《电子技术综合设计与实践》设计说明书

课程设计

课程名称电子技术综合设计与实践题目名称八位数字抢答器

学生学院自动化学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

2010年9 月21 日

目录

课程设计任务书 (3)

摘要 (5)

1 设计的任务与要求

1.1 设计的目的 (6)

1.2 设计的要求 (6)

2 设计方案

2.1 设计思路 (7)

2.2 设计过程 (7)

3 模块及其功能介绍

3.1 抢答器的组成 (8)

3.2 抢答器的工作原理 (11)

4 实验结果与数据分析 (12)

5 结论与问题讨论 (12)

参考文献 (12)

《电子技术综合实践》课程设计任务书

题目：八位数字抢答器

一、设计任务与要求

1设计任务：

1）利用各种器件设计一个多路智力竞赛抢答器。

2）利用DE2板对所设计的电路进行验证。

3）总结电路设计结果

2设计要求

1）. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

2）. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3）. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4）. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如,30秒）。当主持人启动"开始"S 键后，定时器进行减计时，同时指示灯(建议采用绿色灯)开始短暂的闪烁，持续的时间0.5秒左右。5）. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上(七段数码管HEX)显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止，此时指示灯应停止闪烁。

6）. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00，指示灯应亮起(建议采用红色灯)。

二、设计思路

1学习要求：

复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理，设计可预置时间的定时电路分析与设计时序控制电路。画出定时抢答器的整机逻辑电路图，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。并能对其在电路中的作用进行分析。例如：构建定时器，优先编码器74LS148和RS 锁存器74LS279以及十进制同步加/减计数器74LS192。

2 设计思路

设定一条控制总线S 控制整个系统的运作，高电平有效。设定一个清零控制，用于清除上一次抢答的显示，高电平清零。另设定了一个自主的计数器置数控制set。由于DE2板上仅提供50MHz和27MHz 的时钟，需设定lpm_counter分频器来对系统时钟进行分频，计数器主要是用两个74LS190，通过这两个计数器，进行30秒的倒数。

三、模拟仿真(可选)

使用可编程逻辑器件和QUARTUS II软件，用原理图输入方法，进行编译，仿真。

四、下载

模拟仿真结果正确后，结合实验板设置各输入、输出端；指定下载芯片，重新编译。编译结果正确后下载到相应芯片中。

五、实验结果验证

下载完成后，在实验板上验证结果，可以利用实验板上的按键模拟呼叫源。

六、实验报告

在验证结果正确后，确定方案并绘制电路图。进一步完善设计文档资料，写出总结报告。

发出任务书日期：2010 年9 月17 日指导教师签名：

摘要

抢答器电路设计方案很多，有用专用芯片设计的、有用复杂可编程逻辑电路设计的、有用单片机设计制作的、也有用可编程控制器完成的，但由于我们所学的数字电路技术有限，现在只能用一些小规模的集成芯片实现其功能。

我们主要采用了74系列的芯片作为主要的电路部分和时钟分频，附加一些门电路以实现控制功能。主要在Quartus Ⅱ的环境下画出电路图并进行编译，最后下载到DE2实验板进行功能验证。

关键词：数字电子技术抢答器 74系列 Quartus Ⅱ

1 设计任务目的与要求

1.1设计目的

1.熟悉集成电路的引脚安排。

2.掌握编码器、十进制加/减计数器等芯片的逻辑功能及使用方法。

3.了解数字抢答器的组成及工作原理，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法。

4.熟悉数字抢答器的设计与制作，并能对其在电路中的作用进行分析。

5.熟悉quartus原理图设计数字电子电路的方法，学会使用FPGA开发数字电子电路。

1.2设计要求

1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如,30秒）。当主持人启动"开始"S键后，定时器进行减计时，同时指示灯(建议采用绿色灯)开始短暂的闪烁，持续的时间0.5秒左右。

5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上(七段数码管HEX)显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止，此时指示灯应停止闪烁。

6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00，指示灯应亮起(建议采用红色)。

2 设计方案

2.1设计思路

（1）设计抢答器电路。

（2）设计可预置时间的定时电路。

（3）设计报警电路。

（4）设计时序控制电路。

2.2设计过程

首先收集所有相关器件的datasheet，了解它们的逻辑功能。采用分模块设计，一开始先设计好抢答电路、倒计时定时电路、数码管显示电路，然后考虑各个模块的逻辑关系，实现复位端、清零端得相应功能。

