多路数字抢答器

河南科技学院新科学院 电子课程设计报告

题目：多路数字抢答器设计

专业班级：

姓 名： 时 间：2012.05.30 ～ 2012.06.08 指导教师：

完成日期：2012年06月 08 日

多路数字抢答器设计任务书

1．设计目的与要求

设计一个八位智力竞赛抢答器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：

（1）设计多组参赛的抢答器，每组设置一个抢答按钮；

（2）电路具有第一抢答信号鉴别与锁存功能，抢答成功后，显示组别、发出声响； （3）设置犯规电路，对提前抢答或超时抢答的组别，显示组别、发出声响。 2．设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH 文件生成与打印输出； （5）PCB 文件生成与打印输出。 3．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。 4．答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

目录

1引言 ………………………………………………………………………………………4 2 总体设计方案…………………………………………………………………4 2.1 设计思路…………………………………………………………………4 2.2 总体设计框图……………………………………………………………4 3 设计原理分析…………………………………………………………………5 3.1 芯片的选择 ……………………………………………………………5 3.1.1、BCD-七段显示译码器74LS48………………………………………….. …5 3.1.2、8线-3线优先编码器74LS148 ……………………………………………6 3.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器74LS121 …………………………7 3.1.4、555定时器 ……………………………………………………………………7 4. 单元电路设计……………………………………………………………………………9 4.1抢答器电路…………………………………………………………………………9 4.2定时电路 …………………………………………………………………………10 4.3报警电路 …………………………………………………………………………11 4.4总电路 ……………………………………………………………………………12 4.5调试与仿真 … …………………………………………………………12 4.5.1抢答器仿真图…………………………………………………………12 4.5.2报警器仿真图…………………………………………………………………13 4.5.3定时器仿真图…………………………………………………………………13 5. 电路设计总结和体会 ………………………………………………………14 参考文献 ………………………………………………………………………15

题目：多路数字抢答器设计

摘要：

抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置, 从原理上讲, 它是一种典型的数字电路, 其中包括了组合逻辑电路和时序电路。主要由选择电路、锁存电路、复位装置、编译显示电路等组成。

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。

关键字： 抢答器 定时电路 报警电路

1引言：

在各种智力竞赛中，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。

2 总体设计方案

2.1 设计思路

①主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。 ②用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，如果犯规则闪烁显示队号 ③如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。 ④复位键用于恢复犯规或超时状态 2.2总设计框图

说明： 上图为该抢答器的总体框图，其工作原理是：在接通电源的情况下，要进行抢答之前，主持人需要将开关拨到“清除”状态，编号指示灯灭。抢答器处于禁止状态，定时器也不会有显示时间：此时，主持人可以将开关拨到“开始”状态，宣布开始抢答开始。定时器进行倒计时，选手在定时时间内抢答时，抢答过程完成，此次抢答结束，在这个过程中，优先判断、编号锁存、编号显示、并且扬声器发出报警信号告诉此次抢答结束。如果在规定时间内没有人抢答，到时间结束时就后发出报警声，再次抢答无效，比赛也会结束。

3 设计原理分析

3.1 芯片的选择

3.1.1、BCD-七段显示译码器

74LS48

图1 74LS48引脚图 表1 74LS48功能表

① 要求输出0～15时，灭灯输入（BI ）必须开始时保持高电平。如果不灭则

动态灭灯输入（RBI ）必须开路或为高电平。

② 将一低电平直接加于灭灯输入（BI ）时，则不管其他输入为任何电平，所

有各段输出都关闭。

③ 当动态灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输

入为高电平时，所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（RBO ）处于低电平（响应条件）。

④ 当灭灯输入/动态灭等输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为

低电平时，则所有各段都开通。

⑤ BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI ）或动态灭灯（RBO ）之用，或两者兼

用。

3.1.2、8线-3线优先编码器

74LS148

图2 74LS148引脚图 表2 74LS148 功能表

3.1.3、不可重复触发集成单稳态触发器

74LS121

图3 74LS121引脚图

3.1.4、555定时器 （1）单稳态触发器

由555构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R 向电容C 充电，当V 才上升到2/3Vcc时，Vo 为低电平，放电BJT T导通，电容C 放电，电路进入稳定状态。 若触发器输入端施加触发信号（Vi

（a ）电路图 （b ）工作波形

图4 由555定时器构成的单稳态触发器

（2）多谐振荡器

由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，其工作波形如b 图所示。

接通电源后，电容C 被充电，Vc 上升，当Vc 上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时Vo 为低电平，电容C 通过R2和T 放电，使Vc 下降。当Vc 下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo 翻转为高电平。电容器C 放电所需的时间为

t PL =0.7R2C

当C 发电结束时，T 截止，Vcc 将通过R1、R2向电容器C 充电，Vc 有1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为

