广工数电专业课程设计四人抢答器.doc

目录
一、设计目 2
二、设计任务与规定 2
1、设计任务 2
2、设计规定 2
三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计 3
1、设计方案 3
2、系统框图 3
3、方案比较 4
方案1 4
方案2: 4
方案3： 4
4、单元电路设计及元器件选取 4
（1）抢答电路 4
（2）定期电路 7
（3）报警电路 9
（4）时序控制电路 10
（5）元器件列表 12
5、四路抢答器总电路图 13
四、设计过程中问题和解决办法 13
五、设计成品长处与局限性 14
六、心得体会 14
七、实物图 15
1、正面 15
2、反面 16

四人智力竞赛抢答器
一、设计目
1.掌握四人智力竞赛抢答器电路设计、组装与调试办法。
2.熟悉数字集成电路设计和用法。
二、设计任务与规定
1、设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛智力竞赛抢答器。 用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器持续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同步蜂鸣器响1秒，倒计时停止。
2、设计规定
(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一种抢答按钮，按钮编号与选手编号相应，也分别为1，2，3，4。
(2)给主持人设立一种控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答开始。
(3)抢答器具备数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号及时锁存，并在抢答显示屏上显示该编号，同步扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其她选手抢答。抢答选手编号始终保持到主持人将系统清零为止。
(4)抢答器具备定期（9秒）抢答功能。当主持人按下开始按钮后，定期器开始倒计时，定期显示屏显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定期间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同步定期器停止倒计时，抢答显示屏上显示选手编号，定期显示屏上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
(5)如果抢答定期已到，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，时间显示屏显示0。
(6)可用石英晶体振荡器或者555定期器产生频率为1Hz脉冲信号，作为定期计数器CP信号。
三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计
1、设计方案
抢答器具备锁存、定期、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答，按动按钮，锁存器锁存相应选手编码，同步用LED数码管把选手编码显示出来，并且暂停抢答时间倒计时，同步用LED数码管把选手所剩抢答时间显示出来。
在选手按键抢答成功后或者抢答时间倒计时为零时候均有1秒钟报警以提示主持人和选手。抢答有效时间设定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，抢答器处在禁止状态，编号显示屏显示“0”，定期器显示设定期间“9”；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”，抢答器工作，定期器倒计时。选手在定期时间内抢答时，抢答器完毕该功能：优先判断、编号锁存、编号显示、倒计时锁定、扬声器提示。倒计时电路数码管显示剩余时间，另一种数码管显示选手编号。
如果在抢答时间内没有选手抢答，则倒计时电路数码管显示数字“0”，另一数码管也显示“0”，即1至4号选手都没有抢答。同步音响电路给出1秒音响提示。
当一轮抢答之后，定期器停止、禁止二次抢答、定期器显示剩余时间。如果再次抢答必要由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。
2、系统框图
当主持人宣布开始，定期电路开始秒脉冲电路作用而进行倒记时，并通过译码器在显示屏中显示。
当选手一方面按某一开核心时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应开关电平信息，同步为防止其他开关随后触发而产生紊乱，最先产生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，将触发器输出数据转换为数码管需要逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手号码。
若有各种开关同步按下时，则在它们之间存在着随机竞争问题，成果也许是它们中任一种产生有效输出。
如图1：

扬声器
数码显示
脉冲电路
倒计时器
译码器
数码显示
扬声器
锁存器
编码转换电路
译码器
主持人
选手

图1系统框图
3、方案比较
方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号触发、锁存和译码输出，用74ls190完毕倒计时电路，用一种555产生时钟信号提供应抢答电路，再接一种分频器，把分频后时钟信号接给倒计时电路。
分析：用CD4511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4D触发器74ls175和译码器来完毕抢答某些.用74ls190完毕倒计时电路功能，用晶振产生脉冲，经分频电路，接到抢答电路和倒计时电路。
分析：74ls190为单时钟计数器，并且没有异步清零端。用晶振产生脉冲更加精准，但是本设计不需要很精准时钟秒冲信号，并且用到晶振要通过两次不同分频，需要额外两块芯片进行分频，增长成本。
方案3：采用4D触发器74ls175和译码器来完毕抢答某些.用74ls192完毕倒计时电路功能，用两个555产生脉冲。
分析：用两个555产生时钟信号，可以单独设立每个时钟频率，并且可以避免由一种时钟分频到抢答电路和倒计时电路时产生跳线问题。所用元件也不是诸多，并且可以完美实现题目功能规定。
通过对比3个方案优缺陷，决定采用成本较低、跳线少、功能易实现方案3。然后运用软件multism来进行仿真调试，再进行逐渐改进。

4、单元电路设计及元器件选取
（1）抢答电路
电路如图2所示。
该电路完毕两个功能：一、是辨别出选手按键先后，并锁定。74LS175四个输出端Q1、Q2、Q3、Q4分别表达选手1、2、3、4编号，通过74LS32或门后连接到74LS47A、B、C输入端，完毕编码过程，同步译码显示电路74LS47让数码管显示选手编号；二、是要通过先抢答选手输出电平信号使其她选手随后按键操作无效。

