智力竞赛抢答器逻辑电路设计

1、智力竞赛抢答器逻辑电路设计一、抢答器的简要智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法， 通过抢答和必答两种方式能引起 参赛者和观众的极大兴趣， 并且能在极短的时间内， 使人们增加一些科学知识和生活知识。实际进行智力竞赛时，一般分为若干组，各组对主持人提出的问题，分必答和抢答 两种。必答有时间限制，到时要告警，回答问题正确与否，由主持人判别加分还是减分， 成绩评定结果要用电子装置显示。抢答时，要判定哪组优先，并予以指示和鸣叫。二、抢答器的任务与要求设计要求：每组设置一个抢答器按钮，供抢答者使用。电路具有第一抢 答信号鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若抢答者按 动抢答开关，则该组指

2、示灯亮并组别鉴别显示电路显示抢答者的组别，同时扬 声器发出“嘀 - 嘟”的双响，音响持续 2-3S。电路具备自锁功能，使别组的抢 答器开关不起作用。设计任务：本题的根本任务是准确判别第一抢答者的信号并将其锁存。实 现这功能可用触发器或锁存器等。 在得到第一信号后应该将其电路的输出封锁， 使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号必须在主持人发出 抢答命令后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。当电路形成第一抢答信号之 后， LED 显示组电路显示其组别。还可鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两 种工作频率交换变化的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出响音，表示该题 抢答有效。三、设计方案用

3、TTL 或 CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路，具体要求如下：1. 抢答组数为 4 组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。2. 判别选组电路。能迅速、准确地判处抢答者，同时能排除其它组的干扰信号，闭 锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中者有光、声显示和呜叫指示。3. 计数、显示电路。每组有三位十进制计分显示电路，能进行加 / 减计分。4. 定时及音响。必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示 灯。抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一 组的灯亮， 并发出音响。 也可以驱动组别数字显示 （用数

4、码管显示） 。回答问题的时间应可 调整，分别为 10s、20s、50s、 60s 或稍长些。4、主持人应有复位按钮。抢答和必答定时应有手动控制。抢答器电路原理框图结构图 抢答器原理框图结构框图利用锁存型 D触发器 CD4042来完成的四路抢答器。 如图 3-4 所示，触发器 CD4042与非门 CD4012等元器件组成抢答器的控制电路， Q1-Q4,LED1LED4等元 器件组成显示电路，与非门 CD4011等元器件组成声音提示电路， SA1SA4组 成抢答按钮， S5A复位按钮，触发器 CD4042是电路的核心元件。当 6 脚输出高 电平时，触发器 CD4042的输出状态由输入的时钟脉冲的的

5、高的电平来决定， CP=O时锁存数据， CP=1时传输数据。三、各单元电路设计（1）控制电路的设计控制电路是由锁存型的 D 触发器 CD4042和与非门 CD4012等组成（如图 3 8）； CD4042含有四组具有共同单位控制储存指挥输入 . 控制极性是可以选择 的。如 POL输入为低电平电位及 STORE输入亦为低电平 ,送至 D输入之数据将在 其个别真的及互补的输出端出现当 STORE输入电位升高 , 在此输入之数据于正过度时即储存于内部并以真值形式出现 Q 输出端及其互补出现于 Q 输出端； CD4012为双 4 输入端与非门两组正逻辑皆可单独使用。当任一闸之一或一个以 上之输入端电位

6、低时，将使输出端电位升高。如四个输入端皆为高电平时，则 输出端之电位降低。 A 系列元件会产生极坏之一面倒的反应。可使用 B 系列元 件，但非临界之应用。在没有任何电平输入时， CD4042的 4 个输入端经过电阻 上拉为高电平， 根据其功能表可知其四个 Q输出端为高电平， Q 输出端为低电 平 LED不显示， 此时与非门 CD4012输出为低电平使多谐振荡电路停振， 从而控 制整个电路处于稳定状态。反之，当 CD4042输入高电平时，其输出端 Q与Q 分 别输出低电平和高电平， CD4012输出低电平使多谐振荡电路起振，从而控制整 个电路进行正常的工作。控制电路是整个电路的核心部分，当输入的

