1、2016 届课程设计四路智力竞赛抢答器课程设计说明书学生姓名 学 号 所属学院 信息工程学院 专 业 计算机科学与技术班 级 计算机 16-6 班 指导教师 教师职称 讲师 塔里木大学教务处制塔里木大学课程设计任务书课程名称： 四路智力竞赛抢答器课程所属教研室： 计算机系 指导教师： 学号 学生姓名学号 学生姓名学号 学生姓名（专业）班级 计算机16-6 班设计题目四路智力竞赛抢答器设计技术内容本设计主要在 EWB 的工作环境下设计一个 4 路智力竞赛抢答器电路，应做以下设计内容：1、设计一个主持人控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）及抢答的开始2、设计抢答电路，当有某一选手首先
2、按下抢答按钮时，编号数码管显示选手编号，抢答器不再接收其他输入信息。优先抢答的选手编号一直保持到主持人将系统清零为至。设计要求本次课程设计需要完成以下要求：1、4 路智力竞赛抢答器电路应具备选手编号显示、优先抢答2、整体电路布局合理，线路清晰3、课程设计说明书条理清晰，结构合理，格式规范参考资料1数字电路与逻辑设计.胡锦.北京.高等教育出版社.2010.5。2数字电子技术基础.阎石.北京.高等教育出版社。3数字电子技术基础.康华光.北京.高等教育出版社.2008 年.第五版。4集成电子技术.蔡惟铮.北京.高等教育出版社.2004 年.第一版周次第一周 第二周应完成内容1、查阅资料2、学习设计软
3、件的使用3、利用软件设计 4 路智力竞赛抢答器电路，具有选手编号显示、优先抢答4、焊接技术的练习1、电路板的布局及焊接2、系统调试3、撰写课程设计说明书4、课程设计答辩指导教师签字教研室主任签字目 录摘要: 11.设计目的和要求 21.1 设计要求 21.2 设计目的 22.功能介绍 33.总体方案设计 34 具体电路设计 44.1 主电路设计 45.设计原理 56.四路抢答器元器件清单 67.主要器件介绍 67.1 74ls175 四 d 触发器 67.2 74LS20 与非门 8 7.3 74LS00 二输入与非门 .117.4 555 的工作原理 128.四人抢答器仿真 .169.实验步
4、骤及操作 179.1 检测与查阅器件 199.2 连接电路 199.3 电路调试 .1910.实物图如下 1911.实验困难问题及解决措施 2211.1 困难一 2211.2 困难二 2211.3 困难三 2211.4 困难四 2211.5 困难五 2212.设计成品的优点与不足 2312.1 优点 2312.2 不足 2312.3 改良 23总结 24致谢 .26参考文献 27塔里木大学课程设计评审意见表 28课程设计验收鉴定表 29塔里木大学教学实习日志 30塔里木大学数字电路课程设计说明书第 1 页 共 30 页四路智力竞赛抢答器摘要: 在日常生活中各种竞赛场合经常要用到抢答器，在电视台
5、和娱乐场所等大型场合中的智力抢答更是不可缺的系统，其利用的是大型显示屏显示数字。抢答器不但在以上场合取到很大的作用，而且在现代制造业中也有很重要的作用。现代电子技术的飞跃发展，各类智能化产品相应而出， 抢答器器也不例外；数字电路具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，本设计就以数字电路为核心设计四路抢答器。而本次课程设计技术目标与要求是设计四路的抢答器，附有简单的抢答功能，不仅可以用于比赛，娱乐抢答，知识竞赛等活动，也可以用于各类需要竞争的场合，抢答器的运用非常附有人性化，应用非常广泛。实现抢答器功能的方式有多种，可以采用模拟电路、数字电路或模拟混合电路，可以实现多路抢答的功能。为了加深对数字电
6、子技术课程理论知识的理解，有效的提高动手能力，独立分析问题、解决问题的能力，协调能力和创造性思维能力，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力，现设计一个用数字电路设计的四路抢答器，以74LS175、74LS00、74LS20、555 为核心，使其具有反应快、功能齐全、实用性强的特点。通过电路的设计、焊接、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。仿真成功，电路板良好。关键词：抢答器 电路 仿真 设计 第 2 页 共 30 页1.设计目的和要求1.1设计要求(1)4 名选手编号为： 1，2，3，4。各有一个抢答按钮
7、，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为 S1, S2,S2,S4(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上相对应的二极管发光，同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。(4)可用 555 定时器产生频率为 1Hz 的脉冲信号，作为定时计数器的 CP 信号。按照抢答规则，电路能对第一个抢答开关的回答者迅速作出反应，对应的灯要亮，并且灯亮起之后，该答题者不必长按开关，电路可以自行工作，保持灯亮。其次，当有一