图2 抢答电路

该电路工作原理为：当主持人控制开关处在“清除”时，D触发器清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入抢答信号无效。
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非端通过与门U9B为高电平，再和555脉冲信号信号和借位信号通过与门U9A仍为高电平，再送到D触发器脉冲端。
当没人抢答时，Q1、Q2、Q3、Q4都为低电平，Q1非、Q2非、Q3非、Q4非都为高电平。与门U9B输出端为高电平，和555方波脉冲信号相与仍为脉冲信号，送给D触发器脉冲端。
当一有人抢答时（例如一号选手），D1输入端为高电平，该信号在时钟输入脉冲信号上升沿到来时进入锁存器，然后该选手编号通过74LS32和47LS47显示在数码管中。同步Q1非输出为低电平，通过与门U9B后仍为低电平，通过与门U9A后使锁存器74LS175脉冲输入端保持低电平，封锁了四个输入端输入，同步保持了输出端电平信号不变。这样不但使得其她选手按键输入信号不会被接受，并且抢答成功一号选手编号也被保存下来，直到主持人“清零”。这就保证了抢答者优先性及抢答电路精确性。
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。

四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统，编码作用是把锁存器输出转化成8421BCD码，进而送给7段显示译码器。其真值表a：
表a锁存编码真值表
锁存器输出
编码器输入
Q4
Q3
Q2
Q1
D
C
B
A
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
由该表可以看出，747LS175不能直接与74LS47连接，由于Q3=1时，相应编码器输入A=1，B=1。这时就通过二输入或门74LS32使锁存、编码一一相应（如图2）。编码器D输入端不需要，接地使其为0。

74LS175 逻辑引脚图与功能表 如下：

图1-6 74LS175逻辑引脚图

74LS175是一种单向上升沿触发四D 触发器、互补输出，有公用时钟和公用清零。时钟触发产生于特定电压电平上，同脉冲正跃变时间无直接关系。当CLK引脚输入上升沿时，1D-4D被锁存到输出端（1Q-4Q）。不论时钟输入电平是高或是低，D 输入信号不影响输出。清零端CLR为低电平有效，即该引脚接低电平后，四个输入信号无效，四个输出为为低电平。只有CLR接高电平时，74LS175才干正常工作。

表b 74LS175功能表
备注：RD即仿真图中CLR，CP即仿真图中CLK。
锁存电路脉冲信号：由555产生140HZ脉冲信号，为74LS175CLK端提供方波脉冲，使其能正常工作。

（2）定期电路
如图3。
定期9秒，把74LS192相应9，10，1，15四个端子预置为“1001”。当复位开关按下时，给74ls192一种低电平，从而开始倒计时，每来一种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输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时停止。再按复位键时，再一次倒计时。

图3 定期电路

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具备双时钟输入，并具备清除和置数等功能。LOAD为预置数端，低电平时把输入端置成预置数；CLR为清零端；UP为加计数端；DOWN为减计数端；BO为借位输出（低电平输出）；CO为进位输出端（低电平输出）。

计数器时钟脉冲：由秒脉冲电路555提供，其脉冲频率为1HZ,即1秒变化一种周期。
它基本原理是，由于电容C两端电压不能突变，定期器2端电压低触发端为低电平，输出端3为高电平。电源通过R1、R2给电容C充电，当电容电压充到电源电压2/3时，555内部MOS管导通，输出为低电平。接着电容通过R2和已经导通MOS管放电，当电容两端电压下降到低于1/3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，如此重复，形成震荡，从而在3端得届时钟脉冲源输出。

图 4 信号发生电路
555产生脉冲信号周期计算公式：T=0.69*(R1+R2)* C

（3）报警电路
由74ls121和蜂鸣器构成报警电路，但仿真中没有74ls121，因而用功能相似MONOSTABLE VIRTUAL（后文简称A1）来代替仿真，如图4所示。其中A1脉冲输入端是由复位信号和Q非与信号和借位信号与在一起来提供。当其中一种信号为低电平时，使得A1得到一种下降沿脉冲，从而使A1Q端输出一种宽度为一秒高电平，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

74ls121为不可重复单稳态触发器，一旦被触发进入暂稳态后来，再加入触发脉冲不会影响电路工作过程，必要在暂稳态结束后来，它才接受下一种触发脉冲而转入暂稳态。输出脉冲宽度由Rext和Cext大小决定。蜂鸣器音响为1秒，由公式tw=0.69 * Rext * Cext，设立74LS121外接电阻和外接电容值。

蜂鸣器：有绿色电路板一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭一种是有源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带震荡源，因此只要一通电就会叫而无源内部不带震荡源，因此如果用直流信号无法令其鸣叫。必要用2K-5K方波去驱动它。
此外，为了加大蜂鸣器音量，用一种三极管驱动它。三极管接成共集电极输出形式，电压跟随，增大电流。

