設(shè)計題目：基于Multisim的八路搶答器的設(shè)計與仿真設(shè)計
技術(shù)參數(shù)
8個可彈起按鈕
74LS148優(yōu)先編碼器
D觸發(fā)器作為鎖存器電路
七段顯示數(shù)碼管
控制清零和工作的按鈕
設(shè)計要求
1、電路搶答器可供不少于8名參賽選手使用
2、每名參賽選手各有一個搶答按鈕，在主持人用按鈕清零，并發(fā)現(xiàn)搶答指令后，實(shí)行搶答
3、電路配有LED數(shù)碼顯示，能顯示優(yōu)先搶答的選手編號，同時配有語音提示電路。4、數(shù)碼顯示和語音提示可由主持人用清除按鈕解除；
5、電路對參賽選手的動作先后有較強(qiáng)的分辨能力，如分辨率在15ms以內(nèi)。
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，那么也就必然離不開搶答器。因此搶答器是機(jī)關(guān)學(xué)校、電視臺等單位開展智力競賽活動必不可少的設(shè)備，通過搶答者的按鍵、數(shù)碼顯示等能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出優(yōu)先搶答者。本產(chǎn)品采用了數(shù)字顯示器直接指示，自動鎖存顯示結(jié)果，并自動復(fù)位的設(shè)計思想，由數(shù)字電路以及外圍電路組成，分為八路搶答；在搶答同時附有聲音輸出接口，提示主持人此時已完成這次的搶答。
數(shù)字搶答由主體電路與擴(kuò)展電路組成。主體電路包括兩部分：一部分是優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊(duì)的輸入信號在顯示在LED上的輸出電路；另一部的分式控制電路和報警電路。通過布線、調(diào)試等工作后搶答器成形。
目 錄
1 任務(wù)提出與方案論證
1.2 搶答器目前存在的主要問題
1.3搶答器的工作原理簡介
1.4搶答器的工作過程
2總體設(shè)計
2.1總體設(shè)計框圖
2.2工作流程框圖
2.3整體電路圖如下：
3詳細(xì)設(shè)計及其仿真
3.1主要元器件功能介紹
3.1.1搶答按鈕
3.1.2、優(yōu)先編碼電路
3.1.3、鎖存器
3.1.4、數(shù)碼顯示器
3.1.5、主持人控制開關(guān)
3.1.6、控制電路
3.1.7、報警顯示電路
3.2功能模塊詳解
3.3 顯示模塊：
4總結(jié)
參考文獻(xiàn)
1 任務(wù)提出與方案論證1.1 課題研究的相關(guān)背景 當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，如果要是讓搶答者用舉手等方法，這在某種程度上會因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性。比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設(shè)備作為裁判員，這就必然離不開搶答器。 搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼。現(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(jī)或數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。 隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的搶答器有著數(shù)字化，智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識競賽越來越多，操作簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數(shù)字搶答器這一課題。 簡易邏輯數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊(duì)的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器上輸出實(shí)現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路。 通過這次課程設(shè)計,了解簡單多功能數(shù)字電路搶答器的組成原理，初步掌握數(shù)字電路搶答器的調(diào)整及測試方法，提高思考能力和實(shí)踐能力。同時通過本課題設(shè)計，鞏固已學(xué)的理論知識，建立邏輯數(shù)字電路的理論和實(shí)踐的結(jié)合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調(diào)整及測試方法。 1.2 搶答器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經(jīng)濟(jì)上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。目前多數(shù)搶答器存在3個不足之處：首先，現(xiàn)場線路連接復(fù)雜。因?yàn)槊總�選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。其次，電路復(fù)雜。因?yàn)楹唵芜壿嬰娐分煌瓿商柎a處理、計時、數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。