路数字抢答器 九月二十九

1、贵州航天职业技术学院毕业论文论 文 题 目： 用中小规模集成电路设计制作一抢答器专 业 领 域： 电 子 测 量 技 术 与 仪 器 指 导 教 师： 廖 艳 秋 作 者 姓 名： 张 二 中 班 学 号： A093GZ042040144 2011年8-10月摘 要抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发, 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现的。主要为了实现抢答、定时、显示、报警功能。其电路由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上

2、输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路 。当有选手按下按钮时，优先锁存，其他选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮之后，才能开始下一轮的抢答。比较实用。该数字抢答器可以广泛应用于各种竞赛，确保竞赛的准确，公平。该数字抢答器虽然可以用单片机程序来完成，但繁琐和代价高。而用集成电路设计制作抢答器：方便，价格便宜，还易于扩展。关键字：编码，译码，555定时器，抢答器目 录引 言1第一章 实验目的及要求21.1基本要求21.2提高要求2第二章 设计方案及原理图32.1 设计方案32.2 总电路

3、框图4第三章 单元电路的设计53.1 抢答电路53.2计时电路83.3显示电路103.4报警电路12第四章 电路的仿真164.1 抢答电路164.2 倒计时电路17第五章 心得体会19致 谢20参考文献21附 录221.总电路图222.元器件清单23引 言21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。

4、因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求时就无法实现，如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器

5、诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。第一章 实验目的及要求通过八路数字抢答器的设计实验，要求回顾所学数字电子技术的基础理论和基础实验，掌握组合电路、时序电路、编程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握优先编码器、触发器、计数器、单脉冲触发器、555电路、译码/驱动电路的应用方法，熟悉掌握时序电路的设计方法。达到数字实验课程大

6、纲所要求掌握的基本内容。在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光或音响等多种手段指示出第一抢答者。1.1基本要求（1）设计制作一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。（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，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，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）若超时仍无人抢答，则报警指示灯熄灭。 1.2提高要求（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时

7、间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。同时扬声器发出短暂的响声，响声持续0.5秒左右。发光二极管灯亮。（2）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。（3）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。（4）按钮到控制中心的距离为20M。第二章 设计方案及原理图2.1 设计方案图 2-1 方案电路图当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态。当主持人开关打开时，电路处于清零状态。此时，各个触发器的Q端输出都为，假设芯片编码器

8、74LS148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁。GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平。也就是说，只要有触发信号来并且R端为时，各触发器就会被触发翻转。当主持人开关合上，指示灯亮，此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把开关合上，其相应的触发器CP 端就相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转。其Q端输出为，信号输入到优先编码器74LS148中，经编码输送到74LS48七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号。在此时，74LS148的两个输出使能端EO和GS分别输出为1和0。

9、这样与非门打开，并输出为低电平。由连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响。同样地，只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制喇叭发声的时间频率。而此时因为GS输出为，各触发器的JK端也就为，就算此时其它选手再把开关合上，其对应的触发器也不会再触发翻转，仍然会保持原来的状态。当主持人把开关断开时，电路又被清零。2.2 总电路框图图 2-2总电路框图根据总的电路框图来设计和制作该数字抢答器。由框图可以把该数字抢答器分为四个单元：抢答电路，计时电路，显示电路和报警电路。下面依次对各个单元进行设计和制作。第三章 单元电路的

10、设计3.1 抢答电路此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 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，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于"清除"端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端 0，使之处于工作状态。当开关S 置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手

11、将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR 1，使74LS148 优先编码工作标志端，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR1，使优先编码工作标志端1， 5 所以74LS148 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。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S 开关重

12、新置“清除”然后再进行下一轮抢答。原理图如下：图 3-1 抢答电路模块原理图RS触发器功能：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，

13、因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图1-7所示。（a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图输 入输 出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX0

14、1001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101&&Q QG1G2 R SS R R S QQ R SQ置0置1保持 图 3-2 基本SR触发器表 3-1 74LS148真值表74LS148的输入端和输出端低电平有效。是输入信号，为三位二进制编码输出信号，1时，编码器禁止编码，当0时，允许编码。是技能输出端，只有在0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而的其中之一有信号时，0。各输入端的优先顺序为：级别最高，级别最低。如果0（有信号）

15、，则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。3.2计时电路原理图如下：图 3-3 计时模块原理图该部分主要由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192

16、 的预置数控制端实现预置数30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。 图 3-4 555定时器连接图由555定时器和三极管构成报警电路。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo 1.43（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无

