数电课程设计(抢答器)

数字电子技术课程设计报告书

一．课程设计任务要求

设计一个电路是常用于智力竞赛中抢答判断电路，是进行判断哪一个预定状态优先发生的电路。对于该电路的设计，可以综合应用数字电路中组合逻辑与时序电路的基本知识，进一步掌握各类触发器、门电路工作原理与使用要点，学会分析数字电路在调试过程中出现的各种问题。

设计任务：1.在主持人表示抢答开始时,计时器开始计时,在规定时间(学号数)内没有人抢答,表示时间到,蜂鸣器发声输出,计时器复位,为下一次的计时做好准备。

2.主持人表示开始抢答后,计时时间未到时,只要有人抢答,即可显示抢答者的

号码,并同时封锁其他抢答者着的抢答显示。

3.只要有人抢答,计时器停住并显示抢答者号码。

4.只有主持人的操作,将电路复位后,方可结束上一次的抢答,为下次的抢答做

好准备。

5.抢答的规定时间可以在电路开始工作前,从数据开关输入设定的抢答时间。

二．设计思路与系统框图

⑴设计思路

电路设计的关键是信号的封存。让芯片的输出保持不变有多种方法，我采用的是封锁时钟脉冲的上升沿，这样芯片CP不能接受时钟脉冲，就能保持输出不变。不让上升沿出现可以设法让其在某一时刻后持续为高电平或者低电平。我们知道一个信号与低电平相与后输出为低电平，与高电平相与后不影响输出，可以采取这种方法。

抢答器电路根据实验指导书上的资料，采用74175可以满足要求。其输入端与抢答者控制端相连，作为抢答信号的输入端。有人抢答时需要封锁其他抢答者着的抢答信号，因此要设法封锁74175的时钟脉冲。

任务要求显示抢答者的号码，这样需要对抢答输出信号进行编码，因此需要选用合适的编码器。针对抢答电路的特点，选用优先编码器，因为在同一时刻对于多个输入信号，只可能对最先输入的一个信号编码，这样就只会显示抢答者的信号，也就是完成了对显示输出信号的保持。

计时器需要在有人抢答时停止计数并且保持输出，也需要封锁其时钟脉冲。同时，计时器电路停止计数的时刻和抢答时刻有关，所以需要将抢答电路的输出信号引到计时电路。

⑵系统框图

三．电路设计与器件选择 ⑴抢答器电路

由74175的功能表可知，在输入端加高电平，在输出端为高电平，反向输出端为低电平。可以利用这一点，将选手的抢答信号设置为常低信号，无人抢答时，7个反向输出端为高低电平。只要一有人抢答，会产生瞬时高电平，对应的反向输出端就会变成低电平，将这个低电平信号与74175的时钟脉冲信号相与后送入两个74175的脉冲输入端可以实现时钟脉冲信号的封锁。等主持人清零信号后，74175可以开始正常工作。

具体做法及分析：将74175的7个反向输出端经7输入与门后和时钟信号相与，再送74175的CP端。这样，在无人抢答时和时钟信号相与的是高电平，时钟脉冲正常输入。有人抢答，抢答信号为瞬时低电平，经7输入与门后输出的低电平信号与74175的时钟脉冲信号相与后送入两个74175的脉冲输入端，可以实现时钟脉冲信号的封锁。采用同样的原理封锁计时器电路时钟脉冲。

⑵计时器电路

选用74160。74160是十进制加法计数器，且是同步置数，异步清零。可以采用和74175封锁时钟信号相同的方法封锁信号。

具体方法及分析：两片74160160级联，无人抢答，计数器正常工作，进行加法计数。电路的关键在于将加法电路的反馈信号、抢答电路的输出信号和时钟信号三者相与后送入两片160的CP端（上图中方框所示）。当计数到38 时（8421BCD：0011 1000），返回信号为低电平，三输入与非门输入端的另外两个信号为高电平，相与后输出的低电平将74175175CP 端封锁，同时计时器的反馈信号通过一个非门与灯相连，使灯亮。有人抢答时，七输入与非门的输出低电平，即抢答电路的输出为低电平，经三输入与门将低电平送入74160的CP端，这样没有了上升沿，计数器保持输出不变。主持人信号清零后，计数器重新工作。