采用簡單邏輯電路掃描技術(shù)識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大，最后導(dǎo)致容易出現(xiàn)選手搶按成功現(xiàn)象。 1.3搶答器的工作原理簡介如圖1.1所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成檢測數(shù)碼管工作情況。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到"清除"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置于"開始"狀態(tài)，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。
1.4搶答器的工作過程 （1）如果想調(diào)節(jié)搶答時間或答題時間,按"加一"鍵或"減一"鍵進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài),此時會顯示現(xiàn)在設(shè)定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下"加1s"鍵,如果想減一秒按一下"減1s"鍵，時間LED上會顯示改變后的時間，調(diào)整范圍為0~99s, 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。 （2）主持人按"搶答開始"鍵，會有提示音，并立刻進(jìn)入搶答倒計時（預(yù)設(shè)15s搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數(shù)并立刻進(jìn)入回答倒計時（預(yù)設(shè)10s搶答時間），不進(jìn)行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于5s會每秒響一下提示音。 （3）如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按"停止"按鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待主持人按"搶答開始"進(jìn)入下次搶答計時。 （4）如果主持人未按"搶答開始"鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，LED上不斷閃爍FF和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下"停止" 鍵為止。
2總體設(shè)計對同一種目的的實(shí)現(xiàn)，可以用不同的方案，下面就著重介紹以下兩種方案對同一目的的實(shí)現(xiàn)方法，并比較兩種方案的優(yōu)劣。 2.1總體設(shè)計框圖 如下圖所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)按下即為“清零”狀態(tài)，清零指示燈滅，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關(guān)斷開即為“開始”狀態(tài)，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當(dāng)有人搶答時，蜂鳴器發(fā)出聲響并且燈不斷閃爍。選手進(jìn)行搶答時，搶答器將完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、蜂鳴器鳴叫及燈閃爍的提示等操作。當(dāng)一輪搶答之后，禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。
具體的說明如下： 1、搶答器按鈕就是改變輸入的電平信號，從原理圖可以看出這里設(shè)計的是是低電平有效。 2、優(yōu)先編碼電路用來把輸入的高低電平信號編碼，74LS148優(yōu)先編碼器及8—3編碼器，輸出3位2進(jìn)制數(shù)，以代表不同的低電平信號。 3、鎖存器用的是D觸發(fā)器，因?yàn)镈觸發(fā)器結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，方便使用。D觸發(fā)器使用4個，第四個除用來輸出2進(jìn)制數(shù)的最高位外，還用于控制信號的鎖定，即觸發(fā)或鎖定觸發(fā)器的工作狀態(tài)。 4、數(shù)碼顯示器用帶譯碼功能的數(shù)碼管。使用簡單、方便 。 5、主持人控制開關(guān)就是一個開關(guān)，用來清零和開始工作，設(shè)置了一個指示燈，當(dāng)指示燈亮表示開始，滅了表示開關(guān)閉合主持人清零。 6、控制電路，除了第四個D觸發(fā)器和主持人的開關(guān)外，還需要8個搶答器按鈕組成的8輸入與非門和第四個觸發(fā)器用一個與門共同組成一個控制電路來控制信號的傳輸和鎖定。 7、報警顯示電路，用一個蜂鳴器和一個燈作為報警信號，所以選擇一個LED燈來表示信號的鎖定。為了使更明顯一些，給LED燈加了個連續(xù)脈沖信號，以使燈能夠按我們需要的頻率一閃一閃。 另外，還用到一些其他的與非門和或非門，都是一些實(shí)驗(yàn)室常用的器件。 2.2工作流程框圖工作流程框圖如圖4.2所示。 圖4．2 工作流程框圖
2.3整體電路圖如下：
