数电课程设计报告-抢答器

课程设计报告

题 目 数字抢答器设计

课 程 名 称 数字电子技术 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 10电气1 学 生 姓 名 管志成 学 号 1004103027 课程设计地点 C206 课程设计学时 1周 指 导 教 师 赵国树

金陵科技学院教务处制

智力竞赛是一种生动活泼、寓教于乐的活动形式，而抢答是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。在进行智力竞赛时，往往都是几个组抢答问题，这就要求在时间上严格地区分先后。若是仅凭主持人的主观判断，则很容易造成错判、误判。为此，我们需要设计一种具备自动锁存、复位、清零等功能的智能抢答器来解决这些问题。

本文介绍了一种用74系列常用集成芯片设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计方案及其功能。该电路专为竞赛抢答所设计，具有反应迅速，精确无误，操作简单等特点。电路主要由三部分组成：数字抢答电路、定时电路以及报警电路。其中数字抢答部分采用CD4532编码器、74LS175锁存器、CD4511译码器和LED数码管显示器组成，可以将八位抢答者的按钮信号通过编码、锁存及译码后输出，驱动LED数码管显示出最先抢答者的编号。若在规定的时间内有人抢答，则计时器将自动停止；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。

关键字：抢答器、编码、锁存、定时、报警、译码显示

第一章 设计要求········································5 第二章 总体参考方案

2.1 总体参考方案框图···································5 2.2 总体参考时序逻辑···································6 第三章 单元电路设计 3.1 定时电路

3.1.1 电路设计·······································6 3.1.2 元件说明·······································7 3.2 开关阵列电路

3.2.1 电路设计·······································8 3.2.2 元件说明·······································8 3.3 门控电路

3.3.1 电路设计·······································8 3.2.2 元件说明·······································9 3.4 编码电路

3.4.1 电路设计······································11 3.4.2 元件说明······································12 3.5 报警电路

3.5.1 电路设计······································13 3.5.2 元件说明······································13 3.6 显示电路

3.6.1 电路设计······································13 3.6.2 元件说明······································13 第四章 整体电路图·····································15 第五章 各部分功能的实现

5.1 按下S1启动定时30S，开始抢答，LED灯亮···········15 5.2 某位选手抢答有效··································16 5.3 清零、灭灯、复位··································16 第六章 实验室调试

7.1 元件清单···········································17 7.2 调试过程···········································17 7.3 调试结果（照片）····································17 7.4 调试心得体会·······································19

第一章 设计要求

1. 数字抢答器应具有数码锁存、显示功能，抢答组数分为八组，即序号0、1、2、3、4、5、6、7，优先抢答者按动本组开关，组号立即锁存到LED显示器上，

同时封锁其它组号。

2. 系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。

3. 数字抢答器定时为30秒，启动起始键后，要求：①30秒定时器开始工作；②蜂鸣器要短暂报警；③发光二极管亮灯。

4. 抢答者在30秒内抢答，抢答有效，终止定时；30秒定时到，无抢答者本次抢答无效，系统短暂报警，发光二极管灭灯。

第二章 总体参考方案

2.1、总体参考方案框图

2.2、总体参考时序逻辑

它包括定时电路、门控电路、译码显示电路、8线-3线优先编码器、RS锁存器和报警电路等六个部分组成。其中定时电路、门控电路、译码显示电路及8线-3

线优先编码器三部分的时序配合尤为重要，当启动外部操作开关（起始键）

时，定时器开始工作，同时打开门控电路，输出有效，8线-3线优先编码器等待数据输入，在定时时间内，优先按动开关的组号立即被锁存到LED显示器上，与此同时，门控电路输出无效，8线-3线优先编码器禁止工作；若定时到而无抢答者，定时电路立即关闭门控电路，输出无效，封锁8线-3线优先编码器，同时发出短暂报警信号。