（4）时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计核心，它要完毕如下三项功能：
1） 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定期电路进入正常抢答工作状态。
2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定期电路停止工作。
3）当设定抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同步抢答电路和定期电路停止工作。

图5 抢答与定期时序控制电路

依照上面功能规定，设计时序控制电路如图5所示。
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输出 Q！=1，U9B输出为1，借位信号为1，使U10A输出为1，则时钟信号CP可以加到74LS192时钟输入端，定期电路进行递减计时。同步，在定期时间未届时，则74ls192借位信号为1，U9A和U10A输出为1，使 74LS175和74ls192处在正常工作状态，从而实现功能（1）规定。当选手在定期时间内按动抢答键时，Q！＝0，U9B输出为0，封锁 CP信号，则U10A输出为0，定期器停止倒计时处在保持工作状态；同步,U9A输出为0，使74ls175锁存 。也使U10B输出为0，给了74ls121一种下降沿，使74LS121处在工作状态，给蜂鸣器一种一秒高电平，从而实现功能（2）规定。当定期时间届时，则74ls192借位信号为0，U10B输出为0，有给了74ls121一种下降沿，使 74LS121处在工作状态给蜂鸣器一种一秒高电平。同步U9A输出也为0，使74ls175锁存，禁止选手进行抢答。同步，U10A输出为0，封锁 CP信号，使定期电路保持0状态不变，从而实现功能（3）规定。

（5）元器件列表
表1
序号
器件名称
数量
备注
1
74LS175
1
4D触发器
2
74LS192
1
同步减法计数器
3
555定期器
2
连接成多谐振荡与秒时钟脉冲
4
74LS21
1
四输入与门
5
74LS11
2
三输入与门
6
74LS47
2
译码器
7
74LS121
1
单稳态振荡器
8
74LS32
1
二输入或门
9
单刀双掷开关
1
总开关
10
有源蜂鸣器
1

11
BCD七段显示屏
2
共阳极
12
电容
0.01μF 2个
10μF 2个
0.1μF 1个

13
电阻
510Ω 8个
10kΩ 2个
100kΩ 1个
150kΩ 1个
48kΩ 2个

14
复位开关
4个
用于选手抢答
15
三极管s8050
1个

5、四路抢答器总电路图

图6 总电路图
四、设计过程中问题和解决办法
（1）在用面包板测试电路功能时，刚开始发现蜂鸣器完全不响，然后上网找了几种74ls121连接电路，发现还是不行。然后就查看数电数，懂得如何连接了。但是蜂鸣器声音太小了，于是又采用三极管来放大电流。终于使它发出1秒响亮声音。
（2）在焊接电路过程中，尽管已经画了元件分布草图，但是依然有焊接错漏，日后仔细检查了一番，把一种没接地接上，把一种焊错改过来了。
（3）当焊完电路调试时，最大问题浮现了，抢答信号不能锁存，于是我花了好几天时间去解决这个问题。最后我把之前用于抢答单刀双掷开关换成了复位开关，就成功了。
五、设计成品长处与局限性
长处：跳线少，看起来不乱；元器件较少，功能满足规定。
局限性：当没选手抢答，定期信号到“0”时，蜂鸣器发声有一点延迟。
六、心得体会
由于觉得抢答器比较有趣，因此选了它。在拟定题目之后，我花了诸多时间在网上找资料，然后把其中有用摘录下来。日后实践证明，充分准备的确能带来诸多好处，减少制作中麻烦。
但是就算是一种简朴设计，也没把握完全不遇到任何麻烦，而一次性成功。因此在焊接过程中浮现了两个低档错误。由于有多次焊接经验，因此在焊接之前都习惯画元件分布图。这样虽然会花多某些时间，但是却能减少焊接错误，并且让跳线尽量少，使电路器件分布，焊接等看起来更加美观。这就是磨刀不误砍材工道理吧。
这个电路是比较复杂，因此在焊接时比较费时，耗精力。也算是对个人耐心一种磨练吧。最后浮现不能锁存信号问题，让我烦了好几天。在检查电路，拟定没有焊接错误之后，问题依然没有得到解决，然后就郁闷了，有点想放弃感觉。为理解决问题，就去找资料对比，最后把抢答开关换成复位开关，设计就成功了。真是山穷水复疑无路，柳暗花明又一村。从中，我体会到了，遇到问题时，一方面要冷静，不要心浮气躁，然后在认真地查找因素，一点一点地排查问题，最后找到解决问题办法。
通过这次课程设计，不但焊接技术得到了进一步锻炼，对各种芯片，例如74ls175，,7ls192，74ls121，74ls47，555等，均有了比较进一步理解。同步，也发现自己对课本知识掌握很局限性，因此课程设计也是一次让我巩固课本知识实践机会。

七、实物图
1、正面

2、反面