一、设计题目：

四路抢答器设计

二、技术指导和技术要求：

用集成芯片设计并制作简易四路抢答器，具体要求如下：

1.每个参加者控制一个按钮，用按动按钮发出抢答信号；

2.抢答组数分为四组，即序号A、B、C、D，对应数字编码1、2、3、4，优先抢答者按动本组序号开关，该组对应数字编码立即锁存到LED显示器上，同时封锁其他组号，并有蜂鸣器声音提示。此后其他3人再按动按钮对电路不起作用；

3.竞赛主持人另有一个按钮，用于将电路复位。

三、选择总体方案，确定电路

1、提出电路的方案

方案（1）：

如图1所示为总体方框图。其工作原理为：通电源后，抢答器处于工作状态，编号显示器灯灭，主持人宣布“开始”，选手开始抢答，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人操作“复位”开关。

图1 电路原理框图

方案（2）：

下面是用74LS175、74LS00、74LS20得到的4路抢答器的电路，如图2。

这个电路只是通过发光二极管来显示其结果，没有达到按照选手的号码来显示数字，并且其电路抢答没有声音，所要求集成块个数跟方案(1)相当，但实现功能稍逊方案(1)。

2、方案的选择与论证

   比较方案（1）和方案（2），发现方案（1）需要元器件数量稍微多一点，但所需元件都是比较简易，电路不是很复杂，并且所显示的效果比方案(2)要多，达到了实验的要求。而方案(2)不能有效达到设计指标（没有声音、无数字显示），所以选择方案（1）。

图2 方案(2)电路图

四、单元电路推导和电路元器件参数计算

(1) 优先锁存、门控电路：

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱

动LED，其引脚图和功能表如图3。

图3  CD4511的引脚图和功能表

    门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能，由一个开关R连入电路实现。分析CD4511的功能表可知，给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。在抢答的准备阶段，主持人按下开关R后，CD4001 RS触发器输出端4号端口输出低电平，即CD4511的LE端口为低电平，4511处于消隐工作状态，LED数码管不显示；当第一个在抢答键按下时，5V电源通过二极管D3、D4、D5或者D6加至CD4001RS触发器S端，即1号脚输入高电平，其输出端4号脚变为高电平输出，即给LE一个高电平，锁存此时的编号，同时数码管显示相应的编号。观察CD4511的逻辑真值表发现，数码管显示“0”时与数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时，CD4511的输出端e、f有不同的特性，显“0”时给LE端一个低电平，显“1”、“2”、“3”、“4”时给LE端一个高电平。

（2）抢答编码电路：

A、B、C、D组成1~4路抢答器，任一抢答键按下都需编成BCD码，将高电平加到CD4511的A、B、C、D、4个BCD码输入端。分析CD4511的逻辑功能表，要在数码管上显示的4个十进制编号“1”、“2”、“3”、“4”所对应输入的BCD码应为“0001”、“0010”、“0011”、“0100”，4个二进制位从左到右分别对应CD4511的D、C、B、A4个编码输入端。显示“1”、“2”、“4”比较容易实现，只需要通过按键接通电源直接将高电平加到相应的端口A、B、C。而显示“3”则在A、B端口加高电平，这通过编码二极管D1、D2来实现，按键同时接在这两个二级管的正极，二极管的负极分别接在CD4511的A、B端，只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平，以实现编码。按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。抢答编码连接电路图如下图4所示：

图4 抢答编码连接电路图

（3）译码电路：

    由于需要用LED数码管显示抢答的相应编号，选用常见的BCD----七段锁存/译码/驱动集成电路CD4511。其工作的逻辑真值表如表1所示。

表1 CD4511逻辑真值功能表

将CD 4511的七段译码输出端A、B、C、D、E、F、G分别与数码管的7个端口连接，由于CD4511输出端的电压为5V，而数码管的前向导通电压和开门电压分别为1.66V和5V，这时CD4511与数码管连接时中间需要加限流电阻R7～R13=668Ω，限流电阻需要小于这个阻值，这里取330Ω。连接后的译码、数显电流如下图5所示。

图5 抢答译码连接电路图

（4）声响显示电路：

在CD4511的4、5端，用集成555定时器构成多谐振荡器，连接一个音频多谐振荡电路，并联一个喇叭，组成音频多谐振荡器，使抢答成功后的提示在LED显示及声音显示。如下图6：

    

