数电课程设计

西安邮电学院。

数字电路课程设计报告书。

—数字抢答器。

一、课程设计题目。

在各种智力竞赛活动中，参赛选手可以分成若干组，抢答时每组选手对主持人提出的问题要在最短时间内作出判断，并按下抢答键回答问题，这就需要设置一台抢答器，并辅以数显、灯光、音响等多种手段，以便于准确、公正、直观地判断出第一抢答者。数字抢答器利用电子器件则可以完成这一功能。该抢答器允许抢答者在规定的时间范围内进行问题的抢答，不仅用数字显示出第一抢答者的组号，并配有相应的灯光指示。

若规定抢答时间已过，要告示任何输入的抢答信号都无效，除非重新下达抢答命令。该设计课题就是针对上述要求，设计出至少供4名参赛选手使用的数字式抢答器。

二、系统设计。

1、设计任务与要求。

抢答器至少同时供4名选手参赛，分别用4个按钮表示。

设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制。

抢答器具有锁存与显示功能。当主持人开关开启，参赛选手按动按钮抢答，抢答组号即在数码管上显示，同时绿灯亮。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的组号一直保持到主持人将系统清除为止。

抢答器有定时功能，抢答时间为10秒。当主持人启动开关时，定时器开始进行减计时。在规定时间内如有人抢答，计时停止；若无人抢答，继续倒计时，直到显示无效字符，同时禁止抢答。

当主持人关闭开关时，系统重新置数。

抢答器具有警示功能。当主持人还没开启开关时，若有人违规抢答，则数码管显示该组号，红灯亮。

提供；74ls1611片74ls75 1片。

74ls1481片74ls041片。

74ls321片74ls001片。

555芯片 1个74ls321片。

555芯片 1个74ls482片。

数码管2个。

发光二级管4个。

2、总体方案的选择。

解决数字电路的设计无非最常用两种方法：其。

一、列真值表。该方法建模简单，且易于求出电路的函数表达式，进而根据小规模或中规模器件设计电路。其。

二、画状态图。该方法更易于找出状态之间的转换关系，但是在建模上会更困难。该抢答器设计并不能列出总真值表，且设计任务与要求繁琐，故先需做出总体框图，再将之分为四个模块和一个控制器。

其中，输入模块由抢答键和锁存电路组成；时间显示模块由计时电路、译码电路和数码管组成；指示模块由控制电路和发光二级管组成；时钟模块由时钟电路组成；控制器由启动键、启动电路、判断电路和复位电路组成。

智力竞赛抢答器的电路结构如图所示：

三、单元电路设计。

1、输入模块输入模块由按键和锁存电路组成。

锁存电路。锁存电路利用74ls148和74ls75。具体芯片功能真值表如下：

74ls148功能真值表：

74ls148的管脚图：

74ls75功能真值表：

74ls75的管脚图：

分析：由芯片功能表可知，当有人按下开关时，yex^的值从1变成0，而输出是输入的反相，所以使用d触发器时需使用它的q^端，来使输入与输出一致。另外只有g为低电平时才有锁存功能。

由图1-1所示，该模块完成两个功能：一是锁存并显示优先抢答者的组号；二是使其他选手的按键操作无效。

工作过程：开关s置于“清除”端时，s=0,74ls148处于工作状态，74ls75的g端一直处于高电平，所以无论按下哪个开关，都能输入数据；当开关s置于“开始”时，74ls75的g端处于高电平，抢答器处于等待工作状态，当有选手按下按键时（如按下d1）, yex的值从1变成0,经过非门之后，yex的值从0变成1,这时74ls75的g端处于低电平，保持原来的状态，封锁了后来其他按键的输入，保证了抢答者的优先性，所以经译码之后，数码管显示数字‘1’，这就是锁存功能。如果再次抢答需由主持人将s置于“清除”，然后再进行下一轮抢答。

图1-1 输入模块。

2、指示模块。

指示模块由控制电路和发光二级管组成。所要完成的功能是：当主持人开关开启，参赛选手按动按钮抢答，抢答组号即在数码管上显示，同时绿灯亮；当主持人还没开启开关时，若有人违规抢答，则数码管显示该组号，红灯亮。