8、盏抢答灯亮起之后么，其他答题者后继的开关按下信号不会使其他灯亮。最后，当本次答题结束后，主持人的开关可以关闭亮起来的灯，使电路恢复初始状态，等待下一次的抢答。根据以上分析，电路应有如下功能：（1）记忆功能：电路能够保持第一个按下开关者的信号，让其对应的信号灯自动保持长亮，从而答题者不用长按开关，并且该信号还要对屏蔽电路起作用。（2）屏蔽功能：当第一个灯亮起之后，电路能够使用记忆的信号，屏蔽掉其他后继答题者的开关信号，使其他的灯不会再亮。（3）恢复功能：主持人开关可以使电路恢复到初始状态。1.2设计目的(1)进一步掌握数字电子技术课程所学的理论知识，加深对数字电子技术课程理论知识的理解。(2).
9、熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。(3)了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题,有效的提高动手能力，独立分析问题、解决问题的能力，协调能力和创造性思维能力。 (4)培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度，培养综合运用理论知识解决塔里木大学数字电路课程设计说明书第 3 页 共 30 页实际问题的能力2.功能介绍（1）抢答器最多可供 4 名选手参赛，编号为 14 号，各队分别用一个按钮（分别为 S1S4）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关 Space，该开关由主持人控制。（2）抢答器具有数据锁存功能，并将锁存数据用 LED 数码管显
10、示出来，直到主持人清零。（3）开关 space 作为清零及抢答控制开关（由主持人控制） ，当开关 space 被按下时抢答电路清零，当开关 Space 松开时则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1S4 实现。（4）有抢答信号输入（开关 S1S4 中的任意一个开关被按下）时，并显示相对应的灯处于亮的状态。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。 3.总体方案设计如图 1 所示为设计方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灯灭，主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。选手在定时时
11、间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人再操作“清除”和“开始”状态开关。塔里木大学数字电路课程设计说明书第 4 页 共 30 页抢答按钮主持人控制开关控制电路锁存电路抢答鉴别电路显示电路图 1 总设计方框图4具体电路设计4.1 主电路设计主设计电路如图 2，电路选用 74LS175、74LS00、74LS20 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存抢答者的编号，同时在显示管显塔里木大学数字电路课程设计说明书第 5 页 共 30 页示；而且禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关 Space
12、按下时，电路断开输入端为零，开关 Space 闭合时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答器按键按下时（如按下 S2） ，74LS175 的输出镜 RS 锁存后，74LS175 处于工作状态，若发光二极管 2 亮，CTR=1,使 74LS175 其他工作端等于 1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS175 的此时由于仍为 CTR=1，所以 74LS175仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如果再次抢答需要主持人将 Space 开关重新按下然后才能进行。具体的电路连线如图 2图 2 主电路图5.设计原理设计的电路中 LS175 为一四