图6 蜂鸣器、LED数码管显示图

五、总体电路图与电路工作原理说明

电路如图7所示。该电路完成两个功能：一是实现优先抢答的锁存、译码输出驱动LED数码管显示先抢答者的号码，同时四路抢答器发出响声，其他选手再抢答视为无效抢答；二是主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。工作过程：抢答前，主持人按下“复位”R按钮后，RS触发器的 Q端输出为低电平，即CD4511端4号引脚接低电平，所以CD4511 处于消隐工作状态，a-g 全为 0，即LED 数码管不显示，多谐振荡器不产生振荡，蜂鸣器不响。开始抢答时，第一个抢答者按下按钮后，输入的高电平经4-3线编码电路编成对应的 8421BCD 码，然后输入到 CD4511 中，与此同时，CD4001RS触发器的S输入端1号脚输入高电平后，其输出端4号脚变为高电平，即CD4511的LE锁存控制端接高电平，所以CD4511 处于锁存工作状态。此时CD4511输入对应的译码输出将锁存起来，根据上述4-3线编码器功能真值表和CD4511真值表，即可查到此时候LED数码管显示值（高电平记为“1”，低电平记为“0”）。此时，数码管保持显示第一个抢答者的号码，同时多谐振荡器开始产生振荡，蜂鸣器发出响声。上电复位后的时刻，CD4001 的6号脚瞬时输入高电平，4号脚输出低电平，使LED数码管不亮，多谐振荡器停止振荡，蜂鸣器不响。集成器件 CD4511 的 A、B、C 输入端分别通过R4、R3、R1接“地”（低电平）。

图7  总体电路原理图

六、元器件和实验设备清单

表2

七、电路的组装、调试、功能验证 

1、测试触发器及各逻辑门电路的逻辑功能，判断器件的好坏。

⑴ 测试锁存功能：按原理图图7连接好CD4511逻辑门电路部分，准备测量CD4511的各个引脚的电位值，将其与上述 图3 CD4511功能图相对应，高电平即为“1”，低电平即为“0”。经测试发现CD4511功能正常。测试结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：

表3 CD4511 管脚电位测试结果

   ⑵ 测试CD4001四2输入或非门功能：按电路原理图7，测试CD4001 各个引脚电位，高电位为“1”，低电位为“0”，观察结果是否符合逻辑表达式，其中（1）A=1号引脚，B=2号引脚，Y=3号引脚；（2）A=5号引脚，B=6号引脚，C=4号引脚。若符合逻辑表达式，则对应CD4001完好，测试发现器件正常。测试各个引脚电位结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：

表4

    ⑶ 测试NE555定时器组成的多谐振荡器：按原理图中图7连接好电路，蜂鸣器输出端接入示波器，观察其输出波形，若未抢答时候波形为正弦波，抢答成功后输出波形为方波，则多谐振荡电路正常。经测试发现，元器件正常。

 

图8 正弦波与方波

2、按原理图连接好四部分内容，检查连线无误后打开电源开关，测试抢答器的功能。

抢答开始，按下A、B、 C、D某一按钮，观察对应LED显示器，是否显示相应得数字，按A开关时候，显示数字1，B显示数字2，C显示数字3，D显示数字4 ，并且蜂鸣器发出持续的声响；按下R复位开关时候，LED数码管不显示数字，蜂鸣器声响停止。若LED显示器显示对应的开关号，并且按下其抢答开关，电路工作状态保持不变，则说明整个电路系统正常；否则就说明电路有问题，应仔细检查各部分连线是否正常。同时检查蜂鸣器和显示器是否按照规定方案蜂鸣和显示。如果都正常则实验成功。

八、测试结果分析

经检查，各部分连线无误，各部分间的连线都正确，每个元件都正常。

检测抢答器的最终功能，先将抢答器接到5V直流电源上，按钮A置“1”，LED显示1，蜂鸣器发出声响，按下其他抢答按钮不起作用；再次将复位按钮按下，LED无显示，蜂鸣器停止发出声响。

其测试项目如下表所示：

表5

九、遇到的问题及解决

1.实验中出现的问题是电路稍微复杂，焊接该电路所需要的导线需要很多；再者在焊接电路过程中必须确保每一步焊接的电路正确，是电路搭接美观实用；最后是通过使用万用表来检测焊接电路的正确性。

2.焊接电路得保证焊点没有虚焊，为此我们焊接速度比较慢，谨慎焊接，保证每个焊点都没有虚焊。

3.在用示波器检测蜂鸣器输出端信号时候，发现信号残缺，后经过排故发现有一根导线脱焊，为此我们小组同学又重新焊接。后来再测试发现信号没有残缺。

十、设计电路的特点和改进

    (1) 可靠性：整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。

    (2) 易测性：抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。

(3)实验改进：由于实验需要焊接的电线很多，以至我们在检查电路时太浪费时间而且也不方便，因此我们有必要使用印制的电路板，这样所使用的连线就会少一些。测试时候只需要把相应元器件正确安装在相应位置上即可。这样我们在使用时也会变得更方便，出现问题或故障时能很快找出问题的所在。印制的电路板如下图所示：

