数字抢答器的设计

数电课程设计 八路定时抢答器论文 ※※※※※※※※※ ※ 08级学生数字电路 ※ ※※※※

课程设计

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贺州学院

数字电路课程设计报告书

课题名称 数字抢答器的设计 姓 名

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学 号 0810617*** 系 部 专 业 指导教师

物理与电子信息工程系 电气工程及其自动化

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2010年 11 月 25日

贺州学院 物理与电子信息工程系 电气工程及其自动化（2）班

数电课程设计 八路定时抢答器论文 一、设计任务及要求： 设计任务： 设计一个具有锁存与显示功能的8人抢答逻辑电路。 要 求： 1、抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。 2、设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。 3、抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 4、抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动\开始\键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。 5、参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。 6、如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。 指导教师签名： 20 年 月 0日 二、指导教师评语： 指导教师签名： 20 年 月 日 三、成绩

20 年 月 日

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 、绪论

各种智力竞赛越来越多，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间的限制，到时间要告警。而抢答则要求参赛者作好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。

我们这里所设计的抢答器是一种比较简易的抢答器，没有使用特别多的，复杂的元器件。它的特点是电路简单、制作方便、操作简单、方便、性能可靠，实用于多种智力竞赛活动。本抢答器的电路主要有三部分组成：数字抢答电路、时序控制电路、显示电路。其中数字抢答部分有一个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通过CD4511译码驱动LED数码显示管显示出他们最先抢答者的编号。而时序控制电路的功能是当参数选手按抢答器时，使显示器显示，这时抢答电路和显示电路停止工作。显示电路是当设定的时间到达后或者有人抢答时，报警电路被输入一个高电平，这时显示电路开始工作并显示抢答结果。

这个抢答器设计基本上满足了实际比赛应用中的各种需要，在实际中有很大的用途。

2 电路工作原理分析、方案论证和确定

2.1设计主要性能指标：

基本功能：

1) 有8名选手编号为；1，2?8，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?8；

2) 给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始； 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，改选手编号立即锁存，并在编号显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，同时封锁输入编码电路，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。

扩展功能：

3) 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30秒)。当节目主持人

启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0．5秒左右；

4) 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和

抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。

因考虑到电路复杂程度，器材及资金情况，扩展功能从略，本课程设计只实现抢答基本功能。

2.2设计方案选择

抢答器电路总体功能框图如图2-1所示，其工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器熄灭；当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，当选手按动抢答键时，电路会立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

图1 抢答器总体功能框图

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 单元电路原理

在本电路设计中用到1块四RS触发器74LS279、一块二进制的BCD码译码管74LS48、1块优先编码器74LS148、1个七段LED数码显示器和若干按钮开关等元件。

3.1 74ls373参数和管脚功能

54LS373 /74373 三态缓冲输出的8D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)。 54LS373/74LS373 17ns 120mW。

54LS373/74LS373 的输出端 O0~O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。

图2 引脚功能图 管脚引出端功能符号

D0～D7 数据输入端

OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0~O7 输出端 真值表：

图3 74ls373功能

L--低电平；

H--高电平； X--不定态；

Q0--建立稳态前Q的电平；

G--输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE--使能端，接地。

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 1514976EOGSA0A1A2621735413U22101234567EI74LS148SSW-SPDTU12A74F10101112131234514152569121516191Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8QR210K12R3300U17654321190111213gfedcbaDCBBI/RBOALTRBI5VU374LS47aab[LEDgn]cfbgdeecdfgDPY74LS373OC5V1D2D3D4D5D6D7D8DC111R15V10k347183141718D1LEDDS1DPY_7-SEGS2S3S4S5S6S7S8S9SW SPSTSW SPSTSW SPSTSW SPSTSW SPSTSW SPSTSW SPSTSW SPST 图12 抢答部分电路原理图

4.2 定时电路设计：

节目主持人根据答题的难易程度，设定一次抢答的时间，此处默认为30 S，通过预置时间电路对计数器进行预置，此处选用十进制同步加／减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲CPD由秒脉冲电路产生的CP脉冲提供[3]。

