Multisim八路智力競賽定時搶答器仿真設計報告與工程文件下載

ID:361977 · 發表于 2018-6-29 19:56

電氣與計算機學院
數字電子技術課程設計報告

設計題目：八路智力競賽定時搶答器設計
一、             設計任務及要求
二、             設計的作用、目的
三、             設計過程
1             方案設計與論證
1.1             搶答器的結構框圖
1.2             總體方框圖
1.3             整體電路圖
詳細設計及其仿真
1)             主要元器件介紹
2)             秒脈沖電路的設計
3)             報警電路設計
4)             時序控制電路設計
2             整體電路的仿真與調試
2.1             仿真軟件的介紹
2.2             搶答器電路的仿真：
2.3             仿真時的問題與解決:
四、             心得體會及建議
五、             附錄
1             元器件明細表
六、             參考文獻

八路智力競賽定時搶答器設計報告

設計任務及要求

本課程設計的基本任務，通過指導學生循序漸進地獨立完成數字電路的設計任務，加深學生對理論知識的理解，有效地提高了學生的動手能力，獨立分析問題、解決問題能力，協調能力和創造性思維能力。重提高學生在數字電路應用方面的實踐技能，樹立嚴謹的科學作風，培養學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。學生通過電路的設計、安裝、調試、整理資料等環節，初步掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能，逐步熟悉開展科學實踐的程序和方法。

⑴通過課程設計各環節的實踐，應使學生達到如下要求：

1掌握數字邏輯電路分析和設計的基本方法

2根據設計任務和指標，初選電路；

3通過調查研究、設計計算，確定電路方案；

4選測元器件，安裝電路，獨立進行試驗，并通過調試改進方案；

5分析課程設計結果，寫出設計總結報告。

⑵培養一定自學能力和獨立分析問題、解決問題能力

1學會自己分析、找出解決問題的方法；

2對設計中遇到的問題，能獨立思考，查閱資料，尋找答案；

3掌握一些測試電路的基本方法，課程設計中出現一般故障，能通過“分析、觀察、判斷、試驗、再判斷”的基本方法獨立解決；

4能對課程設計結果進行分析和評價。

⑶掌握安裝、布線、調試等基本技能

1掌握常用的仿真軟件，并能夠利用仿真軟件進行一定的電路調試、改進；

2掌握數字電路布線、調試的基本技巧；

3鞏固常用儀器的正確使用方法。

⑷培養學生的實踐能力

1通過嚴格的科學訓練和工程設計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的科學作風，并培養學生具有一定的生產觀點、經濟觀點、全面觀點及團結協作的精神。

設計的作用、目的

數字電子技術課程設計是重要的實踐性教學環節，同“數字電子技術”理論講授課程有密不可分的關系，起著相輔相成的作用，也是在“數字電子技術實驗”課的基礎上，進一步深化的實踐環節。其主要目的是通過本課程，培養、啟發學生的創造性思維，進一步理解數字系統的概念，掌握小型數字系統的設計方法，掌握查閱有關資料的技能。

設計作用：

完成設計任務，使電路滿足設計任務的基本要求，即以下三點：

（1）8 名選手編號為：0、1、2、3、4、5、6、7，各有一個搶答按鈕用 S0---S7

表示，按鈕的編號與選手的編號對應。

（2）給主持人設置一個控制按鈕，用來控制系統清零（搶答顯示數碼管滅燈）和搶答的開始控制開關（空格鍵總控制）。

（3）搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，該選手編號立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號，同時揚聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。

搶答器使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優先答題。

設計目的：

利用優先編碼器74LS148，RS觸發器74LS279,全加器74LS238，譯碼器4511BD組成搶答電路，完成基本搶答功能。
利用時基電路的時間延遲和產生脈沖功能，形成時鐘脈沖源。
利用可逆計數器和譯碼器，形成倒計時電路，完成30S倒計時功能。

設計過程
- 方案設計與論證

搶答器的結構框圖

如圖 1所示它由主體電路和擴展電路兩部分組成。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。擴展電路完成檢測數碼管工作情況。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到"清除"狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置于"開始"狀態，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，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"狀態開關。

