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1、物理与电子信息工程系数字电子设计报告八 路 抢 答 器姓 名：专 业： 10通信工程班 级： 02班学 号： 同组人：学校：时间：2012/6/18八路抢答器摘要本文介绍了一种74系列常用结成电路设计的的数码显示抢答器的电路组成、设计思路及其功能。该抢答器除了具备基本抢答器功能外，还具有定时、计时和警报功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。ABSTRACT Describes a common 74 series forming a c
2、ircuit design of digital display circuit of vie, design ideas and features. The vie must possess basic vie feature, also has a timing, timing, and alerting functions. Chairpersons adopted time preset switch for preemptive answer time, system will automatically complete the countdown. If preemptive a
3、nswer within the prescribed time, the timer will automatically stop; if no preemptive answer within the time stipulated, then the system buzzer sounding, prompted the facilitator preemptive answer is not valid for the current cycle, achieving alarm function. 前言进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台
4、等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。今天随着科技的不断进步
5、抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。目录摘要ABSTRACT1
6、引言2页1.1八路抢答器的摘要2页2设计任务与要求2页2.1设计任务2页 2.2功能要求2页3方案3页4电路设计3页 4.1单元电路设计3页 4.1.1抢答电路3页 4.1.2定时电路5页 4.1.3秒脉冲发生电路7页 4.1.4警报电路8页 4.1.5控制电路8页 4.2总电路10页5电路仿真12页6元器件介绍13页 6.1元件清单13页 6.2元件简介13页7心得体会14页8参考文献15页第一章 方案设计 1.1设计任务： （1）八组参赛者在进行抢答时（用八个LED数码管）代表，当抢先者按下前面的按钮时，抢答器能够准确地判断出抢答者，并以声、光为标志。 （2）抢答器应具有锁存功能，某组抢答
7、后能自动锁存其他各组进行抢答。 （3）抢答应该具有一个总开关。 （4）使抢答具有限时功能，时间到时应发出声响，同时，时间数据要用数码管显示出来。 （5）有选手抢答时时间停止，警报电路发出警报信号，以提示灯光为标志。 1.2功能要求（1）设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8名选手参赛，他们的标号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分 别是s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8.(2)给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上
8、显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示为此，要锁存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。第二章 系统的组成及工作原理 2.1系统的组成框图：图2.1 系统组成框图2.2系统的工作原理：定时抢答器的总体框图如下图2.2： 图2.2 抢答器工作框图如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图2.2所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选
9、手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能： （1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；（2）扬声器发出短暂声响；（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封
10、锁输入电路，禁止选手超时后抢答。第三章 电路设计 3.1单元电路设计 3.1.1抢答电路 该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后并锁存电平信号，并通过译码显示电路显示编号；二是是其他选手的抢答信号处于无效状态。该电路主要有八D锁存器74LS373、优先编码器74LS148七段译码器74LS48、74LS04、和七段数码管组成。DnCQn11010100*00Q0*1Z74LS373八D锁存器引脚图和功能表图示 Vcc Q8 D8 D7 Q7 Q6 D6 D5 Q5 C74LS373的功能表：OC非 Q1 D1 D2 Q2 Q3 D3 D4 Q4 GND 74LS373的引脚图 有功能表可
11、以看出，74LS373只有当=0是才能完成数据传输货锁存功能，当=0且C=1时，74LS373输出随输入一起改变，当且C=0时，74LS373将C发生正跳变前芯片的输出锁存。输入输出EI 7 6 5 4 3 2 1 0A2 A1 A0 GS EO1 X X X X X X X X0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 1 0 X X X X X X0 1 1 0 X X X X X0 1 1 1 0 X X X X0 1 1 1 1 0 X X X0 1 1 1 1 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 X0 1 1 1 1 1 1 1 01* 1
