抢答器--数电设计报告(很详细完整的报告)

1、1 四人智力竞赛抢答器一、设计内容及要求1、设计内容设计一台供 4 名选手参加比赛的数字抢答器。2、设计要求（1）抢答器同时供 4 名选手比赛，分别用4 个按钮 s0 s3 表示。（2）设置一个复位和抢答控制开关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 led数码管上显示， 同时扬声器发出报警声响提示。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）抢答器具有定时抢答功能。当主持人启动“开始”键后，定时器进行倒计时，同时扬声器发出短暂的声响。（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

2、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。（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0。二、抢答器设计方案1、设计方案抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用led数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用led数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。 而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定 9 秒，报警响声持续 1 秒。接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时

3、间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。 定时器倒计时， 扬声器给出声响提示。 选手在定时时间内抢答时， 抢答器完成： 优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。2、系统框图当主持人宣布开始， 定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱， 最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。

4、然后在译码器中译码， 将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时， 则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图 1. 3、方案比较方案 1：采用 cd4511芯片来作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。2 方案 2：采用 d触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件 multisim来进行仿真调试，再进行逐步改进。图 1 系统框图三、

5、单元电路设计及元器件选择1、抢答电路电路如图 2 所示。该电路完成两个功能： 一是分辨出选手按键的先后，并锁定 74ls175的功能真值表即优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。图 2 抢答电路其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，d触发器的清零端为低电平，使 d触发器被强制清零， 输入的抢答信号无效。 当主持人将开关拨到“开抢答按钮触发器锁存电路译码电路主 持 人 控制开关控制电路报警电路秒 脉 冲 产生电路定时电路译码电路显示电路显示电路3 始”时， d触发器 q非端前一状态为高电平，四个q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信

6、号与在一起给d触发器的脉冲端， 当没人抢答时， 抢答信号为低电平，与门u11输出端为低电平给d触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和u2的输出信号和借位信号与在一起，使得u11输出端为高电平给 d触发器，于是 d触发器就有一个上升沿， 使得抢答信号经d触发器触发锁存再经过译码器74ls48 译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后， d触发器的 q非前一状态为低电平，与在一起后给与门u11,使得 u11的输出端为低电平给d触发器， 则 d触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。 当选手回

7、答完毕， 主持人控制开关 s是抢答电路复位， 以便进行下一轮抢答。2、定时电路节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图 3。 定时 9 秒， 把 74ls192 对应的 9，10，1，15 四个端子预置为“ 1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路 555 提供。当复位开关按下时，给74ls192 一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平， 从而实现倒计时的停止。 再按复位键时，再一次倒计时。图 3 定时电路3、报警电路由 74ls121 和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有74ls121 ，因此用功能相

8、同的 monostable virtual （后文简称 a1）来代替仿真，如图4所示。其中 a1的脉冲输入端是由复位信号和q非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其4 中一个信号为低电平时， 使得 a1得到一个下降沿脉冲， 从而使 a1的 q端输出一个宽度为一秒的高电平， 那么蜂鸣器就会响一秒。 反之，电路停振，蜂鸣器不响。图 4 报警电路4、时序控制电路时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：（1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声， 抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。图 5 抢答与定时时序控制电路5 （2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时

9、电路停止工作。（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5 所示。图 5 中，u2与门 74ls21 作为抢答的控制信号； u12与门 74ls11 和 u13与门74ls21 的作用是控制时钟信号cp的放行与禁止；u11与门 74ls11 的作用是控制74ls175的输人脉端， u10的作用是控制 74ls121 的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74ls175的输出 q！=1，u2输出为 1，借位信号为 1，则 u12输出为 1，使 u13输出为 1，则时钟信号 cp能

10、够加到 74ls192的时钟输入端， 定时电路进行递减计时。 同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为1，u11和 u13的输出为 1，使 74ls175 和 74ls192处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时， q！0，u2输出为 0，封锁 cp 信号，则 u12输出为 0，使 u13输出为 0，定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,u11 的输出为 1 使 d触发器触发而输出信号，也使 u10输出为 0，给了 74ls121 一个上升沿，使 74ls121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号

11、”为0，u10输出为 0，有给了 74ls121 一个下降沿，使74ls121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行抢答。同时，u13输出为 0，封锁 cp 信号，使定时电路保持0 状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74ls121用于控制报警电路及发声的时间。5、元器件列表表 1 序号器件名称数量备注1 74ls175 1 d触发器2 74ls192 1 同步减法计数器3 555定时器1 连接成多谐振荡与秒时钟脉冲4 74ls21 1 四脚与门5 74ls11 1 三脚门6 74ls48 2 译码器7 74ls121 1 单稳态振荡器8 开关按纽 s 5 9 扬声器

12、1 10 bcd 七段显示器2 共阴极11 电容3 12 电阻9 13 二极管6 6 四、4 路抢答器总电路图图 6 总电路图7 电路实图：图 7 电路板正面图 8 电路板反面8 五、成品调试把电路焊好后， 首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现有几个管脚没接， 于是细心地接上。 然后用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路， 但没发现有虚焊等问题。 下一步就接通电源调试， 但电路完全没反应，然后用电源逐个模块进行检查，发现有些管脚还没接上， 于是在对照电路图细心地检查，改进后再进行接电调试，先测试脉冲的输出，正常，如图9 和图10。但下一步发现倒计时是从“6”开始，然后查找

13、74ls192 的相关资料才知道其输出端不只是数字 “9” 才有 “1001” 出现，在 “6” 的时候也是这样 （我把“1001”两边的“ 1”用或门或在一起作为反馈信号），所以修改电路图把74ls192 的反馈信号改接到其借位信号输出端， 再进行调试，这次欣喜地发现功能已经实现了，最后完善一下电路，宣告成品大功告成。图 9 555输出脉冲图 1074ls121输出脉冲六、设计过程中的问题和解决办法（1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过 d触发器的输出信号来反馈回d触发器的脉冲端来进行锁存。（2）在仿真时遇到了555 不能仿真和没仿真元件74ls121 的问

14、题。通过翻阅书本了解 555 如何准确使用和上网搜索74ls121 的代替元件来解决。（3）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。 例如数码管的接地端没接地、 74ls192 的 clr脚没接地等等。七、设计成品的优点与不足优点：元器件较少，功能满足要求不足：（1）在设计时，用了d触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下s0和 s1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“ 3”，而按 s2时也会显示“ 3”，所以显示“ 3”的几率大一点，但几率很小。改良：可改用编码器和锁存器来代替d触发器。（2）电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。八、心得体会这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74ls121 、74ls48 、74ls192 等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设