圖 1

總體方框圖

如圖 2所示其工作原理為：接通電源后，主持人將開關按下即為“清零”狀態，清零指示燈滅，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈；主持人將開關斷開即為“開始”狀態，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當有人搶答時，蜂鳴器發出聲響并且燈不斷閃爍。選手進行搶答時，搶答器將完成：優先判斷、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”狀態開關。

圖 2

整體電路圖

圖 3

詳細設計及其仿真

主要元器件介紹

選用8個可彈起按鈕作為搶答按鈕。如圖 4所示：

圖 4

優先編碼電路

采用74LS148優先編碼器作為編碼電路。74LS148編碼器功能表如下：

圖 5

74LS148功能表：

表 1

74LS148N是一個優先編碼器

優先編碼器是數字系統中實現優先權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，才能進行編碼。優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。優先編碼器的每個輸入具有不同的優先級別，當多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優先級別，并對其中優先級別最高的一個進行編碼，產生相應的輸出代碼。

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

=0時，EO=1表示有有效信號輸入

擴展輸出端：

=0時，表示編碼器工作，

=1時表示編碼器不工作

鎖存器

此設計電路選用D觸發器作為鎖存器電路。D觸發器的邏輯功能表如下所示：

圖 6

D觸發器的特性表

表 2

CP	D	Qn	Qn+1
X	X	Qn	Qn+1
0→1	0	0	0
0→1	0	1	0
0→1	1	0	1
0→1	1	1	1

D觸發器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發的特點，當時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端D的值傳輸到輸出端。真值表如下：

數碼顯示器

數碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數碼管。

圖 7

功能表如下：

表 3

數字	4	3	2	1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0 0 0 0 0 0 0 0 1 1	0 0 0 0 1 1 1 1 0 0	0 0 1 1 0 0 1 1 0 0	0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

主持人控制開關

用于控制清零和工作的按鈕。

圖 8

控制電路

控制電路由觸發器和輸入信號一起控制電路的工作。

圖 9

原理：如上圖所示，4個觸發器的置數端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發器的Q非端為1，當輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發器開始工作，經過觸發器將信號傳輸到顯示數碼管，而第4個觸發器Q非端變為低電平，返回到與門鎖定觸發器的狀態，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。

報警顯示電路

如圖實驗選擇燈來表示信號的鎖定。

秒脈沖電路的設計

計數器的時鐘由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路的提供可以有兩種選擇方案:

方案一:用555構成的多諧振蕩器構成。多諧振蕩器沒有穩態，只有兩個暫穩態，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩態之間來回轉換，故又稱它為無穩態電路。由555定時器構成的多諧振蕩器如圖10所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發端(6腳)和低電平觸發器(2腳)并接后接到R2和C的連接處，將放電端(7腳)接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于(1/3)Vcc，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VI截止。這時，電源經R1，R2對電容c充電，使電壓uc按指數規律上升，當uc.上升到(2/3)Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從(1/3)Vcc上升到(2/3)Vcc這段時間內電路的狀態稱為第一暫穩態，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關。充電時間常數T充=(R1+R2)C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩態之間來回翻轉，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在(1/3~2/3)Vcc之間變化。

圖 11

振蕩頻率為

方案二:有石英晶體振蕩器提供時鐘脈沖。石英振蕩器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動，當交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優點，被應用于家用電器和通信設備中。

經過比較，多諧振蕩器頻率穩定性比石英晶體振蕩器較差，而且其精確度也遠沒有石英晶體振蕩器那么高，但是考慮到在此次電路中的實際情況，石英晶體振蕩器的造價等要求高于多謝振蕩器，所以采用方案--的多謝振蕩器來提供時鐘脈沖。如圖12所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產生矩形被輸出。我們設定產生的時鐘脈沖的時間間隔是一秒，根據

計算可以得出電阻R與電容c的關系，給定電容值，可適配解出電阻值得到如下圖的電路:

