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1、数字式竞赛抢答器摘要数字式竞赛抢答器时目前用的最广泛的数字电路系统，我此次设计的时六组参赛的数字抢答器，每组设置一个供抢答者使用，电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将复位并发出抢答命令后，如果参赛者按动抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时扬声器发出提示声音。本文采用采用模块化的设计思路，自上而下的设计方法，对数字抢答器的实现过程，进行了详细的阐述。关键词：抢答器；触发器；编码；译码；555定时器第一章 设计问题的提出及需求分析1.1 实际问题的提出：在许多比赛活动中，为了在比赛中准确、公正、直观的判断出第一抢答者，通常设置一台数字抢答器，通过数字显示、灯
2、光及音响等多种手段指示出第一抢答者，同时还可以设置记分、犯规及奖惩记录等多种功能。1.2 需求分析1.2.1 设计目标及要求设计制作一个可容纳六组参赛者使用的数字式抢大电路，每组设置一个抢大抢答按钮提供抢答者使用。电路具有第一抢答信号的鉴别与锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，如果参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时扬声器发出“嘀-嘟”的双音响持续22秒。此时电路应具有锁存功能，使别组的抢答开关发出的抢答信号不起作用。设置记分电路。每组在开始时预置100分，抢答后由主持人记分，答对一次加10分，否则减10分。设置犯规电路。对提前抢答或超时抢答的组别
3、鸣喇叭示警，并且由组别电路显示出犯规组别。1.2.2 设计环境EWB虚拟电子实验平台第二章 开发工具的选择2.1 开发系统所使用的工具2.1.1 EWB简介Electronics Workbench就是一个虚拟电子实验室，只是这个实验室装入了计算机。这个电子工作平台为用户造就了一个集成一体化的设计实验环境，建立电路，实验分析和结果输出在一个集成菜单系统中可以全部完成。该软件的分析功能十分强大，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析；还可以进行傅立叶变换分析，噪声及失真度分析，温度扫描，灵敏度分析，空极点和蒙特卡罗等多项分析。2.1.2 EWB设计过程设计指标要求确定电路初始方案确定电路元件参数电
4、路模拟分析性能满足要求电路/系统模拟完成仿真保存结果修改电路结构修改电路参数EWB电路元件输入WEB模拟分析EWB仪表测量WEB文件输出主要设计过程入下： N在整个设计过程中，设计电路方案及元件参数，是电路设计工作者的创造性劳动。而原来要在实验室打电路板，并反复调试的过程，在这里是使用计算机辅助分析软件在计算机上反复进行模拟仿真，无需任何实际的元件器件，用各种功能的应用程序，代替了实验室大量昂贵的仪器仪表。电路设计工作者使用这些软件，对电路进行所需的各种分析、计算、设计、测试，就像在一个现代化的电路实验室里工作。由与它是在计算机电路模拟实验，又称为“计算机里的电子实验室”，是目前国内外高校和电
5、子技术界广泛应用的优秀计算机仿真设计软件。2.1.2 EWB要求的设备环境计算机硬件环境CPU PC486以上内存 32M以上硬盘 64M以上软件环境Electronics workbench V5.12要求在Windows98/WindowsNT环境下使用。2.1.3 EWB的安装Electronics Workbench分为个人版和网络版，购买软件后，均有详细的软件说明书。或由商家派专门工程师进行安装。第三章 总体方案设计3.1 总体方案设计3.1.1 设计思路本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其信号锁存。实现这一功能可用触发器。在得到第一抢答信号之后应立即将电路的输入封锁，即
6、使其它组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效，否则应按犯规对待。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第一抢答者的组别，也可以用发光二极管直接只是显示出组别。还可以用鉴别出第一抢答信号控制一个具有两种工作频率交替变化的音频震荡器工作，使其推动扬声器发出两种状态的笛音音响，表示该抢答有效。两态笛音音响电路可以用555定时器实现。记分电路可采用3位七段数码管显示，由于每次加或减10分，因此个位总保持零，只要十位和百位作加/减记数即可，可以用两级十进制计数器来完成。如：可逆计数器74LS193，译码显示电路：7448。3.1.2 模块设
7、计方法设计可以分为以下几个部分：数字抢答器的抢答电路；加/减分电路；可预置时间的定时电路；报警电路；时序控制电路；3.2 电路部分设计及说明3.2.1 数字电路抢答器原理框图及说明其工作原理如下：当电路加载电源以后，主持人将开关拨到“复位”状态，抢答器处于锁定状态，对应各个组别的状态指示等的状态为“灭”，设定定时器的时间，当主持人按下开始按钮时，此时抢答信号发出，同时定时器倒计时，在定时器规定的时间内，各个参赛队员要对抢答信号做出反映，在规定的时间内按下按钮，当某一队员按下开关电路时，优先编码器就对此信号进行判断，触发器将某一队员的开关信号锁存，同时扬声器发出声音提示，计时器停止工作。如果在规