74LS192的真值表如图13所示。

表13 74LS192的真值表 输入 MR 输出 P2 P1 P0 Q3 PL CPu CPD P3 Q2 Q1 Q0 1 0 0 0 ? 0 1 1 ? ? ? 1 ? ? 1 ? d ? c ? b ? a ? d ? c ? b ? a ? ? ? ? ? ? ? ? 加计数 减计数 ? 此处用减计数，故CPD接触发脉冲，CPu接高电平，低位芯片的借位信号端接到高位芯片的减计数触发端CPD进行级联。低位芯片的D、C、B、A端均接低电位，高位芯片的D、

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 C、B、A分别接为0011以进行置数为30.定时电路的电路图如图14所示。

图14 定时电路部分电路图

4.3 报警电路设计：该电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。其中

由555 芯片构成多谐振荡电路，振荡频率为

f0?

1(R1?2R2)C?ln2?(R1?2R2)C 1.43555 的输出信号再经三极管放大 ,从而推动扬声器发声、报警两个电路。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。

图15 报警电路

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 时序控制电路设计：

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；

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以及图 2，设计的时序控制电路如图 5所示。图中，门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。图11、4的工作原理是：主持人控制开关从\清除\位置拨到\开始\位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD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，门G2的输出 =0，使 74LS148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，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，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， =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00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。

图 16

5抢答器整体电路图

本次抢答器的整体电路图如图17所示：

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.U11D9U8111S1S2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBS7SW-PBS8SW-PBSW-PB3478131417181D2D3D4D5D6D7D8D1976A0A1A274LS148574LS04U12BU12CU12A29174LS0874LS086874LS04101112131234501234567EIEOGS1514U11A274LS04U11B3U11C74LS0464U94537126OCC1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q256912151619U10DS3BLUECCBI/RBORBILTABCDabcdefg131211109151412345678abcdeafgbJ121312345678VCC74LS48fgdpedcdpGND74LS373RP1RESPACK4CON2U13A74LS32VCC5474LS081069999999981U15BUZZER23U7C74LS04U14C310ufBA2A11016911CeQQRiRe/Ce543U1U7B474LS04VCCVCCS10SW-SPDTS11SW-SPDTS12SW-SPDT859

U3145411151109VCCCLRUPDWNLDABCD74LS192COBOQAQBQCQD121332674537126BI/RBORBILTABCD74LS48abcdefg131211109151412345678DS1BLUECC数电课程设计 八路定时抢答器论文 74121R30.1kS9SW-SPST3fgdpedcdpGNDU0RVCCR115k42Q3S13SW-SPDTTRIGGNDDIS5712CVoltTHRNE55564519U6A6VCC74LS21S14SW-SPDTS15SW-SPDT145411151109U2CLRUPDWNLDABCDCOBOQAQBQCQD121332674537126U4BI/RBORBILTABCDabcdefg1312111091514DS2BLUECCR268k12345678C174LS4874LS192C20.01uf10ufS0SW-PBS16SW-SPDTS17SW-SPDTabcdeafgbfgdpedcdpGNDU7A174LS042910121374LS21BUZZERU6BU589

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abcdeafgb贺州学院 物理与电子信息工程系 电气工程及其自动化（2）班

数电课程设计 八路定时抢答器论文 17 抢答器整体电路

6系统单元电路仿真及分析

6.1 抢答电路部分仿真

按动控制开关使其处于清零状态，此时显示器应显示“00”，再将开关拨到开始工作的状态，若有人抢答，假设为2号选手抢答有效（即控制开关A由高电平拨到低电平），此时电路中的显示器应显示“2”。仿真结果确实也是这样的，是正确的。

图18 抢答电路仿真图

6.2 定时电路部分仿真

将控制开关拨到低电平端，此时LOAD=0，计数器处于置数状态，显示上应显示“30”；再将控制开关拨到高电平端，触发信号进来，计数器开始减计数，若CTR变为“1”，（假设此时显示为“19”）触发信号CP被禁止，减计数停止，CPd=0，74LS192处于保持状态，显示器显示“19”；若30 s内CTR没有改变，则当借位信号来时，BQ2=0，触发信号CP被禁止，CPd=0，74LS192处于保持状态，显示器上应显示“00”。仿真结果确实也是这样，结果是正确的。

