智力竞赛抢答器逻辑电路设计方案

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，至恫寸要告警，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，则该组指示灯亮并组

2、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TTL或CMOS集成电

3、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。/减计分。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 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 （用数码管显示）。回答问题的时间应可 调整，分别为

4、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3.1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

5、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(Il_ITV 0:I ID CP P0LQD CP POLQD 00DD 11DD 10D 11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低时，将使输出

6、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CP= 1时CD4042进行数据传输，当输入的CP =

7、 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。-J1 A- - ，:Key * A ; JQA Tf.厂廷 = BJ3A - 1 akc：RS ：4 ：1

8、 OkR :_. . RZ .i匚业口:R17 ：:AAAioon:LEC1 :艺、科、二山；工4AA/V1 DuD Pf : RS ： ,LX/vV:讣口 1亠 B -3 ET4+HR11 . -VsAz ioon:LED4 :I马刃、图3-8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

9、路设计中。与普通的门电路相 比门电路具有电路结构简单、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CD4011、CD4012的逻辑图和实现的功能如下表 3 1名称逻辑图实现的功能CD40114二输入与非门（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

10、为高电平时，贝U输出端之电位降低。表 3 1CD4011、CD4012 的逻辑图系统电路工作过程如图（3 3）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；Q1 Q4、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。J1A J4A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P0L6脚接高电平时，D触发器的输出状态由输入时钟脉冲的极性决定，即CP=1时，传输数据，CP=0时锁存数据。当Q1 Q4没有按下时，CD4042的个输入端D

11、1D4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，Q1 Q4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U5A CD4011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D仁0 , Q仁0，使得U2A4042 输出为高电平，U5A CD4011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Q

12、仁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同。（5 ）总电路仿真分析Rifr-AW 的.LECHU5A 4012E18仰;.R AAVLJk*7*D10VIMCU2ATO2H171147 nFBUZZFH200 Hi

13、R12ZilP 10VA13*VAr100；.IAAr 附期_|o（；_rAAV- WkLHU1LJS盘gbEI AnnLEDtLEDZUSS1011CM10V40110V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

14、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

15、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 关闭合后后，LED1亮，说明CD4042