图9 四路抢答器印制电路板图

十一、收获与体会

十二、参考文献：

[1]《电工技术与电子技术实验》夏桂书 著，中国民航飞行学院  2003.3

[2]《电工学》秦曾煌 著，高等教育出版社 2009.6

[3]《制作天地》韦穗林 著，广西水利水电职业技术学院  2010.1

 

第二篇：四路竞赛抢答器设计

四路竞赛抢答器设计与仿真。

一、设计题目：四路竞赛抢答设计与仿真

二、设计要求

设计并仿真能容纳四组参赛队参赛的声光显示抢答器，要求：

1）主持人按下复位后，允许开始抢答，

2）有人抢答成功，即发出光、声报警信号，并封锁其他参赛队抢答信号的输入

主要器件

1）74LS175、74LS04；

 2）发光二极管、蜂鸣器、三极管等。

三、题目分析

为达到设计要求可以有两种方案可以选择

方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。

方案2：采用集成4D触发器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。

经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件Multisim来进行仿真调试，再进行逐步改进。智力竞赛是在竞赛中分成几组参加，我设计的为四组，这时针对主持人提出的问题，各组一般进行抢答，对于抢答，需要一种逻辑电路抢答器作为裁判员。先由主持人控制主电路，各组再进行抢答，优先抢答者抢到并回答问题解除抢答信号后，电路才恢复下一次抢答。

以下是我设计的智力竞赛抢答器的主要设计思路：主持人控制开关接地与四组开关接5V电压，我集成4D触发器74LS175，起到优先抢答的作用。利用当其中一组抢答即对应的开关关闭，对应的锁存输入端为高电平，对应的输出端也为高电平，经过与门，实现锁存功能。这样，当一组抢答时其它组就被屏蔽了。举个例子来说，若一组得到抢答权，则由于接上电压该组输出高电压，又由于锁存器的锁存原因，其它二组，三组，四组输出的为低电平，与一组相连的发光二极管会发光，同时通过或非门与报警电路相连，使之发出连续响声。因为由两个或门与译码器连接，译码器是输入高电平有效，而第一组输出高电平时，对应的LED亮，说明改组拥有回答问题的权利。当主持人的控制开关复位时，各组的抢答者就开始抢答，当主持人的控制开关清零复位时，开始下一轮抢答。

以上就是我设计的竞赛抢答器的设计思路。

四、总体方案

1根据设计要求和题目分析本次设计的四路抢答器总共有2个部分。

第一部分：抢答电路。 ：

包含（1）四组参赛者用的抢答按钮

（2）产生时钟脉冲的电路

（3）显示不同灯光的电路

（4）主持人使用的清零开关电路。

第二部分：蜂鸣器报警电路。

说明：我们设计的四路竞赛抢答器主要有两部分组成，一部分是抢答电路，二部分是报警电路，第一部分可以实现参赛者的抢答和对其他参赛者信号的封锁作用，还有主持人的清零作用。第二部分起报警作用。

2原理说明

电路中的主要器件是74LS175型四上升沿D触发器，它的清零端和时钟脉冲是四个D触发器公用的。

(1) 按照电路图连接电路。

(2) 抢答前先清零，四个发光二极管LED都不亮扬声器不响。同时时钟脉冲CP可以经过与门1进入D触发器的CP端。此时触发器的状态不变。

(3) 抢答开始，若A首先被按下，相应的红光二极管亮；同时扬声器响。同时，时钟脉冲CP不能进入D触发器。由于没有时钟脉冲，因此再接着按其他按钮，就不起作用了，触发器的状态不会改变。

(4) 抢答判决完毕，清零，准备下次抢答用。

五、具体实现

（1）总体方框图

说明：有四组参赛选手A、B、C、D参加竞赛，当主持人用手中的清零开关清零后，宣布四位参赛者开始抢答，一旦A、B、C、D参加竞赛者中的一位首先按下抢答开关后，它所对应的LED变亮，A参赛者对应红色的LED，B对应黄色的LED，C对应绿色的LED，D对应蓝色的LED.在灯亮的同时凤鸣器发出声音说明有参赛者已经抢答。同时CP时钟脉冲不发出脉冲进入集成4D触发器，其余三位参赛者手中的按钮将不起作用，信号也不再输出，使其他三位参赛者没法抢答。知道主持人按清零开关并复位宣布下一轮抢答开始为止。