圖 12

報警電路設計

報警電路只是采用了一個蜂鳴器和LED發光二極管構成，起電路如圖 13所示。

圖 13

時序控制電路設計

時序控制電路是搶答器設計的關鍵，需要完成三項功能:

主持人將控制開關撥到“開始”位置時，搶答電路和限時電路進入正常搶答工作狀態。
當競賽選手按動搶答健時，搶答電路和限時電路停止工作。
當限定的搶答時間到，無人搶答時搶答電路和限時電路停止工作。本設計采用門電路對控制開關、搶答電路、定時電路進行連接。

如圖 14所示

圖 14

整體電路的仿真與調試
- 仿真軟件的介紹

Multisim是加拿大圖像交互技術公司(Interactive Image】Technoligics簡稱IT公司)推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。通過直觀的電路圖捕捉環境，輕松設計電路;通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為;借助高級電路分析，理解基本設計特征;通過一個工具鏈，無縫地集成電路設計和虛擬測試;通過改進、整合設計流程，減少建模錯誤并縮短上市時間。

搶答器電路的仿真：

a.主持人將控制開關撥到開始位置，搶答電路和限時電路進入正常工作狀態。

b.在在規定時間內當選手按動搶答鍵，搶答電路和限時電路停止工作，同時數碼管顯示相應選手的編號，指示燈亮起。

c.在規定時間內無人搶答，搶答電路和限時電路停止工作，選手再按搶答鍵，將不會顯示編號，同時限時電路顯示00，報警器報警，報警指示燈亮起。

仿真時的問題與解決:

設計按照的電路圖連接器件，在仿真軟件上進行調試，出現如下問題：

(1)連線問題，元器件之間不能正常連接，連線交叉過多，電路圖看起來十分混亂。

(2)元件參數的計算選擇不是很合理，電容、電阻的參數選擇未能使輸出時鐘脈沖的時間達到理論要求。

主要就是上述的問題，對上述問題的解決方法是:

（1）在元件之家以添加節點的方式使其正常連接，同時更,改元器件放置位置，重新選擇管腳連接順序，再次布線。

（2）通過查閱資料，修改給定的電容參考值，重新計算電阻的值，多次修改調試，直到到達理論值。

心得體會及建議

通過這次課程設計，我學會了許多課本上學不到的東西，同時也加強了我的動手、思考和解決問題的能力，受益匪淺。

為了弄懂74LS系列芯片的功能，我從圖書館里借來了好幾本書，同時也在網上找了資料再到邏輯功能，經過一番努力終于解決，還有其它的芯片的功能也要慢慢的去琢磨。而在課程設計過程中，我覺得是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，同時平時課間又沒有好好的運用額理解個個元件的功能，而且考試的內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解很多元件的功能，對其在電路中的使用有更多的認識。

從前的學習過程過于浮淺，只是流于表面的理解，而現在要做課程設計，就不得不要求我們對所用到的知識有更深層次的理解。因為課程設計的內容比及書本中的理論知識而言，更接近于現實生活，而理論到實踐的轉化往往是一個艱難的過程，它猶如一只攔路虎，橫更在我們的面前。但是我們毫不畏懼，因為我們相信我們能行。

這幾天的主要任務是設計和仿真出主體電路。雖然在設計中會遇到這樣那樣的問題，有時認為是正確的，而在仿真中卻出現了這樣那樣的問題。比如說在設計好的主電路圖要實現南北各燈泡的狀態，電路圖我認為是對的，而在仿真的是后去出現了問題，就是出現了一個出狀態，其它的都是正確的，經過了反復的檢查沒什么問題，其實沒有問題，在實際中就不會出現了這種問題，所以有不懂的還是要問老師，那樣還節省很多的時間。

附錄
- 元器件明細表

表 4

4511BD	七段顯示譯碼器	三片
74LS283	四位二進制全加器	一片
74LS279	RS鎖存器	兩片
74LS148	8線---3線優先編碼器	一片
74LS192	十進制同步加/減計數器	兩片
LMC555	定時器	一片
74LS00N	二輸入與門	一片
74LS04	非門	三片
74LS11	三輸入與非門	一片