1、1目录一、设计目的 .2二、设计任务与要求 .21、设计任务 22、设计要求 2三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计 .31、设计方案 32、系统框图 33、方案比较 4方案 1.4方案 2:4方案 3： .44、单元电路设计及元器件选择 4（1）抢答电路 4（2）定时电路 7（3）报警电路 9（4）时序控制电路 10（5）元器件列表 125、四路抢答器总电路图 13四、设计过程中的问题和解决办法 .13五、设计成品的优点与不足 .14六、心得体会 .14七、实物图 .151、正面 152、反面 162四人智力竞赛抢答器一、设计目的1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。2.熟悉
2、数字集成电路的设计和使用方法。二、设计任务与要求1、设计任务设计一台可供 4 名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。 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(1)4 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
3、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（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
4、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。3三、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，并且暂停抢答时间的倒计时，同时用 LED 数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。在选手按键抢答成功后或者抢答时间倒计时为零的时候都有 1 秒钟的报警以提醒主持人和选手。抢答的有效时间设定 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，抢答器处于禁止状态，编号显示器显示“0”，定时器显
5、示设定时间“9”；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。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成该功能：优先判断、编号锁存、编号显示、倒计时锁定、扬声器提示。倒计时电路的数码管显示剩余时间，另一个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。同时音响电路给出 1 秒音响提示。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
6、器在显示器中显示。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。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：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4图 1 系统框图3、方案比较方案 1：采用 CD4511 芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出，用
7、74ls190 完成倒计时电路，用一个555 产生时钟信号提供给抢答电路，再接一个分频器，把分频后的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 和译码器来完成抢答部分.用 74ls190 完成倒计时电路的功能，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，而且没有异步清零端。用晶振产生的脉冲更加精确，但是本设计不需要很精确的时钟秒冲信号，而且用到晶振要经过两次不同的分频，需要额外的两块芯片进行分频，增加成本。方案 3：采用 4D 触发器 74ls
8、175 和译码器来完成抢答部分.用 74ls192 完成倒计时电路的功能，用两个555 产生脉冲。分析：用两个 555 产生时钟信号，可以单独设置每个时钟的频率，而且可以避免由一个时钟分频到抢答电路和倒计时电路时产生的跳线问题。所用元件也不是很多，而且可以完美实现题目的功能要求。经过对比 3 个方案的优缺点，决定采用成本较低、跳线少、功能易实现的方案 3。然后利用软件 multism来进行仿真调试，再进行逐步改进。4、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 的四个输出端 Q1、Q2、Q3、Q4 分别表示
9、选手 1、2、3、4 的编号，经过 74LS32 或门后连接到 74LS47 的 A、B、C 输入端，完成编码过程，同时译码显示电路 74LS47 让数码管显示选手编号；二、是要通过先抢答的选手的输出电平信号使其他选手随后的按键操作无效。5图 2 抢答电路该电路的工作原理为：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 非端经过与门 U9B 为高电平，再和 555 脉冲信号信号和借位信号经过与门 U9A 仍为高电平，再送到 D 触发器的脉冲端。当没人抢答时，
10、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 的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，该信号在时钟输入的脉冲信号的上升沿到来时进入锁存器，然后该选手的编号通过 74LS32 和 47LS47 显示在数码管中。同时 Q1 非输出为低电平，经过与门 U9B后仍为低电平，经过与门 U9A 后使锁存器 74LS175 的脉冲输入端保持低电平，封锁了四个输入端的输入，同时保持了输出端的电平信号不变。这样不仅使得其他选手按键的输入信号不会被接收，而且抢答成
11、功的一号选手的编号也被保存下来，直到主持人“清零”。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。 四 D 触发器 74LS175 为中心构成编码锁存系统，编码的作用是把锁存器的输出转化成 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 A60 0 0 1 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1 00 1 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 1 0 0由该表可以看出，747LS175 不能直接与 74LS47 连接，因为 Q
12、3=1 时，对应的编码器输入 A=1，B=1。这时就通过二输入或门 74LS32 使锁存、编码一一对应（如图 2）。编码器的 D 输入端不需要，接地使其为 0。74LS175 的 逻辑引脚图与功能表 如下：图 1-6 74LS175 的逻辑引脚图74LS175 是一个单向上升沿触发的四 D 触发器、互补输出，有公用的时钟和公用的清零。时钟的触发产生于特定的电压电平上，同脉冲的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 ） 。不管时钟输入的电平是高或是低，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