13、路的锁存器，当 CLK 引脚输入上升沿时，D1-D4 被锁存到输出端（Q1-Q4） 。在 CLK 其他状态时，输出与输入无关。其异步复位端为低电平时，Q1-Q4 输出为低，/Q1-/Q4 输出为高。电路上电后，按下复位按键，/Q1-/Q4 输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED 全熄灭。同时用它们作为输入的与非门 U1A 输出为低电平。电路进入准备状态。塔里木大学数字电路课程设计说明书第 6 页 共 30 页这时，假设有按键 S2 被按下，与非门 U1B 的输出将由低变成高电平，形成一个上升沿经过两个非门的延迟后作为 175CLK 的输入。CLK 得到上升沿后会将 D1 上的数据锁存，这时
14、由于 S2 是按下的，D1 上应为高电平，故 175 的/Q1 输出为低电平。对应得LED 被点亮，同时与非门 U1A 的输出也变为高电平。它为高电平后，按键的两端都为高电平，故按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定。达到了既定的功能目标。6.四路抢答器元器件清单表 1 元器件清单序号器件名称 数量 备注1 74LS1175 1 D 触发器2 74LS00 1 二输入与非门3 74LS20 1 与非门4 555 定时器 1 连接成多谐振荡5 47K 电阻 26 1K 电阻 98 工具箱 19 数电箱 110 万用表 1 检查电路11 电路板 1 焊接电路12 发光二
15、极管 413 电容 10uF 114 电容 0.01uF 115 芯片底座 4 固定芯片7.主要器件介绍塔里木大学数字电路课程设计说明书第 7 页 共 30 页7.1 74ls175 四 d触发器74LS175 为四输入八输出的 D 触发器，输入端口为 D1、D2、D3、D4，输出端口为Q1、Q2、Q3、Q4 和/Q1,/Q2,/Q3,/Q4，内部电路图为图 3 所示。图 3 74LS175实物图图 4 74ls175管脚图引脚图表 2 74ls175功能表74LS175 的功能表输 入 输 出RD CP 1D 2D 3D 4D 1Q 2Q 3Q 4QL L L L LH 1D 2D 3D 4
16、D 1D 2D 3D 4D塔里木大学数字电路课程设计说明书第 8 页 共 30 页H H 保 持H L 保 持表 3 74LS175真值表塔里木大学数字电路课程设计说明书第 9 页 共 30 页图 5 74LS175原理图7.2 74LS20与非门4个输入与非门，内含两组4与非门 第一组：1,2,4,5输入，6输出 第二组：9,10,12,13输入6输出塔里木大学数字电路课程设计说明书第 10 页 共 30 页图6 74LS20实物图图7 74ls20管脚图引脚图 塔里木大学数字电路课程设计说明书第 11 页 共 30 页图8 74LS 引脚图及真值表图 9 74LS20内部功能图塔里木大学数
17、字电路课程设计说明书第 12 页 共 30 页7.3 74LS00 二输入与非门 图 10 74LS00实物图图 11 74LS00 引脚图 塔里木大学数字电路课程设计说明书第 13 页 共 30 页图 12 74LS00 功能表图 13 74LS00原理图7.4 555的工作原理它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较器 C2 的反相输入端的参考电平为 和 。C1 和 C2 的输出端控制 RS 触发Vc321器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过 时，触发器复位，
18、555 的输出c32塔里木大学数字电路课程设计说明书第 14 页 共 30 页端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输入并低于 时，Vc31触发器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。基本简介555系列 IC 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时 IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。主要特点1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源范围极大，
19、可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。相关应用555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 。DR VcVcc 是控制电压端（5 脚） ，平时输出 作为比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外Vc32接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电