⑶编码电路

采用74147优先编码器。74147是反码输出，因此需要在其输出端接非门，才能使被编码的信号和抢答者的号码相一致。也可以采用74148（8线——3线优先编码器），同样是反码输出。

具体做法：将74175的7个输出端和74147的7个输入端对应相连。比如1号选手抢答，74175的1Q1N变为低电平，输出为1110，经非门后变为0001，经译码显示后能知道是几号选手抢答。

⑷主持人控制电路

主持人开关实现清零和开始抢答的功能。主持人控制端给常高电平，与74160，74175的CP端相连，这样支持人按下开关输出为低电平，实现清零。高电平时各芯片正常工作。

⑸整体电路

四、电路的编译、波形仿真和管脚封装

⑴编译

检查设计电路，确定无误后进行编译，出现如下提示。

⑵波形仿真

对加法电路进行时序模拟，确认其能正常工作。结果如下图所示，可见当计数到38时

能保持输出信号不变。

⑶管脚封装

打开EDA6000，选择与实验室面板型号一致的仪器，将所需器件添加到面板上。将每个器件的管脚与电路图上对应的输出端一一相连。完成后，在电路图上各管脚处会显示相应的管脚号。然后连接实验仪器，将电路下载到实验箱上，进行操作，验证功能是否正确。

五．实验结果

⑴开始抢答时刻情况

抢答显示为零，计时器显示为零。

⑵无人抢答时情况

计时器显示为38秒，黄灯亮，提示抢答时间到。下面两幅图中，右图显示的是时间到后有人抢答的情况。图示为3号选手抢答，抢答显示为零，可见在时间到后，完成了对抢答信号的封锁，使选手不能进行抢答。

⑶有人抢答时情况

图示为6号选手在第10秒时抢答，绿灯亮，提示有人抢答。当有人抢答后，若还有人抢答，图示为5号选手抢答，抢答器显示不变，说明在有人抢答后，电路完成了对其他抢答信号的封锁。

六．出现的问题及解决方法

实际操作中，当时钟脉冲为1HZ时，如果有人抢答，有时抢答显示不会立刻显示抢答者号码，计时器也不会立刻停止计数。经过分析可以知道，74175是上升沿触发器件，输入信号时需要上升沿的配合。选手抢答信号是一个瞬时的低电平信号，持续时间比1秒短得多，而时钟脉冲周期为1秒，这样当有人抢答的时刻，时钟信号的上升沿可能会没有来，造成前述情况的出现。

解决办法：

1.可以调高时钟信号的频率到10HZ，可以消除有人抢答时抢答显示不会立刻显示抢答者号码，计时器也不会立刻停止计数的情况，但是由于在电路中74175和75160采用的是同一个时钟脉冲信号，会造成计时器计时输出周期变为0.1秒。可见，这不是一个最佳解决办法，

2.采用两个时钟脉冲。一个与74175的CP端相连，频率为10HZ,一个和74160相连，频率为1HZ，其余电路结构不变。这样，74175的时钟信号周期为0.1秒，有人抢答时会立刻反应工作完成信号的封锁，同时又保证了计时器的输出周期是1秒。

七．实验心得体会

这次课程设计时间虽然短暂，但确令我收获颇丰。在这次课程设计的过程中，我将所学到的知识用到了实际的电路设计中，发现了自己的薄弱知识环节，巩固了数字电路中的相关知识，特别是对设计中用到的芯片有了更加深入的认识。同时，从刚开始的构思到最终的完成，期间出现了不少问题，在方案的选择上几经周折，在这个过程中锻炼了我独立分析问题，解决问题的能力。更为重要的是，通过这次课程设计，激发了我对数字电路的兴趣，同时使我熟悉了max+plus2的功能，基本掌握了应该如何使用max+plus2软件，这对于我今后的学习有着很大的帮助。