t PH =0.7(R1+R2)C

当Vc 上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为

F=1.43/（R1+2R2）*C

（a ）电路图 （b ）工作波形

图5 由555定时器构成的多谐振荡器

4. 单元电路设计

4.1抢答器电路

图6 抢答电路原理图

工作原理：如图6，该电路实现两个功能：一是能够过分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码器显示电路显示编号；二是禁止其他选手之后按键无效。工作过程：当开关处于清除端时，74LS279的RS 触发器段均为0信号，所以四个触发器端均输出为0，此时ST 为0，根据74LS148功能表可以看出，该芯片处于工作状态。当开关达到“开始”端时，抢答器处于等待工作状态，当有选手按下键时，及有一个输入端为低电平，根据74LS148功能表可知，Y1，Y2，Y3处于一种输出状态，Yex 输出为0，所以1Q 输出为1，74LS48处于工作状态。根据2Q ，3Q ，4Q 的输出，译码器将显示第一个按下键的选手号码。并且此时1Q=1，使74LS148的ST=1，所以74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他键的再次输入。因为只有8名选手，编号从0000到0111，所以74LS48 芯

片的A3端不需要用到，所以可以直接置地。如果没有选手按键的话，七段显示译码器就会一直不亮，直到最后此次比赛结束

4.2定时电路

图7 定时电路原理图

工作原理：如图7所示，分为两个部分，一是秒脉冲，由555定时器构成的多谐振荡电路，根据公式振荡周期为T=0.7（R1+2R2）C ，可计算出该振荡器的振荡周期为1秒，由于是矩形脉冲，所以一个周期内发光二极管会发一次光。另一部分是可预置时间的减计数器，对于预置端可以采用十进制8421BCD 码设置，当555振荡器发出一个脉冲时，74LS192的CP-端就接受一个信号，在cp 脉冲的上升沿预置数就开始自减，当各位减少到0时，BO2就会输出一个负脉冲，cp2-就会开始减少1，然后74LS192二开始再自减1，直到预置数最后变成00，最后在BO2输出一个周期的负脉冲。在时间未到时，BO2一直到是输出正脉冲，除非最后变成00时，才会输出负脉冲，这就可以作为定时到的信号，如果是时间到了，输出是零，时间不到，输出是1。另外，假如有选手按键的话，则最后不会计数器不

会因为自减为00而最后输出负脉冲，而是应为秒脉冲输出与1Q 的非相与后当作脉冲输入74LS192的。当没有选手按键时，1Q 的非为0，所以cp 脉冲就会停止输入，时间就会停止，所显示的时间就是该选手抢答的时间，但此时的定时到信号还是1。 4.3报警电路

图8 报警电路原理图

工作原理：

该报警电路有555定时器和三极管构成，有555定时器构成一个多谐振荡器，其输出信号可以经三极管推动扬声器。PR 为控制信号，当PR 为高电平时，4端接高电平，振荡器正常工作，当为低电平时，振荡器停止工作，不会发声。

因为来一个高电平是该报警电路会发声，但是只有在一个周期内发声，这个周期非常短，只是多谐振荡器的一个周期，只有一秒钟，所以中间需要加一个单稳态触发器，根据555构成的单稳态触发器的功能原理，这样可以延长这个周期，是发声信号加长，该定时器用到的电阻是30 kΩ，电容是100uf ，根据公式计算得到的周期是3秒.

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4.4总电路

4.5调试与仿真

4.5.1抢答器仿真图

图10 抢答器仿真图

图9 总体电路原理图

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4.5.2报警器仿真图

图11 报警器仿真图

4.5.3定时器仿真图

图12 定时器仿真图

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4.5.4总电路仿真图

图13 总电路仿真图

5、电路设计总结和体会

为期两周的数字电路课程设计将要结束，在这两周里，我们从刚开始在图书馆查资料开始到中间时候在机房画图再到最后的整理实习报告，其中每一项都付出了心血，感觉到自己有太多太多的不足，尤其是在画电路图的时候，有许多的问题不懂，但在经过老师耐心解答后，自己感觉学到了许多东西，不仅仅巩固了课本上的理论知识，还知道了有些器件的实际用途，这些东西在课堂中时学不到的，所以自身觉得收获特别大。

这次课程设计过程中更加培养了我们发现问题解决问题的能力，在与同学讨论的过程中，自己不知不觉已经掌握了相关知识，自己的思维不在那么的局限。经过这次实习后自己从开始的单一思维到现在能将知识运用到实践中，感觉进步很大，并且自己的动手能力和合作能力也有巨大进步。

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参考文献：

[1] 康华光. 电子技术基础(模拟部分)(第五版)[M].北京：高等教育出版社,2006.1 [2] 康华光. 电子技术基础(数字部分)(第五版)[M].北京：高等教育出版社,2006.1 [3]刘修文. 实用电子电路设计制作 [M].北京：中国电力出版社，2005 [4]刘福太. 电子电路［M ］北京：科学出版社,2007.10

[5]崔建明，电工电子技术［M ］北京：高等教育出版社，2008.6

[6]阎石. 数字电子技术基础（第三版）［Ｍ］. 北京：高等教育出版社，1989 [7]叶挺秀. 应用电子学［Ｍ］. 杭州：浙江大学出版社，1994

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