13、个输出为为低电平。只有 CLR 接高电平时，74LS175 才能正常工作。7表 b 74LS175 功能表备注：RD 即仿真图中的 CLR，CP 即仿真图中的 CLK。锁存电路的脉冲信号：由 555 产生的 140HZ 的脉冲信号，为 74LS175 的 CLK 端提供方波脉冲，使其能正常工作。（2）定时电路 如图 3。定时 9 秒，把 74LS192 对应的 9，10，1，15 四个端子预置为“1001”。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
14、。再按复位键时，再一次倒计时。图 3 定时电路874LS192 是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。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）。计数器的时钟脉冲：由秒脉冲电路 555 提供，其脉冲频率为 1HZ,即 1 秒变化一个周期。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
15、 MOS 管导通，输出为低电平。接着电容通过 R2和已经导通的 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。图 4 信号发生电路555 产生的脉冲信号的周期计算公式：T=0.69*(R1+R2)* C9（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
16、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74ls121 为不可重复的单稳态触发器，一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。输出脉冲的宽度由 Rext和 Cext 的大小决定。蜂鸣器的音响为 1 秒，由公式 tw=0.69 * Rext * Cext，设置 74LS121 的外接电阻和外接电容的值。10蜂鸣器：有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的
17、一种是有源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K-5K 的方波去驱动它。另外，为了加大蜂鸣器的音量，用一个三极管驱动它。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，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。 11图 5 抢答与定时时序控制电路根据上面的功
18、能要求，设计的时序控制电路如图 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 的输出 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 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 74ls192 的借位信号为 1，U9A 和 U10A 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，U9B 输出为 0，封锁 CP 信号，则 U10A 输出为 0，定时器停止倒计时处于保持工作
19、状态；同时,U9A 的输出为 0，使 74ls175 锁存 。也使 U10B 输出为 0，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，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则 74ls192 的借位信号为 0，U10B 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。同时 U9A 输出也为 0，使 74ls175 锁存，禁止选手进行抢答。同时，U10A 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。12（5）元器件列表 表 1 序号 器件名称
20、数量 备注 1 74LS175 1 4D 触发器2 74LS192 1 同步减法计数器3 555 定时器 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 七段显示器 2 共阳极12 电容 0.01F 2 个 10F 2 个 0.1F 1 个510 8 个 10k 2 个 100k 1 个 150k 1 个13 电阻 48k 2 个 14 复位开关 4 个 用于选手抢答15 三极管 s8050
21、 1 个135、四路抢答器总电路图 图 6 总电路图四、设计过程中的问题和解决办法（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，然后上网找了几个 74ls121 的连接电路，发现还是不行。然后就查看数电数，知道如何连接了。但是蜂鸣器的声音太小了，于是又采用三极管来放大电流。终于使它发出 1 秒的响亮声音。（2）在焊接电路的过程中，尽管已经画了元件分布草图，但是依然有焊接错漏，后来仔细检查了一番，把一个没接地的接上，把一个焊错的改过来了。（3）当焊完电路调试时，最大的问题出现了，抢答信号不能锁存，于是我花了好几天的时间去解决这个问题。最后我把之前的用于抢答的单刀双掷开关换成了复位开关
22、，就成功了。14五、设计成品的优点与不足优点：跳线少，看起来不乱；元器件较少，功能满足要求。不足：当没选手抢答，定时信号到“0”时，蜂鸣器的发声有一点延迟。六、心得体会 因为觉得抢答器比较有趣，所以选了它。在确定题目之后，我花了很多时间在网上找资料，然后把其中有用的摘录下来。后来实践证明，充足的准备确实能带来很多好处，减少制作中的麻烦。但是就算是一个简单的设计，也没把握完全不遇到任何麻烦，而一次性成功。所以在焊接过程中出现了两个低级的错误。因为有多次的焊接经验，所以在焊接之前都习惯画元件的分布图。这样虽然会花多一些时间，但是却能减少焊接的错误，并且让跳线尽量少，使电路的器件分布，焊接等看起来更
23、加美观。这就是磨刀不误砍材工的道理吧。这个电路是比较复杂的，所以在焊接时比较费时，耗精力。也算是对个人耐心的一种磨练吧。最后出现的不能锁存信号的问题，让我烦了好几天。在检查电路，确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，有点想放弃的感觉。为了解决问题，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，首先要冷静，不要心浮气躁，然后在认真地查找原因，一点一点地排查问题，最终找到解决问题的办法。通过这次课程设计，不仅焊接技术得到了进一步锻炼，对各种芯片，比如74ls175，,7ls192，74ls121，74ls47，555 等，都有了比较深入的了解。同时，也发现自己对课本知识的掌握很不足，所以课程设计也是一次让我巩固课本知识的实践机会。15七、实物图1、正面162、反面
