全能够实现抢答器设计要求的基本功能和扩展功能。 第2路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下图：
图4.2 抢答结果 CTR端的示波器波形，拨动开关后，CTR上跳，有人抢答时，CTR下跳，如下图所示：
图4.3 示波器波形图
倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下图所示：
图4.4 显示结果
倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，计时器个位减到0时，BO1出现一个下跳；计时器十位减到0时，BO2出现一个下跳，如下图所示：
图4.5 示波器波形图
4.3 仿真结果 主持人打开开关抢答开始计时，有人抢答后显示编号且显示剩余时间。时间到00后报警灯亮且无法抢答。而提前抢答和超时抢答时会由蜂鸣器发声，进行报警。该仿真完全达到要求。
第5章 安装调试 5.1 安装调试过程 电子电路的组装与调试在电子设计技术中占有重要位置。它是对理论设计进行检 验、修改和完善的过程，任何一个新产品往往都是在安装、调试并反复改多次方能最终完成。 组装电路时应注意以下几点： 1) 所有元器件在组装前应尽可能全部测试一遍，以保证所用元器件均合格。 2) 所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确布线和查线。 3) 组装分立元件时应使其标志朝上或朝向易于观察的方向，以便于查找和更换。 4) 对于有极性的元件，例如电解电容器、晶体二极管等，组装时一定要特别注意，切勿搞错。 5) 为了便于查线，可根据连接线的不同作用选择不同颜色的导线。一般习惯是正电源用红色线、负电源用蓝色线、地线用黑色线、信号线用黄色线等。 6) 连线尽量做到横平竖直。连线不允许跨接在集成电路上，必须从其周围通过。同时应尽可能做到连线不互相重叠、不从元器件上方通过。 7) 为使电路能够正常工作与调测，所有地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。 正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。如果能在组装前先拟订出组装草图，则可获得事半功倍之效果，使组装既快又好。
5.2 故障分析 连接完成后，报警电路工作异常。经排查，导线连接正确，各元件完好。后借助仪器检查出损坏导线，更换后电路正常。
第6章 结论 本设计基本完成了老师的要求，能够实现全部的功能。能八路抢答，能定时抢答，也能报警，清零。 在进行实验的时候，遇到不少的问题。一开始不知道该使用什么芯片去做实验，复习老师讲过的课件，熟悉芯片的功能，同时去图书馆借有关书籍，看看哪些芯片能达到编码，译码，锁存等，以及重新温习了上个学期的《数字逻辑与数字系统》书本。经过资料的搜集，基本确定了用哪类芯片达到哪类功能。然后就研究电路图，仔细对照真值表连接电路图，并画好电路图草稿。画好电路图后，然后在电脑上模拟，一开始在电脑上画好电路图后，仿真也不过，存在几个错误，慢慢检查后，是连线的错误，有几个地方是不该接在一起的，从而造成了一个输入端有两个输入量。在排除错误后，经过了仿真，但是数码管完全没有反应，检查后发现是因为在通过与非门进行清零的时候，接线错误导致令74LS279一直不工作，改过错误后，数码管能正确显示，选手也能抢答，但是抢答时间到了，74LS192还是在计数，不能在00那里停止，于是改进电路图，使74LS192的十位的BON连到一个脉冲上。上面是一些问题和解决方法，其实遇到的问题远不止这些，不过现在回想起来都是一些很低级的错误，有时候是因为粗心大意造成的错误，有时候是因为没有认真看芯片的真值表而造成的。 经过了这次设计，我收获良多。在一开始的时候，很担心自己不能完成实验，因为上学期的数字逻辑不是学得很好，造成信心不是很足。后来也证明了我是可以独立完成的。在设计电路的时候，考虑的不是很全面，以及画电路图的时候没有很细心谨慎地工作，造成了一些低级错误。所以经过设计，我提高了自己的动手能力，也增强了自己的信心。同时让我知道在工作的时候要保持细致严密的工作态度，这样会事半功倍。
第7章 使用仪器设备清单 1. 74LS148的引脚图和逻辑功能表
2. 74121的逻辑功能表和引脚图（代替74LS121）
3. 74LS279的逻辑功能表和引脚图
4. 74LS192的逻辑功能表和引脚图
参考文献 1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：东北大学出版社.2000 2.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，2002 3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与设计.北京：电子工业出版社，2002 4.陈大钦编著. 电子技术基础实验. 北京：高等教育出版社，2000
收获、体会和建议 由为期数天的设计实践，主要获得以下几点总结和体会。这次设计是通过查阅多种资料、与同学讨论以及独立思考设计出来的。在设计过程中，用到了本学期所学过的各个集成芯片，因此我对它们的功能和运用有了更深一步的了解。同时通过Multisim软件对电路进行模拟仿真，从而使设计结果得到了验证。 通过这次设计环节，我了解到模拟电路和数字电路之间的联系，对单元功能电路的理解和运用能力有了一定的提高。 将理论与实践相结合，知识的价值才会真正体现出来，但将所学的知识合理有效的应用于实践中，是很艰难的。然而面对困难我们需要勇气和执着，如果缺乏勇气不能在挫折面前我们便会不知所措，不愿有所作为，这样是不会有进展的。一开始接触这样综合性的电路实验，我心里很没底，不知从何处着手。但是指导老师的指点和查阅的一些资料让我渐渐理清思路。另外还想提一下的就是Multisim的使用，开始的时候对Multisim很不熟悉，但是摸索一段时间，我们还是能用它来进行仿真设计的。当然要进行一项比较复杂的实践时，光有勇气还是不够的，更加需要执着的付出。 这次的设计主要是关于数字电路的知识，譬如多谐震荡器的原理，其周期的计算，模式开关电路的设计，各种芯片（主要是74LS373和74LS148等）的结构与功能等。这时需要静下心来复习，把电路的各个部分原理弄清楚。 基于以上所述，总的来说就是三点。一，端正态度，认真负责。要像对待理论学习一样，认真地参与实践，将理论联系实际，在实践中检验理论，升华理论知识。认真听取指导教师的意见和建议，不断改进。二，坚持付出，不惧失败。在实践活动中，我们可能会遇到各种各样的困难，经历很多失败，这是必然的，但面对困难与失败，我们要迎难而上，要有一股不出结果不罢休的精神。三，勇于创新，精益求精。在实践中不断改进，取得更大的进步。
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好像对不上哦。有没有仿真图，上一个澄清一下哦。嘻嘻！