20、压时，通常接一个 0.01 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，F以确保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路.塔里木大学数字电路课程设计说明书第 15 页 共 30 页 TR触发TH阈值 R复位IS D放电端OUT输出Vc31 c2H 导通 LccH 原状态V31 H截止 HL 导通 L图 14 555实物图塔里木大学数字电路课程设计说明书第 16 页 共 30 页图 15 555内部结构图 16 555引脚图塔里木大学数字电路课程设计说明书第 17 页 共 30 页8.四人抢答器仿真按照总体电路图在仿真软件 EWB 上一一选择芯片进行
21、连接，然后启动开关观察。为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值。运行仿真后电路如下图、塔里木大学数字电路课程设计说明书第 18 页 共 30 页塔里木大学数字电路课程设计说明书第 19 页 共 30 页9.实验步骤及操作可参考杨老师给的图片资料 ，如下图所示：塔里木大学数字电路课程设计说明书第 20 页 共 30 页9.1 检测与查阅器件运用仿真图在电路板上布局，通过检测看看元器件是否完好，并在电路板上标出编号，便于连线。9.2 连接电路运用仿真图连接电路,先在实验电路板上插好器件，在插接器件时，要注意芯片的方向，做好焊接工作，同时保证芯片的管脚与插座接触良好，管脚不能
22、弯曲或折损，指示灯的正负极不能接反。在通电前先用万用表检测各芯片的电路接线是否正确，是否连通。9.3 电路调试首先按抢答器功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障，若某些 功能不能实现就要设法查找并排除故障，排除故障可按信息流程的正向（由输入到输出） ，也可按照信息流程逆向（由输出到输入）查找。例如：当有抢答信号输入时，观察对应指示灯是否点亮，若不良，可用万用表分别测量先关与非门输入，输出端电平状态是否正确，由此检验线路的连接和芯片的好坏。若抢答开关按下时指示灯亮，松开时又灭掉，说明电路不能保持，此时应该检查与非门相互连接是否正确，直到排除所有故障为止。10.实物图如下塔里木大学数字电路
23、课程设计说明书第 21 页 共 30 页正面实物图塔里木大学数字电路课程设计说明书第 22 页 共 30 页背面实物塔里木大学数字电路课程设计说明书第 23 页 共 30 页11.实验困难问题及解决措施11.1困难一由总电路可以看到，本次课程设计的接线十分之多，因为在接线时要十分细心，如果不小心就会接错。在实验设计实体连接的过程中，每一步都小心翼翼地做。一条线接错或者一条线在过程中不小心被动到，都有可能让整个电路没有反应，所以每一步都必须要小心，没有人希望重新连接一次，器件和线路实在是多，最好能够先把电路划分清晰，就是尽量明显的把个各块独立的电路组成部分分开得明显些，这样就算接错了也可以大概检
24、查各块输出就知道哪里出问题，减少检查的范围和数量，更省时省力。11.2 困难二实验时要注意 74 系列要接入电源，因为在实验中，我曾经忘记了接电源。使得抢答器的显示灯无法正常显示。在接线时，要看清楚管脚是 16 个脚还是 14 个脚，如果是 16 脚的，一定要接入电源。电源跟地一定要接对，有一次因为接错电源，浪费了半个钟头。11.3 困难三555 脉冲源时应该用 LED 灯作显示， 、测试脉冲信号输出输入情况，电阻在接入前要测试保证其可以正常工作。最好就是把输出接在 LED 灯上，一直接线， 。一直观察它的灯亮情况，直到它会正常闪烁为止。说明脉冲源正常工作。11.4 困难四仿真测试必须与实际相
25、符，可以保证测试出来的是正确的结果，测试正确之后便可以无后顾之忧地做电路图，让设计更加顺利。不宜在此工作花费太多时间容易影响接下来做设计的情绪。11.5困难五开关处理一定要好，要测好脚，特别是六脚开关，防止接错。蹲点一定要仔细，小心，防止过大出现短路问题。电阻断了，重新接也要特别留意。用万用表测要注意开关打开。弄好后要标好正负极，以免在测试中接反。塔里木大学数字电路课程设计说明书第 24 页 共 30 页12.设计成品的优点与不足12.1优点元器件较少，功能满足要求，实用性强。12.2不足（1）在设计时，用了 D 触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下 S1 和S2 时（其同时按下的几率
26、较小，但情况还是会存在的）会显示两个灯亮，违反抢答的原理。（2）估计是 74LS175 有问题，锁存功能时好时坏，有的时候，需抢答者一直按着，其他抢答者按键才无效，实现抢答功能。（3）电路跳线较多，使得电路板外观不好。12.3改良焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接,可改用编码器和锁存器来代替 D触发器。需要更换坏了的，接触不好的元器件。在焊接前要画好连接方式，巧妙地设计，使电路板变得更加美观，给参观者赏心悦目的感觉。塔里木大学数字电路课程设计说明书第 25 页 共 30 页总结持续近一个星期的课程设计结束了，我们的设计虽然有一些小毛病，但总体上还是很成功的。一周的时间虽然很短暂，但从中获