3 模块及其原理介绍

3.1抢答器的组成

抢答器的整体电路图如下图所示。它主要由控制端输入电路、优先编码器、触发锁存电路、7段显示译码器和数码管、指示灯几部分组成。

Start

Clear

选手抢答电路

倒计时电路

报警指示红灯

抢答开始提示绿灯

（1）抢答开关电路

该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。实验室提供的板是拨动开关，这里用开关的一次来回拨动，模拟实际应用的抢答按钮。

（2）优先编码器74148

编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。因为电路使用的芯片74ls148输入低电平有效，故一开始要把sw0~7全部置为高电平。当有选手输入时，GS使能端输出低电平。

选手抢答输入

（3）D 触发锁存电路7475

电路把编码器输出的低电平信号，锁存起来，并且反馈回D 触发锁存器的使能端E12、E34，迅速

关闭7475，使以后的输入无效。

（5）74283加法电路 由于74148出来的数值是从0~7，选手编号一般为1~8，所以，设置此加法电路，是74148的输出

加1

，符合我们正常的使用习惯。

锁存电路

加法电路

选手号码显示电路

（6）7段显示译码器

译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

（7）数码显示器

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。实验室的实验板提供的为LED 数码管。此处用来完成输出抢答选手号码的功能。

（8）74292分频电路

把系统的时钟分频，为计数器提供周期大约1S的时钟，提供给计数器计时。

（9）减法计数器电路

实现系统倒计时计数，提供信号给报警电路。

（10）报警电路

3.2抢答器的工作原理

电路图如上，当主持人按下抢答电路启动按钮start 时，主持人在计数器74190预置倒计时Ns ，

当主持人按下start ，倒计时开始，同时7475触犯器使能，队员开始抢答，绿灯开始每隔0.5s 闪烁一次。当有人抢答时，从74148的GSN 端会有一个低电平，告知有键按下，此低电平信号反馈到7475触犯器的使能端，是触发器不使能，封锁以后的输入信号，同时把信号送到计数器的GN ，使计数器停止计数，抢答完成，数码管显示相应的抢答者的编号和抢答所用时间，绿灯同时熄灭。如要进行下一次抢答，主持人按下清零CLR ，清除数码管的显示，按下start 使能触发器，使抢答电路有效，同时置入倒计时Ns 。如果在Ns 倒计时结束后无人抢答，74190输出端abcd 均为低电平，经过或非门输出高电平，从而是红灯报警，在经过非门控制绿灯熄灭实现报警功能。

倒数电路

预置倒数时间

显示时间电路

4 实验结果与数据分析

（1）用quartus原理图编辑输入设计的原理图。

（2）配置相应的管脚，编译，烧录。

（3）调试相应的功能模块，使其符合要求。

（4）整合各个功能模块，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足

设计要求。

5 结论与问题讨论

最初的我们的设计方案是由74148编码器和74279RS锁存器来实现抢答电路的功能的，但经过实际调试，发现抢答者号码的显示总是实现不了，后来改用7475D锁存器，实现了显示功能，却不能实现锁存的功能。经过多次的思考与调试，我们用了门电路来控制锁存器的使能端，通过控制使能端来锁存信号，使后来的信号无法传输以实现了锁存功能。

在倒计时的电路设计过程中，我们尝试用lpm counter分频器来对系统50MHz时钟分频，但是由于对器件的不熟悉，设置参数错误，无法正确进行分频。另外，在两片74190的使能端设计上也花费了许多精力与时间。一开始计数功能完全瘫痪，只能显示预置数，无法计数。后来我们尝试用74192芯片，但对使能端up与down两个端口的功能不了解，尝试了多种接法都无法实习其功能。我们就毅然改用了74190，通过控制GN端输入，经过一步步的试验，计数功能终于完成。

实现了主要功能，还有两个附加的指示灯功能也是我们焦头烂额。报警红灯的电路还算比较简单，只用一个或非门器件把74190的八个输出段连接便可实现其功能。但是绿灯的控制则需要多路控制，包括start、选手输入锁存控制、时钟信号以及报警红灯的控制。我们综合考虑了绿灯的功能，通过门电路实现了其功能。

通过这次对数字抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念。本实验通过EDA软件quartus实现，使我们对FPGA器件的使用有了一定了解，指明了一个发展方向给我们。通过这次实训，我对各种芯片的用法都有了更深层次的认识，而不至于使我的知识仅限于理论而脱离实践。

参考文献

[1] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006年

[2] 谢云. 现代电子技术实践课程指导. 北京：机械工业出版社. 2009年

[3] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程. 北京：北京航空航天大学出版社. 2008年