第三章 单元电路设计

3.1 定时电路

3.1.1 电路设计

本电路模块采用555定时器来实现30s的定时，由555定时器构成单稳态触发器采用适合的RC的值可以实现30s较为精确的定时，考虑到R的值过小时，在放电管导通放电的时候，会产生过大的电流而烧坏放电管，采用电容C=100uF，电阻R=272.7K，由于没有272.7K的电阻，所以我们用一个270K的定值电阻和一个10K的电位器串联，通过调节电位器的旋钮以准确的得到272.7K的电阻值。电路中选用了J9和J10两个按钮开关分别控制触发输入端和复位输入端，J9、J10分别通过10K的电阻与5v的电源相连以及GND连接。J10按下时，TRI（2脚）为低电平，555定时器开始工作，30s定时开始，输出端（3脚）输出高电平，发光二极管亮起，表示抢答开始；J9按下时，RST（4脚）为低电平，555定时器复位，数码管清零灭灯。（具体电路图如下）

555定时器构成的30s定时电路

3.1.2 元件说明

电路图中555定时器为NE555，它是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

3.2 开关阵列电路

3.2.1 电路设计

本部分电路由开关阵列组成，供给选手抢答用，开关为可弹出式按钮开关，常开，当有人按下开关时，开关闭合，对应的该路输出一个高电平，提供给后面的编码、锁存电路作为脉冲信号或者使能信号；松开后，开关断开。电路图如下所示：

Key = 2

Key = 3

Key = 4

Key = 5

Key = 6

Key = 7

R1

7R2

10kΩ

8R3

10kΩ

9R4

10kΩ

10R5

10kΩ

11R6

10kΩ

12R7

10kΩ

13R8

10kΩ10kΩ0

1011121312345

U7

I0I1I2I3I4I5I6I7EIN

Key = 0Key = 1

4532B

开关阵列电路图

3.2.2 元件说明

这边，按钮可以采用铜弹片型的轻触按钮，这里的电路没有太高的要求，所以不需要精确的去消抖，固采用这种价格低廉，较为实用的按钮作为开关阵列电路。

U8

3.3 门控电路

3.3.1 电路设计

EOR8

R122.7kΩR1010kΩR11

10kΩ

VCC

5VVCC

Q1

38R13

370

1kΩ

2N2904

门（VCC

5V

J11VCC

Key = 0Key = 1

J13

Key = 2

J14

Key = 3

J15

Key = 4

J16

Key = 5

J17

Key = 6

J18

Key = 7

J12

1Q~1Q2Q~2Q3Q~3Q4Q~4Q

237610111514

EOR8

门控电路电路图

3.3.2 元件说明

（1）8输入或门CD4078： 逻辑符号:

U12

功能表：

OR8

8输入或门的逻辑符号

由功能表可看出，当A为1时，不管其它输入端为任何电平，输出端都为1；当B为1时，无论其它输入端为何值，输出端都为1；C、D、E、F、G、H也为之一样，而当其输入端全为1时，输出端W为0，简而言之，“只要有1个输入端为1，其输出端为1；当输入端全为0时，输出端为0”。其逻辑表达式为：W=A·B·C·D·E·F·G·H。

（2）2输入与门74LS08 逻辑符号：

7408的逻辑符号

功能表：

从功能表可以看出，当A或B中只要有一个为0时，Y为0；只有当A、B都为1时，Y为1，则有“有0则0，全1为1”其逻辑表达式为：

3.4 编码电路

3.4.1 电路设计

编码电路采用CD4532优先级编码器来实现编码功能，当电路在30s的时间内，17

并且有键按下的时候，通过门控电路输出高电平让CD4532芯片使能，进入工作状态，为第一个按下的键进行编码。电路图如下所示：

U7

I0I1I2I3I4I5I6I7EIN

O0O1O2GSEOUT

891041

4532BD_5V

编码电路电路图

U2

39

R1

R219 8-3编码器CD4532: 10kΩR32010kΩ从功能表可以看出，CD4532有8个信号输入端，3个二进制码输出端，输入

7408JR421

10kΩ和输出均以高电平作为有效电平，I6 ,I0.当EI=1R522而且输入优先级别依次为I7，10kΩ

时，编码器工作：而当R6EI=0时，禁止编码器工作，此时不论8个输入端为何种23

10kΩ

24R70。状态，3个输出端的状态为

10kΩR825

引脚图： 3610kΩ

10kΩ0

3.4.2 元件说明

U9A

AND2

U8

EOR8 CD4532引脚图

功能表：

CD4532功能表

3.5 报警电路 3.5.1 电路设计

报警电路由三极管和蜂鸣器组成，三极管的基极通过限流电阻接到555定时器的阀值输入端，当主持人按下开始键，三极管的基极得到一个低电平，三极管导通，蜂鸣器报警。电路图如下：

3.5.2 元件说明

三极管PNP：

由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管,称为PNP型三极管.