12、* 1* 1 11* 1* 1* 1 00 0 0 0 10 0 1 0 10 1 0 0 10 1 1 0 11 0 0 0 11 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 0 1 74LS148是8线-3线优先编码器，其功能是判断抢答选手的编号，并对编号进行编码。其引脚图和功能表如下： 74LS148的功能表 74LS148的引脚图 七段显示译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。引脚图如下 为消隐输入端（低电平有效）/脉冲消隐输出端（低电平有效），为灯测试输入端（低电平有效），为脉冲消隐输入端（低电平有效），当时，a-g全为0，数码管显示全灭。根据各个芯片功能，画出抢答
13、电路，如图所示：74LS48的引脚图 抢答电路的原理：一开始，主持人开关置于0,74LS373处于锁存状态，任何选手抢答都无效。此时74LS148的GS=1，EO=0，数码管灯全灭。当主持人宣布开始工作时，开关置1，74LS373处于等待状态，当任意一个选手按下抢答按钮后，74LS373开始工作，此时Qn=Dn即与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制代码，经反向后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器74LS148工作时输出使能端EO为高电平，将其与开关信号一起经过异或门介入在经过与门接C端，此时由于EO与开关信号同为1，则C=0，
14、再次将74LS373锁存，即使再有其他选手按动按钮，也不会再有输出。这样完成一轮抢答，当主持人将开关置0时，74LS373输出全为1，则EO=0，使数码管灯全灭，并且74LS373进入锁存状态。等待下一轮抢答开始。3.1.2定时电路该电路要求具有定时抢答的功能，并且定时时间由主持人设定，因此要设计定时电路。该部分电路主要有555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个共阳极7段数码管74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减法计数器，其引脚图图9和功能表图10分别如下： 74LS192 的功能表 74LS192的引脚图输入输出注CL
15、R UP DWN A B C DQA QB QC QD1 X X X X X X X0 0 X X D1 D2 D3 D40 1 1 X X X X0 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0D1 D2 D3 D4加法计数减法计数保持异步清零异步置数A、B、C、D为预置数输入端，QA、QB、QC、QD计数数据输出端，为进位输出端（低电平有效），为借为输出端（低电平有效）。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成单电路，其应用极为广泛。其引脚如图所示。 555定时器引脚图定时电路的原理：首先主持人根据题的难易程度来确定强大时间，并通过74LS192的置数端将时间
16、输入，抢答开始前主持人将开关置0，处于清零锁存状态，当主持人将开关置于1时，就不能再预置数了，就开始抢答，此时有秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入74LS192，是芯片由预置数开始减计数工作，若没有选手抢答，一直减至00，产生警报，同时输出端“定时到信号”端由1跳变到0，阻止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。若即使期间有人抢答，“输出到三端与门”端由1跳变到0，同样是减计数器停止工作，显示器上显示此时刻。定时电路原理图如下。 3.1.3秒脉冲产生电路 为了准确地计时，本设计需要内部秒脉冲产生电路，即能够产生周期为一秒的电路。 如图所示为用555设计的秒脉冲产生电路。 秒脉冲产生电路 因为周期
17、为一秒，所以频率是1HZ。图中电容C5的充放点时间分别是：T1=(R15+R16)*c5*ln2 0.7(R15+R16)*C1, T2=R16*C5*ln2 0.7R2*C5所以555的3端输出的频率为：f=1/(T1+T2) 1.43/(R15+2R16)*c5这里采用的电阻电容值分别是：R15=15K, R16=64K,C5=10UF,满足上式，即得到的是秒脉冲，其中C2是抗干扰的作用。 3.1.4警报电路 为了满足设计要求，必须设计警报电路，该电路主要有555定时器组成，电路图如图所示。 图中555定时器用来构成多谐振荡器，振荡频率3端的输出脉冲频率为：f=1.43/(R11+2R12
18、)*C1 1KHZ 3端输出信号经过二极管驱动扬声器，发出警报信号。当4端的输入信号是1时，振荡器工作，有警报信号，4端输入0时振荡器不工作，没有警报信号。4.1.5控制电路控制电路是抢答器的关键，控制电路包括控制扬声器发生时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路。其主要完成一下三项功能：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。2.当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。3.当设定的强大时间到，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。该部分电路的核心元件是74LS121，其引脚图如图所示，
19、功能表如图所示74LS121引脚图 74LS121的功能表74LS121具有如下功能特性：1.当A1，A2两个输入中有一个活两个高电平时，B产生由0到1的正跳变时，电路有正脉冲输出。2.当B为高电平时，A1，A2两个输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变时，电路有正脉冲。其电路图如图所示。 由引脚6输出正脉冲宽度即控制扬声器发生时间T=R1*C1*ln20.7R1*C1，而抢答电路要求发声时间0.5秒，因此选取R1=10uf可满足要求。“输出到三端与门”端，“定时到信号”、 端，“主持人开关”端，共同控制输出正脉 输出到三端与门冲、的有无，当电路处于初始状态时，“主 定时到信号持人开关“端为低
20、电平“输入到三端与门” 主持人开关端为高电平，“定时到信号”端为高电平，此时A1=0，A2=1，B=0，当主持人宣布开始抢答时，将开关S置于高电平，B产生0到1的正跳变，同时A1由0变成1，6引脚输出宽度为0.5秒的正脉冲，驱动扬声器发声0.5秒。若在规定时间内有选手抢答，“输出到三端与门”端变为低电平，这样A1就由1变成0，产生一个负跳变，电路输出正脉冲，扬声器发声。若主持人宣布开始抢答后无人抢答，A1=1，A2=1，B=1，预定时间到时，“定时到信号”端为0，A2将产生一个1到0 的负跳变，电路输出脉冲，扬声器发声。3.2抢答器整体电路 抢答电路整体图下面介绍抢答电路整体工作原理。 首先是