6.3 秒脉冲产生电路仿真

将CP端接到示波器上，接通电源，则示波器上应该显示矩形信号。而仿真结果如图6-2所示，可知结果是正确的。

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 19 秒脉冲波形

6.4 定时电路仿真

图20 定时电路图

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 总电路图仿真

图21 仿真总电路图

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 中的PCB图

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 图22 两部分的电路图

7、设计电路的特点和改进意见

7.1 电路特点

该电路具有其独特的特点，即为：结构简单，思路清晰，连接电路方便。实验原理简单,在使用LM7805、LM7905、LM7812、LM7912的电路中,用最少的元器件完成实验要求。

7.2 改进意见

其实只要稍加改进，就可以将这个8路抢答器改为更多路的抢答器，看过课本上的原理介绍和设计要求及拓展要求后，发现8路与15路抢答器的电路图只是抢答电路部分的不同，而定时电路和报警电路的原理电路是相同的，因此没什么变化。

8 课程设计心得体会

一腔热血，选了抢答器这个课题设计，虽说这据说是最难的，但是还是义无反顾选择了它。可当付诸行动，才知道原来真的不容易。开始做了，突然发现自己很多方面的知识都不懂，不得不通过查阅相关方面的书籍，还有通过上网查找，经过多天的努力才逐渐了解。

这次设计，使得我认识了很多东西。能够运用数字电子技术基础上的知识来设计这个对我来说比较复杂的电路，使我觉得收获良多。通过本次的学习，使我掌握了了不少专业知识，提高了运用知识的能力。

在设计的时候运用到了protel se99，印象最深刻的是就是布线了，这并不是一个简单的工作，而且对于整个设计也非常关键。若是布线的不好，会出现很多跳线，这对于焊接工作就非常麻烦了，还有就是更加了解了相关原件的封装。

除了这些，还有就是打板，焊接的工作，这其中也遇到了一些麻烦，但这些工作都得到了稳步的进行。

简而言之，自己从这次设计当中学到了不少知识，并且得以运用，有了收获的喜悦。

9 器件清单及仪器相关参数

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数电课程设计 八路定时抢答器论文 器件清单如表1所示：

表1器件清单表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 器件 SM42056 74LS48 74LS192 74LS373 74LS148 74LS04 NE555 74ls21 定值电阻 定值电阻 电解电容 8位拨码开关 双掷开关 74ls121 蜂鸣器 规格 15K、68k、1K 10K 10μF 数量 3 3 2 1 1 1 1 2 各1个 9个 2 9 9 1 1 备注 共阴七段数码管 BCD码译码器 十进制计数器 RS锁存器 优先编码器 4位与非门 定时器 与非门

10 参考文献

【1】阎石主编 数字电子技术基础（第五版） 北京：高等教育出版社，2006年

【2】夏路易 石宗义主编 电路原理图与电路板设计教程Protel 99SE 北京：北京希望电子出版社，2002年

【3】朱清慧 张凤蕊 翟天嵩 王志奎主编 Proteus教程——电子线路设计、制板与仿真 北京：清华大学出版社 2008年

【4】王淑娟 蔡惟铮 齐明主编 模拟电子技术基础 北京：高等教育出版社 2009年

【5】陈大钦 罗杰主编 电子技术基础实验（第三版）——电子电路实验、设计及现代EDA技术 北京：高等教育出版社 2006年

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数电课程设计 八路定时抢答器论文

姓 名 专业、班级 梁进冰 性 别 男 电气工程及其自动化（2）班 课程设计题目：多路智力竞赛抢答器 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2010年11月25日

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数电课程设计 八路定时抢答器论文

姓 名 专业、班级 梁进冰 性 别 男 电气工程及其自动化（2）班 课程设计题目：多路智力竞赛抢答器 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2010年11月25日

贺州学院 物理与电子信息工程系 电气工程及其自动化（2）班

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