、发光二级管。

该电路很简单，当发光二级管的n端接地，这样就如果发光二级管的p端接高电平，则发光二级管被点亮；如果发光二级管的p端接低电平，则发光二级管熄灭。所画出的电路如下图1-2所示：

图1-2 二级管连接电路

、控制电路。

分析；联系输入模块和要求可得到如下所示的真值表2-1：（以1代表灯的点亮）

真值表 2-1

由真值表可知，绿灯的功能跟g端的输入正好相反，故可以使g端的输入再通过一个非门到达绿灯，如图2-2所示。

而红灯有表达示：

y红=s yex= s+yex，所以红灯是总开关和yex的或非输出来控制。如图2-3所示；

图2-2 绿灯亮。

图2-3 红灯亮。

3、时钟模块。

时钟模块由时钟电路组成，提供cp脉冲。

、时钟电路。

用555芯片搭建，电路图如图3-1：

图 3-1 时钟模块。

示波器显示输出如图3-2：

图3-2 时钟信号的输出波形。

4、时间显示模块。

时间显示模块由计时电路、译码电路和数码管组成。要完成的功能是：抢答器有定时功能，抢答时间为10秒。

当主持人启动开关时，定时器开始进行减计时。在规定时间内如有人抢答，计时停止；若无人抢答，继续倒计时，直到显示无效字符，同时禁止抢答。当主持人关闭开关时，系统重新置数。

译码电路和数码管。

数码管译码显示电路由74ls48和数码管组成，该电路比较简单。74ls48的芯片符号如下图4-1所示：

图4-1 74ls48芯片符号图。

该电路的连接电路图如下图4-2所示：

图4-2 数码管译码显示连接电路。

计时电路。计时电路由芯片74ls161完成计数设计，还利用了上面的时钟电路提供脉冲。

芯片74ls161的功能表如下：

74ls161：

74ls161的管脚图：

分析：由161的功能真值表可知，只有当ld^=0时，才可以置数，联系题目要求（主持人开关置零时，系统置数；主持人开关开启时，开始倒计时）故把ld^端连接总开关；当tp=0时，输出保持，这就可以锁定输出，故可以考虑选手开关按下时，使tp=0，来使时间停止，另外无效抢答时也需时间停止，终合得知，使c0端也联系到tp端。可列真值表4-3如下；

真值表 4-3

由此真值表可知，yt p= co g = c0+g.

所以可以把g端的输入通过一个非门和c0端进行或非后，输出传给tp端，达到时间停止功能。

另外，可画出161芯片10秒计时的状态图4-4，由状态图可知：161是加法计时器，需加一个反向器使之进行减计时。这样‘0110是‘1001数输入。

当它到达‘1111’即‘0000’时，c0=1。反相后的状态图如图4-5所示。

综合以上两大功能，可作出如图4-6所示的时间显示模块图：

图4-6 时间显示模块。

四、系统联调。

1、调试结果。

该数字抢答器的总电路图如下图5-1所示：

图5-1 总电路图。

2、调试方案。

.当我设计出这个电路图时，并不是直接搭建电路，而是先在电脑上进行模拟**，所使用的软件为multisim10,该软件是multisim7 的升级版，有更多的芯片可提供选择，也更方便。

具体操作：我先在电脑上搭建时钟脉冲，因为它是最基本的，也是时间显示模块重要的一部分。当我搭完成之后，用示波器检测时，并不如预期那样产生脉冲，于是我分析了各个管脚是否连接正确，该接地的，该接电源的，是否接反了。

当我反反覆覆检查了之后，才发现是把电阻r1和r2的阻值接错了，真是“磨刀不误砍柴工”幸而在电脑上及时发现了错误，避免了电路的重搭。接着我考虑的是输入模块，一开始数码管显示就不对劲，我按的是开关d1，d2，d3，d4，可数码管显示的是0，2，4，6。当时觉得是不是我开关弄错了，后来重新看了芯片管脚图，发现自己没问题，那只能是上面接错了，于是一级一级往下测，先是数码管管脚，再是48芯片，接着是75芯片，问题终于找到了，原来是应该要把最高位置低电平，结果我把最低位置低电平了，其他位也就跟着出错了，当我改了这个失误后，数码管就正常显示了，而锁存功能很好，几乎没什么问题。