21、各个抢答选手分别对应的编号是S1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8.抢答后显示器上显示的分别是1、2、3、4、5、6、7、8。 然后是主持人对整个系统清零，将开关置于“清零”位置，输出低电平，分为三路：一路与74LS148的EO端异或后变为高电平输出到74LS373的使能端C，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零，同时，EO由高电平变成低电平，与清零端异或后输出0，使74LS373处于锁存状态;另一路低电平输出到计数器74LS192的端，而CLR接低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据;三十与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有警报信号
22、接下来主持人根据题目的难易程度设置强大时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D,C,B,A的高低电平来进行设置（例如要设定时间为30秒，就将十位的74LS192的D,C,B,A分别置为0、0、1、1，而将个位的74LS192的D,C,B,A都置0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为按平，此高电平有三路方向：一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5秒的脉冲，驱动警报电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74LS192的端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路与EO信号（此时为0）异或后将高电平输入C端
23、，使八D锁存器处于传输状态，此时任何选手抢答有效。当任意一名选手抢答时，例如2号抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端Q2输出低电平，则锁存器输出的八位电平经8-八位优先编码器74LS148编码输出的A2-A0再经反向后成为与输入信号相对应的三位二进制代码010，而74LS148的EO输出由低电平变成高电平，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器显示对应的编号。此时，74LS148的EO端输出高电平，开关也输出高电平，二者经过异或门输出低电平，输出到锁存器74LS373的C端，起到锁存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出
24、，即实现了抢答功能；同时，由于74LS148的EO端输出高电平输出到集成单稳态触发器74ls121d的输入端，使其产生单个周期为0.5秒的脉冲，驱动警报电路发出声响，即实现了发声提示功能；同时，74LS148的GS端输出电平由高遍地，与秒脉冲相与后输出为0，使得脉冲抵达个位计数器74LS192的DWN端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS48也输出高电平，EO端输出低电平至74LS148的灭灯输入端RI/RBO,使得信号经74ls192的结尾输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器7
25、4LS121的B端口，使其产生周期为0.5秒的脉冲刺激警报电路发声提示。综上所述，我们设计的电路完全可以实现要求中的所有功能。3.3：电路仿真图：第四章 实验总结 本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了我们对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了我们对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本
26、的经验。同时也使自己认识到：1、 设计思路是整个设计的灵魂拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。2、 焊接制作必须精益求精焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。3、 调试调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片
27、功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。参考文献1康光华.电子技术基础.数字部分.北京：高等教育出版社，20052欧阳星明.数字逻辑.武汉华中科技大学出版社，20043李士雄.丁康源编.数字集成电子技术教程.北京高等教育出版社,20034曹汉房.陈耀奎编.数字技术教程.北京电子工业出版社,20035高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.20026谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.20007赵保终.中国集成电路大全（TTL集成电路）.国防工业出版社8周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社附录
28、一：元件清单：序号型号名称数量174LS373八D锁存器1工作电压5v274LS148优先编码器1工作电压5v374LS48七段译码显示器3工作电压5v4/共阴、共阳七段数码管阴（1）阳（2）工作电压5v574LS192十进制可逆计数器2工作电压5v6NE555非重复单稳态触发器2工作电压5v774LS121非门1工作电压5v874LS04二输入异或门1控制锁存信号974LS86三输入与门1用于计时电路和控制电路1074LS11三极管1工作电压5v119013510R2用于扬声器电路12R11KR1用于发光二极管相连13R215KR2连接NE555的7脚与8脚14R410k8连接电源VCC与按钮及74LS37315R568KR3连接74LS121的11脚与VCC,连接NE555的6脚与7脚16R6512连接数码管9管脚与VCC17C10.01UF3接NE555的5脚与地18C210UF2接NE555的6脚与地19C3100UF1用于扬声器电路20D1发光二极管1提示秒脉冲21S1-S7弹片开关8供选手抢答22S8单刀双掷开关1主持人开关23扬声器124/蜂鸣器18R,6V附录二：74LS04元件简介：其引脚图和功能表如图所示： 附录三：74LS86简介： 所示。74LS11是三输入与门集成芯片，其引脚图和功能表如下。实物图：抢答器定时器