17、人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。将连接好的555定时器的输出端接在示波器上，呈现如下符合要求的方波。图 3-5 555定时器输出波形3.3显示电路显示电路（图3-8）主要是由一个优先编码器74148，一个七段LED译码驱动器7448和一个七段LED数码显示器组成优先编码器74148的功能表在图中已经列出七段LED译码驱动器7448的功能表如图所示在显示电路中，74148的0和7输入是悬空的，只从16输入端输入信号，只要有一个信号输入，就会输出其相应的二进码，这个二进码送到7448中在7448中，D端是接地的，只从CBA三端输入，再译码输

18、出，最后在七段LED显示器中显示出来。图3-6 显示电路表3-2 七段LED译码驱动器7448功能表二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号1。显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器2。其输出是驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有74LS48、74LS47等。字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成3。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高

19、，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。图1-3是七段LED数码管的引线图和显示数字情况。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。数码管常用型号有BS201、BS202等。图1-4（a）是共阴式LED数码管的原理图，使用时，公阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动。 3.4报警电路图3-7 555定时器原理图在整个抢答器设计中，要求抢答成功后有声音提示，而且提示声持续1s，频率为1.2KHz，在设计报警电路时这里用到了555定时器。面先对555定时器作简要的介绍。

20、555定时器的原理图和功能表分别如图11和图12所示。它是由3个阻值为K欧的电阻组成的分压器，两个电压比较器C1和C2，基本RS触发器，放电BJT TD以及缓冲器G4组成.定时器的主要功能取决于比较器,比较器的输出控制RS触发器和放电TD的状态。图中Rd为复位输入端,当Rd为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出Vo为低电平。由图可知,当5脚悬空时,比较器C1和C2和比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。由表二可知：当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管TD导通，输出端Vo为低电平。当VI1

21、<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管TD截止，输出端Vo为高电平。当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。图3-8 555定时器功能表用555定时器可以组成单稳态触发器和多谐振荡电路，如图3-12所示图3-9 单稳态触发器电路图由555组成的单稳态触发器的电路图。将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器。电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。这个单稳态触发器

22、是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。5号脚悬空时，输出脉冲宽度为。5号脚接控制电压时，输出脉冲宽度公式为4： 3-1在这里,单稳触发器主要是用于控制喇叭声响的时长,这就要通过控制触发器的输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为1秒.经计算得到在单稳触发器中的各参数如下:C=0.01微法 Rp=91M欧图3-10 多谐振荡电路由555组成的多谐振荡电路可知：电阻和电容构成一个积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是，先用555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发

23、器改接成多谐振荡器。与555定时器内部的放电管构成了一个反相器5。逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。我们看到，电阻和电容构成了积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接积分电路的输入端，积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。多谐振荡器用在报警电路中,主要是用于控制喇叭声响频率.这里要求为1.2KHz.在方案一中,还用到了多谐振荡器来产生CP脉冲.经计算得到多谐振荡器各参数如下6：R1=0.6K欧 R2=2.4K欧C1=0.22微法C2=0.01微法报警电路主要就是由以上

24、所介绍的一个单稳触发器，一个多谐振荡器，再加一个扬声器组成的.其组成原理图如图3-14所示：图3-11 报警电路原理图由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时，第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平，处于稳定状态，这时，右边的多谐振荡器的复位输入为低电平，所以其输出也为低电平，扬声器不发音。当信号输入为低电平时，单稳态触发器被触发，处于暂稳态，此时其输出为高电平，输入到多谐振荡器的复位端，多谐振荡工作，输出为频率为1.2KHz的脉冲波形。这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响。第四章 电路的仿真4.1 抢答电路第2路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下图

25、：图 4-1 抢答电路仿真结果当有选手抢答成功后，电路把该选手的号码锁存，有其他选手在抢答时无效。然后根据编码器把抢答到的选手的号码经过译码后显示出来，同时倒计时电路开始工作直到主持人按下清零开关之后才能开始下一轮的抢答。4.2 倒计时电路倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下图：图 4-2 倒计时电路仿真结果计时器个位减到0时，BO1出现一个下跳；计时器十位减到0时，BO2出现一个下跳。接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（07）

26、，倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。第五章 心得体会这次课程设计的电路虽然是比较复杂的。以前在模电、数电、Protel课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。第一次接触multisim软件，感觉它比Protel更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当繁琐，有时花很长时间设计出来的电路

27、还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我应在设计前做好充分的准备，如查找详细的资料，为我设计的成功打下坚实的基础。 设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。 实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体，所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）。针对以上几个问题我作出了以下的对策：对软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使