于是我开始搭时间显示模块，记取了上个模块的教训，这次我很认真地再三检查管脚，于是很快就完成了此模块，其中也没有遇到啥问题。最让我头疼的是红绿灯了，因为此模块门电路用得很多，又是非门，又是与非门，虽然理论上很清楚，实际连电路还是有点眼花缭乱，只能耐心一点，认真一点，一步步连接，在经过几个小失误之后，终于让它们按要求点亮了。

接着，当然是开始搭面包板了。

a．我拿到面包板并没有马上开始搭电路，先是用万用表检查它的导通情况，看看它是前5排导通，还是全部导通。没想到倒是发现一个很严重的问题：我的面包板的正负级是连通的。

可想而知，如果当时没检查到，会有多少芯片要被烧了，我的电路是永远也搭不成了。

b．换了面包板之后，我就开始搭时钟脉冲了。因为模拟过，搭起来很顺手，不一会儿就搭完了，再用发光二级管来检测输出。结果灯一秒闪一下，说明电路搭建没问题。

c．接着，我就开始搭输入模块。先从数码管开始，再48，再75，最后到148。每搭完一个芯片，我就用万用表检测一遍，具体方法是；按要求把管脚该置高电平的置高电平，该置低电平的置低平。

根据自己的设计，使数码管显示0-9，看是否有错。

d．计时模块搭完了之后，我就开始搭时间显示模块，这个模块不仅要跟时钟模块凑得比较近，还要尽量腾出空间给红绿灯指示模块，所以布局时要设计好点。另外，接非门04芯片时费了一点劲，因为管脚实在是太紧凑了，还要考虑不要跳线。当然，也是每搭完一个芯片，我就检测一回，方法跟输入模块差不多。

e．最后当然是指示模块了，调试该模块时就是先看看所使用的芯片高低电平是否连接正确，可以把万用表一支笔置于一端，另一支笔分别检测芯片管脚，看它是否按要求联通或不通。接着就一边分析输出，一边连电路，再检测。红绿灯当然可以正常工作了。

五、分析与总结。

这次课程设计真得让我受益匪浅。其一，让我使用电路**软件更熟练了。使之更有兴趣去深入思考一些学习上遇到问题，并用**软件模拟出来，我想无论对培养独立思考的能力，还是巩固自己的所学知识都很有帮助。

其二，培养了自己的兴趣。说真的，之前我老觉得自己入错行才会选择学这专业，每每看到那些学外语，学金融的同学悠哉地过日子，一想到自己以后要跟这枯燥的电路过一辈子，一股“悲凉”之感就漫上心头。不过这次看着自己搭得电路，突然发觉纵横交错的电路其实也有一种规律美，并不是乱成一团。

真的是“世界上并不缺少美，只是缺少发现美的眼睛”，其实很多时候，人往往是自己给自己圈了界限，不断暗示自己，这个很无聊，我不喜欢这个，结果就真得了无乐趣了。比如我们女生老说自己动手能力不行，可是这次完成比较好，比较快的大都是女生，所以不能妄自菲薄。其三，也让自己清楚地了解到不足之处。

最严重就是心态问题，当时看到很多人**没成功就开始搭电路，自己就开始动摇了，老怕比别人慢了，一慌就头皮发麻，思路想到一半就放弃，没有静下心好好深入地想一想。幸而，最终还是坚持了下来，自己找了一个角落慢慢琢磨，结果反而比那些没模拟就搭电路的同学都完成得快。如果说，还要加一点学习到的地方，那就是我想做完这次课程设计，我的报告书写能力加强了，以前写报告就是这边粘一点，那边移一点，而这次，大家都是自己用心写出来的，看着自己的产品，果然心情不一样，我们宿舍的一个小朋友还专门用手机拍下面包板上的电路，说是回家跟父母好好炫耀一番，真是好笑又可爱。

而我之前大多是编程序，或**电路，这次的动手能力给了我很大的信心，我发觉原来它是这么好玩的东西，我想我会打心眼里爱上它的。

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