8、定时间内未有人对开始抢答信号做出反映，则禁止抢答，开始下一论的抢答比赛，此时主持人必须再次按下“复位”按钮。主持人还可以判断是否有人犯规和答题的正确性。抢答开关主持人第一信号鉴别自锁控制组别显示（数码管或LED）定时器音频信号发生器犯规电路记分电路抢答开关主持人第一信号鉴别自锁控制组别显示（数码管或LED）定时器音频信号发生器犯规电路记分电路 音响电路 预置 加分 扣分图1 数字式抢答器的原理框图第四章 单元电路设计（详细设计）4.1 抢答电路部分详细设计4.1.1 电路说明该电路主要完成两个功能：一是判别选手按按钮的优先级，并锁存第一个按下按钮的选手信号，同时译码显示出该选手的编号；二是当第
9、一个选手按下按钮时，使其他人再按下按钮的操作变为无效。电路框图：图2 抢答电路的设计原理图电路说明：当选手1首先按下按钮时，其他的次于选手1按下，优先编码器首先对选手1的信号进行编码，然后在将选手1的优先信号送入到触发器锁存，使其余选手的信号失效，保证了抢答的优先性。如果想进行再次抢答，则由主持人将按下复位按钮，然后进行下一轮的抢答。图中74LS175为四D锁存触发器，当CP为低电平时，四个数据输入端1D，2D，3D，4D的状态决定了相对应的四个输出端Q1，Q2，Q3，Q4的状态，即1D为高电平时，1Q也为高电平；CP端为高电平时输入端信号不能传送到输出端，即不论输入端如何变化，输出端仍保持原
10、来状态。这就时数据琐存。74LS148芯片说明：746LS148为8-3线优先编码器，该编码器有8个信号输入端，07这8个管脚分别对应芯片的 管脚,3个二进制码输出端,电路还设置了使能端和优先编码标志。4.2 倒计时电路设计4.2.1 倒计时电路设计概述电路原理框图：图3 倒计时电路的设计原理图该电路的主要功能为：采用可逆十进制计数器，通过预置数加数、减数的功能来实现六人数字抢答器电路的倒计时功能。本图采用555定时器构成多谐震荡器来产生秒脉冲频率，然后通过74LS193来进行到计数功能，7448将74LS193输出的二进制数进行译码驱动BS201半导体数码管来计数。555定时器构成多谐震荡器
11、电路说明：接通电源后，电容C被冲电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vc时触发器复位。放电后，此时V0为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降到1/3Vc时，触发器又置位，V0翻转为高电平，电容C放电所须的时间为：Tpl=R2CLn20.7R2C.当C放电结束后，T截止，Vcc将通过R1，R2向电容C充电，Vc上升到2/3Vc所需的时间为:Tph=(R1+R2)CLn2当Vc上升到2/3时，触发器又发生翻转，如此重复工作，在输出端就得到一个稳定的周期性的方型波形，其频率为： f=1/(tpl+tph) 1.43/(R1+2R2)C4.3 音响电路4.2.1 音响电路总体框图555组成单稳态电路
12、(1)555组成多谐震荡器 (2)555组成多谐震荡器 (3)443 3 5 图 4 音响电路框图音响电路由一个555组成的单稳态电路和两个555组成的多谐震荡器构成，其中多谐震荡器的震荡频率为：f=1.43/(R1+2R2)C，其输出信号推动扬声器，具体电路如下：图5 音响电路总体框图由555构成的单稳态触发器的说明：由555构成的单稳态触发器，当电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源接通R向电容C充电，当Vc上升到2/3的Vc时，触发器复位，V0为第电平，电容C放电，电路进入稳定状态。4.4 时序控制电路 4.4.1 时序控制电路原理说明时序控制电路将完成三大功能：主持人将控制开关拨到
13、“开始”位置时，抢答电路和倒计时电路开始工作，电路进行正常抢答状态。当参赛选手按动抢答按钮时，扬声器发出声音并且对应组别的指示等发光，提示哪个参赛选手优先抢答，此时倒计时电路停止工作。当设定的抢答时间到之后无人抢答时，扬声器发声报警，同时抢答电路和倒计时电路停止工作。电路的总体设计图见附页。结束语本次设计得到了张彩珍老师的大力帮助与支持。由于时间仓促，本次设计部分功能有失误，但基本原理已经认真分析清楚，没有什么问题。本次的课程设计设计是对这学期来所学知识的实际应用能力和掌握程度的一次全面检查。也是第一次采用工程学的观点和面向对象的程序设计方法设计。这次设计与以往的课程设计相比涉及的面更广，要求
14、也远远高于以前的要求。尤其是在设计中用到的一些最新的技术知识也是对我们的一个挑战。通过本次设计，我主要有下面几点收获和体会：我们设计一个大的系统，首先要分割成属于不同层次的许多子系统，再用具体的硬件实现这些子系统，最后把他们连接起来，得到设计所要求数字系统。这种设计步骤我归纳了大致如下：明确设计目标。即明确待设计系统的逻辑功能。确定系统方案。即规定系统为实现预定的逻辑功能所遵循的原理和方法，这时设计最困难，最有创造性的工作。逻辑划分。即把系统划分为控制器及受控电路两大部分，并且具体地规定它们的逻辑要求。设计受控电路及控制器。受控电路的组成应该简单、明晰易控制。仅在受控电路完全决定以后，控制器的功能才完全得被确定，用相应的设计程序及即可导出完整的电路。参考文献 沈嗣昌数字电子
