四人抢答器课程分析方案作业

1、河南城建学院电子技术基础课程设计报告抢答器电路设计姓名： 李雲鹏学号： 091213126 专业班级： 0912131 指导老师：侯宁 /贺伟 所在院系：电气与信息工程学院2018年 6月 20日目录摘要 2一、设计任务与要求 31、设计任务 32、设计要求 3二、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计 42.1 设计方案 42.2 系统框图 42.3 方案比较 4三、单元电路设计及元器件选择 53.1 抢答电路 53.2 定时电路 63.3 复位电路 73.4 报警电路 73.5 时序控制电路 73.6 译码器电路和数码管显示电路的设计 93.7 元器件列表 103.8 四路抢答器总电路图 11四

2、、电路仿真及 PCB制作 12五、设计过程中的问题和解决办法优点与不足 13六、心得体会 14 参考文献 15摘要随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合要求有快速公正的竞争裁决，例如 证券、股票交易以及各种智力竞赛等。在现代社会生活中，智力竞赛更是作为一种生动活 泼的教育形式和方法能够引起观众极大地兴趣。而在竞赛中往往分为几组参加，这是针对 主持人提出的问题，各组一般要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，倒是有声响提 示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。 本文介绍了 一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。数字抢答器有主体电路与扩展电

3、路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组 的输入信号在显示器上输出；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。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手安东强大按钮，编号立 即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁 止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。设计了一个四人抢答器控制电路，该电路具有计时起点与抢答命令同步， 计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废；主持人 发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别， 并封锁其他各组的抢答信号；用扬声器提示第

4、一抢答者产生；用发光二极管指 指示第一抢答者等特点 功能）。其中，抢答电路用 4D 触发器 74LS175），二 输入四与非门 74LS00，四输入双与门 74LS21）,555 定时器实现；报警电路用 上拉电阻，发光二极管和蜂鸣器组合来实现；显示电路用七段共阳极数码管和 译码器74LS47）来实 现； 时钟电路 用 555 定时器和十进制加 减计 数器 74LS192）来实现。利用 Multisim 10 对设计的电路进行仿真，可以得到设计 要求的结果。关键词： 四人抢答器；抢答信号；声光报警；定时电路一、设计任务与要求1、设计任务用数字显示抢答倒计设计一台可供 4 名选手参加比赛的智力竞赛

5、抢答器。时间，由“ 9”倒计到“ 0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响 1 秒。选手抢答时， 数码显示选手组号，同时蜂鸣器响 1 秒，倒计时停止。2、设计要求（14 名选手编号为： 1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手 的编号对应，也分别为 1，2， 3， 4。（2给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。（3抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答 按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出 音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持 到主持人将系统清零为止。（4抢答器具有定时

6、9 秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时 器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声 器响，音响持续 1 秒。参赛选手在设定时间 9 秒）内抢答有效，抢答成功，扬 声器响，音响持续 1 秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编 号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。（5如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器 报警音响持续 1 秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示 器显示 0。（6可用石英晶体振荡器或者 555 定时器产生频率为 1Hz的脉冲信号，作 为定时计数器的 CP 信号。二、四人

7、智力竞赛抢答器电路原理及设计2.1、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，

8、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。2.2 、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。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

9、。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.图 1 系统框2.3 方案比较方案 1：采用 CD4511芯片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。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。三. 单元电路设计及元器件选择3.1 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

10、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 U1

11、1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。3.2 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

12、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，再次倒计时图 3 定时电路它基本原理是，由于电容 C 的两端的电压不能突变，定时器的 2 端电压低 触发端为低电平，输出端 3 为高电平。电源经过 R1、R2给电容 C 充电，当电容的 电压充到电源电压的 2/3 时，555 内部的 MOS管导通，输出为低电平。接着电 容通过 R2 和已经导通

13、的 MOS管放电，当电容的两端电压下降到低于 1/3 的电源 电压时， MOS管截止电容放电停止，此时电源通过 R1、R2 再次向电容充电，如此 反复，形成震荡，从而在 3 端得到时钟脉冲源输出。3.3 复位电路JK 边沿触发器。将两个的输出端通过异或非门作为输入，送到 JK 触发器 的时钟信号端 CLK ，因为如果计时器一旦输出“ 00”，异或非门的输出刚好为 1，而触发器的 CLK 从 0到 1，接收到一次上升沿的时钟信号，因而 JK 触发器 此时 Q 输出为 1，再把 Q 送到两个芯片的 MR 端，此时芯片就不再处于计数状 态，因而可以做出来到“ 00”停止计时的效果。3.4 报警电路由

14、 74ls121 和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有 74ls121 ，因此用功 能相同的 MONOSTABLE VIRTU后AL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3.5 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。

15、图 5 抢答与定时时序控制电路2、当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。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

16、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

17、 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”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。3.6 译码器电路和数码管显示电路的设计 抢答部分和倒计时部分的译码器均采用 74ls48 芯片，而数码管则选择与之 相对应的 7 段共阴数码管搭配，为避

18、免电流过小，可在译码器与数码管间接上 拉电阻以增大电流，上拉电阻选用 1k的 9针排阻。译码器电路和数码管显示电 路设计如下ItemInputsOutputsRBIDCBAabcdefgLPLHIPHL4.5VGNDGNDGNDINOUT-OUTOUTOUT-4.5VGNDGND4.5VIN-OUT-OUT-4.5VGND4.5V4.5VINOUTOUT-OUTOUTOUTOUTINGNDGNDGNDGNDOUTOUTOUTOUTOUTOUT3.7 元器件列表表1序号器件名称数量备注174LS1751D触发器274LS1921同步减法计数器3555定时器1连接成多谐振 荡与秒时钟脉 冲474L

19、S211四脚与门574LS111三脚门674LS482译码器774LS1211单稳态振荡器8开关按纽 S59扬声器110BCD七段 显示器2共阴极11电容312电阻913二极管619 / 193.8 四路抢答器总电路图图 6 总电路图四、电路仿真及 PCB制作在各单元电路设计的基础上，用 Multisim 软件把各单元电路连接起来，画 出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整 体进行仿真，验证设计的正确性。验证结果表明完全符合电路的设计要求。即 主持人开关闭合时，开始进行倒计时，当有人抢答时，对应的LED发光二极管亮，并出现相应的报警。完成总体设计的要求。1、单位采

20、用公制单位 mm) 2、电源线和地线采用 0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用 0.4mm。3、信号线采用 0.5mm。如果从两个焊盘中间穿过时用 0.4mm。4、焊盘的内径用 0.9mm。外径根据需要进行修改，一般为 X 方向 1.6 mm，Y方向 2.0mm， 或是 X方向 2.0 mm，Y 方向 1.6mm。5、过孔的大小和焊盘的设置一样。6、数码管的封装采用上下的封装形式 7、PCB板制作的大小紧凑、美观。PCB大小选用 10*15单位 CM)实际布线范围应比所选规格要小)五、设计过程中的问题和解决办法 优点与不足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

21、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。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。六、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