圖中的一個8輸入的與非門，當(dāng)有選手按按鈕時，通過它產(chǎn)生一個高電平信號，此高電平信號與由第四個觸發(fā)器的Q'端初始的高電平信號通過與門U10來觸發(fā)觸發(fā)器，又通過Q'端的低電平信號來鎖住信號。優(yōu)先編碼器用來對輸入的信號編碼為三位的二進(jìn)制數(shù)，因此輸出信號最多顯示到111代表十進(jìn)制的7，而000是我們不需要的，所以我們通過一個3輸入的或非門加到數(shù)碼顯示管的第四個管腳，當(dāng)信號為000時第四個管腳為高電平，這樣顯示8這個數(shù)。后面在給小燈加個脈沖信號來使他閃爍起來。
仿真結(jié)果如下：3號先搶答 7號先搶答 3詳細(xì)設(shè)計及其仿真3.1主要元器件功能介紹3.1.1搶答按鈕選用8個可彈起按鈕作為搶答按鈕。如下圖所示：
3.1.2、優(yōu)先編碼電路 采用74LS148優(yōu)先編碼器作為編碼電路。74LS148編碼器功能表如下：
74LS148功能表 74LS148N是一個優(yōu)先編碼器 優(yōu)先編碼器是數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)管理的一個重要邏輯部件。一般編碼器的輸入端只能有一個為有效信號，才能進(jìn)行編碼。優(yōu)先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。優(yōu)先編碼器的每個輸入具有不同的優(yōu)先級別，當(dāng)多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優(yōu)先級別，并對其中優(yōu)先級別最高的一個進(jìn)行編碼，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出代碼。 輸入端：  ~  輸出端： A0~A2（低電平有效）  使能輸入端：低電平有效 EO使能輸出端：當(dāng) =0時，EO=1表示有有效信號輸入  擴(kuò)展輸出端：  =0時，表示編碼器工作， =1時表示編碼器不工作 其真值表如下：（輸入信號低電平有效）
3.1.3、鎖存器 此設(shè)計電路選用D觸發(fā)器作為鎖存器電路。D觸發(fā)器的邏輯功能表如下所示：
D觸發(fā)器的特性表
D觸發(fā)器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發(fā)的特點(diǎn)，當(dāng)時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端D的值傳輸?shù)捷敵龆�。真值表如下�?/div>
3.1.4、數(shù)碼顯示器 數(shù)碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數(shù)碼管。
功能表如下：
3.1.5、主持人控制開關(guān)用于控制清零和工作的按鈕。
3.1.6、控制電路 控制電路由觸發(fā)器和輸入信號一起控制電路的工作。
原理：如上圖所示，4個觸發(fā)器的置數(shù)端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發(fā)器的Q非端為1，當(dāng)輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發(fā)器開始工作，經(jīng)過觸發(fā)器將信號傳輸?shù)斤@示數(shù)碼管，而第4個觸發(fā)器Q非端變?yōu)榈碗娖�，返回到與門鎖定觸發(fā)器的狀態(tài)，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。
3.1.7、報警顯示電路實(shí)驗(yàn)選擇燈來表示信號的鎖定。
3.2功能模塊詳解設(shè)計的電路可分為三個主要模塊：編碼模塊、信號鎖定模塊和顯示模塊。下面分別對三個模塊進(jìn)行說明和仿真。
3.2.1、編碼模塊： 編碼部分主要利對74LS148，電路原理圖如下，并進(jìn)行了功能的仿真。
上面電路是對編碼部分的功能仿真，74LS148是低電平有效的優(yōu)先編碼器，輸出端A0A1A2輸出的二進(jìn)制正好與十進(jìn)制對應(yīng)。例如開關(guān)3接低電平，則輸出A0A1A2=011，數(shù)碼管將會顯示3 從仿真結(jié)果中可看出編碼這一模塊的功能是正確的。
3.2.2、 信號鎖定模塊：
工作原理：接通電源清零后，四個觸發(fā)器的PR置位端都是低電平，輸出Q為0，Q'為1，當(dāng)有低電平信號時，或非門為1，與門輸出為1，四個觸發(fā)器都開始工作，由于第四個觸發(fā)器的輸入端一直是1，所以使輸出端Q為1，Q'為0，U4輸出變?yōu)?，鎖住觸發(fā)器的狀態(tài)，這樣來鎖住信號的，當(dāng)進(jìn)行下一次工作時必須要清零。仿真結(jié)果請查看附件中的swf屏錄文件。