27、益匪浅. 毕竟在课堂上学习的内容真真正正能用到实际是有点超乎我们的想象，而且要把理论知识付诸实践确实非一件易事。我从最初的设想设计一个什么样的数字电路到绘制电路图，然后打印排版，最后校正设计中的漏洞与不足。整个过程中我翻阅大量资料，跑遍图书馆各个能找到数电资料的角落，上网查找有关内容，马不停蹄思考如何绘制电路，并和周围同学进行着一遍又一遍的交流与设计思想。首先对数字电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的数字实验只是针对某
28、一个小的功能设计，而课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS175、74LS00、74lS20、555 等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：EWB 等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手
29、的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。经过了一段时间的努力我终于完成了四路抢答器的设计，从方案的选择，再到设计与实现。在这个过程中我学习到了很多在课本上不能学习到的知识，对一个产品也有了一个新的认识，以前我都很简单的认为一个产品很容易就做出来了，现在我知道了每一个产品都需要。通过这次的课程设计我学到了主要有如下几点： 塔里木大学数字电路课程设计说明书第 26 页 共 30 页1提前做好
30、准备工作在开始动手之前，我们要把各器件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把这些真正的搞懂之后才能顺利完成设计。2.耐心分析，解决问题设计与实现的过程中我们会遇到一些困难这是很正常的事，但是不能一遇到问题就慌了，要耐心的分析问题并解决，这次课程设计的时候我就遇到了这样的情况，3.团队合作，不懂请教。这次课程设计培养了团队合作，有些时候我们也需要别人的帮助，比如说当我们把元器件连接错的时候，自己一个人很难找到错误，就需要别人帮忙，无形中培养了团队合作的精神。有的时候可能遇到一些问题自己不能解决，这时我们应该虚心像同学请教，只能这样才能更好的解决问题。通过这次课程设计，使我受益颇多。既巩固了课堂上学到
31、的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我认真严谨的工作作风塔里木大学数字电路课程设计说明书第 27 页 共 30 页致谢本课题在选题及进行过程中得到杨老师的悉心指导。在实验过程中，杨老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励，您的一句鼓励，就如同母亲鼓励孩子，让我有了自信，我感觉您身上有一种无私的精神，把自己所有的知识传授给我们，毫无保留，给人以温暖的感觉。还记得我们在实验过程中缺少了一些东西，老师说过等
32、她来给我们发，但是事与愿违，当老师发现零件没有的的时候她既然没有说我，反而给我们讲了一些道理。我觉得她说的非常地对，我突然觉得有点内疚，杨老师踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向杨老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 杨老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。对杨师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢杨全丽，感谢丛申老师等对我的细心指导，在此向诸位老师深深地鞠上一躬。同时感谢实验室的老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。同时还要感谢我亲爱的同学们，在课程设计期间，他们给了我们支持与帮助。也感谢我们的组员，如果没有他们，我们的抢答器也不会问世，我深深的懂得了团队的重要性。再次感谢老师的辅导以及同学的帮助。 “纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行” ，由此看来实践的重要，短短一星期的课程设计，学到了很多的东西，最重要的是我自己动手把我学习的知识用于实践，做出成功的作品，这才算真正学习到了东西。总之，这次实验我收获颇多。实践是获得知识的一种最好的手段！