7、CP 1 时CD4042进行数据传输，当输入的 CP 0 时 CD4042进行数据所存（判别第一个 抢答者的信号）。 CD4042的好坏，决定了整个电路的整体性能。 、 上图是集成 D锁存器 CD4042的逻辑图和功能表。芯片中含有 4个 D锁存器单元， 共用一个时钟脉冲， CP为时钟端， POL为极性控制信号。 CD4042功能见图，它 的功能为：当极性控制信号 POL=0 时，若 CP=0 触发器接收 D 信号，并在 CP上 升沿到来时，锁存 D信号， CP=1期间自锁 D信号；当 POL=1时，则 CP=1时， 触发接收 D信号， CP下降沿到来时锁存 D信号， CP=0 期间自锁。图

8、3-6 控制电路（2）声响电路的设计声响电路用一个音频振荡器去推动一个扬声器 （ 蜂鸣器 ） 工作即可。为求电路 简单, 声响电路所示一般声响电路都由集成音乐芯片或简单的分立元件构成。图 3-7 声响电路电路 本声响电路的设计主要采用多谐振荡器和 Q1等元件组成（如图 3 9）；当 CD4012在输出低电平时多谐振荡电路不工作；声响提示电路处于稳定状态（不 工作）。当 CD4012在输出高电平时多谐振荡电路起振；驱动三极管工作从而带 动扬声器发出声音。 声响提示电路处于工作状态） 。当有信号从振荡电路输出时， 电流经 R15形成一电压压降在 Q1的基极，此时 Q1导通, 电流从 VCC经蜂鸣器

9、到 地，从而蜂鸣器发声。该装置中，直流电源提供 12V 电压，足够驱动蜂鸣器发 声，所以不需要接入 74LS244驱动。（3）显示电路显示电路一般由 LED 为发光二极管或数码显示器来实现，由于数码显示电 路一般都需要显示驱动电路来实现比较复杂。而 LED为发光二极管主要加上适 当的正向电压，该管即可发光， LED 内接法有两种：即共阳极和共阴极接法， 要使其对方的发光二极管发光，前种接法使其相应的极为低电平，后种接法使 其相应极为高电平。半导体二极管的优点是体积小、工作可靠、寿命长、响应 速度快、颜色丰富、缺点是功耗较大。在本电路的设计中主要采用 Q1-Q4 和 LED1LED5 等元器件组

10、成显示电路 （如图 310），用来显示抢答者的组别。 CD4042的Q 端输出低电平时 LED不发 光。CD4042 的 Q输出高电平时 LED发光,显示抢答者的组别。图 38 显示电路（4）门控多谐振荡电路多谐振荡器是一种无稳态电路 ,它在接通电源后不需要外加触发信号 , 电路 状态能够自动地不断变换 , 产生矩形波的输出 . 由于矩形波中的谐波分量很多 , 因此这种振荡器冠以”多谐”二字。在数字电路设计中常常使用 555 多谐振荡 电路、施密特振荡电路或者由简单的门电路来实现，由于555 多谐振荡电路、施密特振荡电路应用于对于电路精度要比较高的电路设计中。与普通的门电路 相比门电路具有电路

11、结构简单、成本低 、实现容易的特点。而在本电路的设计 中门控多谐振荡电路由 CD4011门电路和 R14、 C1等组成。它主要用来驱动 Q5 使扬声器发出声音。开关按下与非门输出高电平，门控多谐振荡器起振。扬声 器发声。门控多谐振荡器频率由 R14、C1来决定，振荡器频率约为 800HZ。CD4011 、 CD4012 的逻辑图和实现的功能如下表 31名称逻辑图实现的功能CD4011 4 二输 入与非 门（1/4 ）所有这四组正逻辑反和闸皆可单独使用之。当任一闸之间或两输入端电位低 时，则输出端之电位升高；两输入 端同时电位高时，输出端之电位降低。CD4012 双4输 入与非 门（1/2 ）当