3.3 顯示模塊：顯示電路就是一個DCD4線的數(shù)碼顯示管，他的輸入二進(jìn)制正好與十進(jìn)制對應(yīng)，在上面的仿真實(shí)驗(yàn)中都用到了數(shù)碼管。 4總結(jié)從上面的仿真結(jié)果看，電路基本滿足要求。此次設(shè)計雖然很簡單，但是卻也花了不少時間，設(shè)計所用到的知識都是老師在后半學(xué)期給我們詳細(xì)講過的數(shù)電知識，如：編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等等，在設(shè)計之前要清楚應(yīng)該包括哪些功能模塊，并且要對每個功能模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后再綜合起來仿真驗(yàn)證，一般不會一次性驗(yàn)證通過，那么久要結(jié)合所學(xué)知識去判斷哪里還不夠完善的地方，找到進(jìn)行修改完善，一步一步的將所需的功能實(shí)現(xiàn)。 這次設(shè)計不但可以讓我再次認(rèn)真去復(fù)習(xí)這些知識，而且很重要的一點(diǎn)是能提高我獨(dú)立思考的能力以及設(shè)計思想，在設(shè)計過程中肯定是少不了自己的獨(dú)立思考，那么在思考的過程中可以很好的鞏固知識以及學(xué)到更多新知識、活躍思維以提高創(chuàng)新能力！在以下方面有待提高 1、設(shè)計 因?yàn)槭浅醮谓佑|，剛開始無從下手，通過上網(wǎng)查資料（網(wǎng)上的電路圖基本上錯了，還好多是copy別人的）知道大概如何做，經(jīng)過整理開始做搶答電路，做搶答電路是我從選了芯片74LS148一個測看輸出是否和我先前計算的一樣，同時可以熟悉這一芯片，如些到整個作品完成。在開始選擇了138這塊芯片做但后面遇到問題（驗(yàn)證電路上有分析）放棄了。在這個設(shè)計中第一次用到數(shù)碼管這個器材，在沒有對其充分了解的情況下就用了，但一直沒有結(jié)果（沒顯示）直到上課聽到老師說數(shù)碼管有共陰、共陽之分，要求接地或接電源。定時電路由禹龍設(shè)計的，他從網(wǎng)上了解到用74ls192,我把各個芯片的資料從網(wǎng)上找到后，選擇了高低位，知道進(jìn)位與信號輸入及輸出后輕松搞定。對于時鐘脈沖產(chǎn)生器的設(shè)計，因?yàn)橛辛松蠈W(xué)期555的學(xué)習(xí)，通過參考8.4.4節(jié)-用555定時器組成的多諧振蕩器，很快設(shè)計出來，但在檢測時放在仿真中并不是1s，這一問題還是通過多次實(shí)驗(yàn)測出。整體的控制中，因?yàn)槭煜ち诵酒�是比較容易出來。如對搶答器的鎖存，可以通過74ls148的使能端EI來控制，最后計數(shù)到零后74ls192的進(jìn)位端是輸出高電平，而148使能端要EI=0時充許輸入，所以加一個非門。 2、實(shí)物焊接 開始我想走錫線，所以花了很多時間放在布線上，但一焊接才知道走錫線不是那么容易，也就只能走錫線了。焊接了要事先想好，如比須知道每塊芯片的引腳，當(dāng)然也要熟悉接線圖，并且要有先后順序來焊接，我在焊接48時因?yàn)闆]想好，先焊了兩個中間沒焊，后面就不好焊，把電線的絕緣皮搞壞了。后面又因?yàn)楹笜尣唤o力好多引腳接到一起了，花了很多時間來開分，所以工期也長了。這種情況還會使心情浮燥，甚至不想焊了，所以焊接時一定要心平氣和，沉著冷靜，仔細(xì)的想好，盡量一步到位。 3、檢查 由于時間緊，又要做信號實(shí)驗(yàn)，有些引腳沒焊上，導(dǎo)致實(shí)物不行，在排查中我先排電源和地線，這兩線要連所有芯片，必須一個不落。開始我的定時芯片沒有顯示，我以為是芯片壞了，但經(jīng)過檢查，是因?yàn)闆]有接地而造成的，接上就OK了。這次的實(shí)品沒做好，我想花點(diǎn)時間一個一個的排查，一塊塊芯片的來。 這次電子設(shè)計雖然花了很多時間，但是很值得，不但熟悉了很多芯片的功，學(xué)到了在上課學(xué)不到的東西通過自己分析和設(shè)計更好地運(yùn)用了它們，而且還學(xué)會了它們更多的功能，發(fā)現(xiàn)它們的功能遠(yuǎn)比書上說的多很多，可以利用不同的接法設(shè)計出各種各樣不同的電路出來。模電課程設(shè)計學(xué)到得方法在這里可以繼續(xù)使 用，比如MULTISIM等學(xué)習(xí)軟件，給設(shè)計提供了很大的便利。，知道如何焊接，也使我們認(rèn)識到成功并不是那么輕而易舉�？傆羞@樣那樣的問題，所以團(tuán)隊(duì)的作用和自己耐心是我在此次設(shè)計得到最多的。只有積極整合團(tuán)隊(duì)的精華，不心浮氣躁我們就能做出完美的電子設(shè)計。 這次實(shí)驗(yàn)給我的總體感覺就是麻煩。先是忙著仿真，弄了很久，和同學(xué)討論了許多次，才勉強(qiáng)通過。因?yàn)槲覀冏龅氖前寺分悄軗尨鹌�，做這個實(shí)驗(yàn)的同學(xué)很少，所以能得到的實(shí)際幫助并不多。后來實(shí)際操作，在焊接過程中，又暴露了許多問題。先是芯片不夠，然后就是初次焊接，很是心浮氣躁，握著電烙鐵，手就一直抖，很久才適應(yīng)。而且對很多芯片的具體功能和各引腳的作用不清楚，因此焊接難度進(jìn)一步加大。所以又忙著查資料，弄清楚，才畫好焊接線路布局圖。其實(shí)老師說的很有道理，仿真和自己動手操作還是有所區(qū)別的，在焊接過程中就暴露出這個問題。我們選用的元件中有幾個電阻并不適用，在試驗(yàn)箱上通不過，所以又臨時更換，感覺很麻煩。實(shí)驗(yàn)時間也不多，焊接對我這個初學(xué)者來說，還算是項(xiàng)比較浩大的工程。忙了幾個深夜，才勉強(qiáng)把元件全部焊接好。但是在全部焊好的時候還是很高興的，畢竟是第一次做這種實(shí)驗(yàn)，感覺還不錯。
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