四人智力竞赛抢答器
数字电子技术课程设计
课 题：智力竞赛抢答器学 院：电气与电子工程学院专 业：班 级：组 长：组 员：
指导教师：
时 间：
自动化 100303
王金玉 20100846
齐兆举 20100841
侯 楠 20100832 刘婧瑶 20100836
蒲春华
2013.1.7—2013.1.11
设计题目十 智力竞赛抢答器
抢答器是竞赛问答中的一种常用的必备装置，从原理上讲，它也是一种典型的数字电路，包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路。
一、设计目的
1. 掌握抢答器的设计方法。 2. 熟悉锁存器的应用。
3. 了解学习触摸开关和发声元件。 二、设计指标
1.可供四组抢答，有人抢答时，蜂鸣器发声，同时优先抢答者对应的指示灯亮，而后抢答者对应的指示灯不亮。
2.主持人具有将抢答器复原的功能。
3.抢答者和主持人的按钮开关采用触摸按钮，蜂鸣器用压电陶瓷蜂鸣器作发声元件。
三、设计方案
智力竞赛抢答器是用来判断哪一个预定状态首先发生的电路。选手通过按键开关电路发出抢答信号，先按动者，抢答成功，保持与封锁电路将该信息保持下来，同时封锁其他选手的输入。抢答成功后对应灯亮，并启动声响电路发出抢答成功提示。主持人按键电路发出复位信号使保持与封锁电路的各输出清零。所以主要由开关阵列电路、触发锁存电路、脉冲产生电路、显示电路几部分构成。
（1）开关阵列电路是由多路开关组成，竞赛者与开关相对应。
（2）保持与封锁电路是当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，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。
（3）时钟脉冲源为锁存器提供时钟脉冲。
（4）显示电路即按钮开关按下时对应的指示灯亮。 根据上述设计，该装置的原理框图如下：
四、具体分析 1.触摸按钮
下图为两种自制的触摸按钮的原理图。触摸开关是两块距离约为1mm彼此绝缘的小导体（如铜片），也可用两根距离约为1mm的裸导线组成。图（a）示所示电路，原始状态时非门G输出为高电平，当有人用手指触及两个铜片时，相当于两块铜片间串接一个等效电阻，使非门输出变为低电平；图（b）所示电路，原始状态时非门G输出为低电平，当人用手指触及两块铜片时，非门输出变为高电平，为保护电路选用较大电阻。
2.按键保持与封锁电路
下图为4D触发器74LS175D，抢答前74LS175D四个抢答者的按钮均未按下，锁存器的输入端D1~D4全为0，所有显示电路无反应，当主持人宣布“抢答开始”之前，脉冲源信号进入CLK端此时抢答开关均为启动，输入均为0，触发器状态不变。开始后，有一个抢答
信号发出，Dn和Qn均为1，相应显示电路二极管发亮，Qn变为0，同时通过与非门送出信号，
锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其他信号，知道主持人再次清除信号为止。
显示电路
开关列阵电路
4D触发器74LS175介绍如下：
3.脉冲产生电路
该电路是由555定时器接成的多谐振荡器，由555定时器和外接元件R1,,,R2 C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，
1
2
利用电源通过R1,,,R2 向C充电和放电，使电路产生振荡。电容C在3Vcc 和3Vcc之间充电和放电，其波形是方波。其产生的方波为锁存器提供CLK脉冲。
由555定时器的特性参数可知，555电路要求R1和R2均应大于或等于1K欧姆，但R1+R2应小于或等于3.3M欧姆。
当电源电压为5V时，在100mA的输出电流下输出的电压的典型值为3.3V所以取VCC=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。由于对输出脉冲的占空比要求不高，为便于计算，令占空比D=
R1R2R12R2
23
，故得到R1=R2，令f=1Hz,则T=0.7（R1+2R2）C=1。若取C=0.1uF，得R1=R2=48k
Ω。
4.显示电路
（1）发光电路由一个发光二极管与一个电阻串联组成。 （2）单音频音响电路
下图是用压电陶瓷蜂鸣器作发声元件的单音频音响电路。压电陶瓷蜂鸣器再适当信号驱动下能够发声，两个CMOS门电路与R1、R2和C组成振荡器，当控制端电压UA为高电平时，振荡器产生振荡，输出的高频信号驱动蜂鸣器发声；UA为低电平时，振荡器停振，蜂鸣器不发声。
6.总电路图
7.创新方面
本次设计在题目要求的基础上又另加了一个震荡电路使得在裁判按下开关之后抢答的过程中LED5是一直闪烁的。
五、器件清单
元件名 电位器
蜂鸣器 发光管 实验板
型号 200欧 10K欧 5V 红
数量 1 1 2 10 2 元件清单
单价(元) 2 2 1 0.15 5
总价（元） 2 2 2 1.5 10
电阻 独石电容 按键 开关
底座
瓷片电容 铜柱 74LS175 74LS74 74LS00 74LS20 74LS04 555 总计
8脚 14脚 16脚
30 5 10 1 4 4 10 2 4 8 2 1 3 1 1 1
0.015 0.3 0.2 0.5 1.5 0.1 0.16 0.16 0.05 0.5 2 1 1 1 1 1
0.45 1.5 2 0.5 6 0.4 1.6 0.32 0.2 4 4 1 3 1 1 1
45.47
六、调试过程及现象
1.调试芯片74LS175 此四D触发器，各输入管脚均接入二极管，控制开关，检查4个二极管是否均正常发光。
2.先用数字电子实验室内的连续脉冲源对四D触发器的脉冲信号端即CP端提供时钟脉冲信号，以代替用定时器提供的脉冲源，观察整个抢答装置产生的现象。
（1）抢答开始前，开关K1，K2，K3，K4均置“0”，准备抢答，将开关S置“0”，发光二极管全熄灭，再将S置“1”。抢答开始，K1，K2，K3，K4某一开关置“1”，观察发光二极管的亮灭情况，然后再将其他三个开关中任意一个置“1”，观察发光二极管的亮灭是否有改变。
（2）重复（1）的内容，改变K1，K2，K3，K4任意一个开关的状态，观察抢答器的工作情况。
3.调试555脉冲源，用示波器观察其输出的脉冲波形，并结合实际电路调整其输出脉冲频率，待用。
4.断开实验装置上的连续脉冲源，接入设计出的555脉冲源，再进行实验。 5.组装各器件，进行统调。
6.按下四个开关按钮中的任一个，与其编号对应的LED被点亮，其他不亮，同时蜂鸣器发出声响。
7.确认在按下抢答按钮中的任一个之后，即使按下其他开关，其他LED也不亮。
8.将电路复位，观察现象。(由于连接实物失败，此调试过程均为理论过程） 七、总结
1.设计电路的优缺点
此电路结构清晰，连线简易，器件大众化，易购。容易控制，快捷方便。
555多谐振荡器不易调试。所设计的抢答器电路采用组合逻辑和时序逻辑电路设计，无需编程语言，具有电路简单，成本低廉，操作方便，灵敏可靠。易于制作等优点，而且在实际生活中具有很强的实用性。
2.收获与体会
本次设计数字抢答器，用到数字电子技术方面知识。通过这次课程设计，对集成电路的了解加深，课本上的知识更深的掌握。利用Multisim 10对4路竞赛抢答器的设计进行了仿真验证，实验结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和更强的适用性，达到了预期的设计目的和要求。通过本次设计体会到逻辑思维和团队合作的重要性。
八、参考文献
《数字电子技术基础（第五版）》 阎石 主编 《数字电子技术实验指导书》吉林大学出版社
九、集成芯片资料（另附）
74S175芯片资料：