12、任一闸之一或一个以上 之输入端电位低时，将使输出 端电位升高。如四个输入端皆 为高电平时，则输出端之电位 降低。表 3 1 CD4011 、 CD4012 的逻辑图系统电路工作过程如图（ 33）所示抢答器由控制电路、显示电路和声音提示电路3 部分组成。锁存型 D触发器 CD4042、与非门 IC2-1CD4042等元器件组成抢答控制电路； Q1Q4、LED1LED4等元器件组成显示电路；与非门 IC3CD4011等元器件组成 声音提示电路。 J1AJ4A 是抢答按钮，J5A位按钮。四位锁存器 D触发器 CD4042 是整个电路的核心器件，当 POL6脚接高电平时， D 触发器的输出状态由输入时

13、 钟脉冲的极性决定，即 CP=1时，传输数据， CP=0时锁存数据。当 Q1Q4 没有按下时， CD4042的个输入端 D1D4经过电阻 R1R4上拉为高电 平，因此其输出端 Q1Q4均输出高电平， Q1-Q4 输出为低电平， Q1Q4均截 止，发光二极管 LED1LED4均不亮。此时与非门 IC2-1CD4012输出低电平，由 U4A、U6A CD4011等元器件组成的门控多谐振荡器处于停振状态，提示音电路 不工作。同时与非门 U3ACD4042输出低电平，使得 U5AC D4011输出高电平，即 CP=1，D 触发器处于数据传输状态。假如 SA1被按下，此时 D1=0，Q1=0，使得 U2

14、A4042输出为高电平 ，U5AC D4011为低电平，即 CP=0，D触发器转入锁存状 态，再按下其他按钮，电路不再响应。同时 CD4042的Q1=1，VY1接通， LED1 点亮，显示第一路抢答。在按下 S1A的同时，与非门 U3A输出高电平，门控多谐振荡器起振，由 Q5 驱动扬声器发出提示音。门控振荡器的振荡频率由 R14、 C1 的参数决定，振荡 频率约为 800HZ。SA5是复位按钮，按下 J5A，可使与非门 U5A CD4011的一个输入端置零， 其输出变为高电平，即 CP=1，电路又回到 Q1Q4=，1 Q1Q4=0的初始状态，为 下一轮抢答做好准备，其他 3 路的工作原理与之相

15、同。（5）总电路仿真分析四、电路的安装与调试数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安装调试。这一步是对设计内 容的检验，也是设计修改的实践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。安装 调试的目标是使设计电路满足设计的功能和性能指标，并且具有系统要求的可靠性、稳定 性、抗干扰能力。这里简要叙述安装调试数字电路的几个步骤。（1） 检测电路元件 最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或 用替代方法接入已知的电路中。集成电路的检测仪器主要用集成电路测试仪，还可用数字 电压表作简易测量。实验电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。替代法测试必须 具备已有的完好工作

16、电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况。除集成电路芯片外， 还应检测各种准备接入的其他各种元件， 如三极管、电阻、电容、 开关、指示灯、数码管等。应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。（2） 电路安装 数字电路系统在设计调试中，往往是先用面包板进行试装，只有试装成功，经 调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路。试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度。安装中 的问题往往集中在接插线的可靠性上，特别需要引起注意。安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系统、边安装边测试的原则进行。 先安装调试单元电路或子系统，在确定各单元电路或子系统成功的基

17、础上，逐步扩大电路 的规模。各单元电路的信号连接线最好有标记，如用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。3） 系统调试系统调试试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入信号进行调试，发现 问题则先对故障进行定位，找出问题所在的单元电路。一般采用故障现象估测法（根据故 障情况估计问题所在位置） 、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分， 逐一查找）、 对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对换位置）等。系统测试一般分静态测试和动态测试。静态测试时，在各输入端加入不同电平值，加 高电平（一般接 1 千欧以上电阻到电源） 、低电平（一般接地）后，用数字万用表测量电路 各主要点的电位， 分析是否满足设计要求。 动态测试时， 在各输入端接入规定的脉冲信号， 用示波器观察各点的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时。除了调试电路的正常工作状态外，另外特别要注意调试初始状态、系统清零、预置等 功能，检查相应的开关、按键、拨盘是否可靠，手感是否正常。五、总结与体会1、结果分析：当在主持人将开关 S5A 清零宣布抢答开始命令后， S1A、S2A、S3A先后将开关 闭