也可以描述成,电流从发射极E流入的三极管. PNP型三极管发射极电位最高,集电极电位最低,UBE<0. 三极管按结构分,可分为NPN型三极管和PNP型三极管.

右图PNP型三极管.

三极管导通时IE=（放大倍数+1)*IB和ICB没有关系，ICB=0 ICB>0时,可能三极管就有问题,所以三极管在正常工作时,不管是工作在放大区还是饱和区ICB=0

当UBE>0.7V(硅)(锗0.2V),RC/RB<放大倍数时,三极管工作在饱和区,反之就工作在放大区。

3.6 显示电路 3.6.1 电路设计

显示电路是由CD4511显示译码器接7段数码管译码显示输出。

其中CD4511的4D端和LE端接地，LT接地，BI接74LS175的4Q输出端以实现在没有组号按下时，数码管灭灯的效果。

3.6.2 元件说明

CD4511：

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低

电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。

引脚图：

功能表：

CD4511功能表

第四章 整体电路图

整体电路图如下所示：

第五章 各部分功能的实现（multisim仿真）

5.1 按下S1启动定时30S，开始抢答，LED灯亮

17

5.2 某位选手抢答有效（比如3号）

U4

5.3 清零、灭灯、复位

按下清零键后，数码管灭灯，555定时器复位。在这里就不用图来展示了。

R151kΩ

第六章 实验室调试

7.1 元件清单

7.2 调试过程

先按照图纸以及芯片的引脚图连接线路，连接完成之后，开始分模块调试

电路：

（1） 调试30秒定时电路。给电路通上5V电源，按下起始按钮，看蜂鸣器是否

短暂报警，LED是否亮灯。此时等待30s，看30s到时LED是否灭灯，蜂鸣器是否报警。

（2） 调试抢答显示电路。重新按下起始按键，此时按下一个组的开关（例如3

组），看组号是否被显示到数码管上。再按下其他组号的电路，看是否具有锁存功能。

7.3 调试结果（照片） （1）调试30s定时电路：

按下起始键后，LED亮灯，30s计时开始：

计时结束后，30s到。LED灭。 （2）调试抢答显示电路：

按下起始键后，LED亮起，此时按下某组的组号（比如3号）。

此处调试没有成功，有键按下之后，数码管一直显示的是0，没有任何反应，此后又对电路进行了改进、调试，依旧得不到想要的结果，在调试的过程当中，曾发现面包板芯片引脚的两组插孔短路，解决办法就是给芯片换位置。仍得不到解决。后来认为最有可能的原因是74LS175芯片的初始状态与仿真时候的初始状态不一样，才会导致这样的结果，由于时间限制，便没有再去改进电路，但仍然从中学到了很多书本上学习不到的东西。

7.4 调试心得体会

通过这次课程设计，把我在课堂上学到的有关数字电路的知识运用倒是实际

当中，各种芯片的功能，芯片引脚图的认识，各种组合电路和时序电路的设计，当然，在实践中，也遇到了很多的问题，比如仿真的时候不要叫限流电阻依旧可以得到你想要的结果，可还是在实际的电路当中，没有加限流电阻的结果就是烧坏元器件，或者数码管就不会亮。

没有一件事是可以不用动脑子，不用去思考就可以完成的，在对电路进行综合设计的时候，需要考虑大量的问题，例如时序的控制，各项功能有条不紊的实现而不会出现混乱。在这次课程设计当中，我学到了很多在书本上学习不到的知识，学到了该如何培养自己的动手能力，学会了在遇到问题的时候该如何去解决，更学会了如何才能具备一个电子设计人员的素养。

虽然在最后我没有调试出我想要得到的结果，但是在此次课程设计不仅巩固了我的数电专业知识，更让我明白了实践与理论的不同，唯有理论结合了实际，才算是学好了这一门课程。

最后，谢谢老师为我们辛勤的付出！

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0xlm.html