（2）原理图

说明（1）A、B、C、D参赛者对应的抢答按钮向下为抢答，在上为没有抢答。

（2）A、B、C、D四位选手对应的LED颜色为红黄绿蓝

（3）主持人开关向下为清零，向上为复位，主持人清零复位后四位选手才能开始抢答。

六、各部分定性说明以及定量计算

    1抢答电路 （电路如图2所示）

包含（1）四组参赛者用的抢答按钮电路

（2）产生时钟脉冲的电路

（3）显示不同灯光的电路

（4）主持人使用的清零开关电路。

所以该电路有4个功能：

一是分辨出选手按键的先后，同时译码显示电路使其对应的LED发亮。

二是要使其他选手随后的按键操作无效。

三是主持人可以对电路清零。

四是由一个CP脉冲产生脉冲电路。

（3）抢答电路图

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非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门1输出端为低电平给D触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U1输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过译码器74LS175译码，把相应的信号显示在LED上。另外，当选手按键后，抢答器的锁紧回路发挥作用使CP脉冲停止产生脉冲，           从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。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。        

定量计算：经过对设计要求的分析以及多次的定量计算最后得出选用下列原件能满足设计要求。

（1）  非门电路选用74LS04d集成芯片。

（2）  4D触发器选用74LS175D集成4D触发器。

（3） 阻值为50欧的电阻。

（4）+5V电压源

（5）5V/1KZH的CP时钟脉冲。

2报警电路

由非门电路、三极管、电阻和蜂鸣器构成的报警电路，当主持人宣布抢答后当有选手抢答后蜂鸣器发出声响，起报警作用。

（4）报警电路图

工作原理:当有抢答者抢答后集成4D触发器发出信号由非门产生一个高频信号1，经过三极管放大该信号使蜂鸣器收到信号，蜂鸣器收到高频信号，并发出一声蜂鸣声，说明有选手按了抢答按钮。

直到下次抢答开始蜂鸣器才能发出蜂鸣声。

定量计算：经过对设计要求的分析以及多次的定量计算最后得出选用下列原件能满足设计要求。

   (1)4.7千欧电阻

（2）NPN三极管

（3）蜂鸣器的频率为200HZ

七、实验仿真

采用虚拟电子实验室10.0].NI.Multisim.V10.0.1.软件

把设计的电路图绘制在软件中，并运行，得到的仿真结果和设计电路的要求一样，当按下清零开关5后红黄绿蓝四个LED都没有亮，蜂鸣器也没有发出声音，清零后恢复。当A首先按下按钮后红色LED发亮，同时发出蜂鸣声音。此时B、C、D再按下抢答按钮，黄绿蓝色的LED都不会再亮，直到清零开关清零回复后B、C、D三人第一个按下按钮，它们相对应颜色的LED才会发亮。同理当按下清零开关又复位后，B或C或者D中的第一个人按下开关所对应的LED才会亮，并发出蜂鸣声，而其他人随后按下按钮所对应的LED不会发亮也不会发出蜂鸣声。

八、元器件清单

   

九、设计心得体会

电子课程设计是本学期最后的一门课程设计，时间安排到接近期末考试前两周，所以时间紧迫任务也十分的艰巨，但不管怎样我们仍然得认真对待，本次设计我选择的是数字智力竞赛抢答器的设计，这个课题用到了数字电路方面的知识，通过这次课程设计，使我对与非门以及集成电路有了一定的了解，对课本上的知识有了近一步的掌握。

完成本次课程设计的过程，是一个从无到有的过程，因为以前没有过类似的课程设计，也没有使用过虚拟电子实验室软件甚至都没有听说过它的存在，所以起初不知该从何下手，后来仔细阅读设计的题目和要求，阅读设计指导书，再到图书馆和网上查找资料，同时对软件的不但熟悉和联系总算是有点眉目了。慢慢的终于知道了如何下手，后面的工作就容易一些了，万事开头难啊，和同学们在一起，不明白的地方可以随时问，互相帮助，完成课程设计，这样的一段经历，或许是我在完成课程设计的同时，收获的一份财富。同时这次的设计也激发出了我的刻苦钻研精神，通过刻苦的钻研，我很好的学会了虚拟电子实验室软件而且还把自己设计总电路图用仿真软件绘出来，重要的是最后的仿真结果还达到了设计的要求。

这次设计终于落下了帷幕，虽然时间不长很紧张，但让我真的学到了不少受益终生的知识和

认识，它不仅丰富了我的知识，更让我看到了实际上的应用。在我的成长之路上留下了深深的脚

印。虽然时间紧张，工作量大，身心劳累，但学到的知识和设计的经验确实使自己提高了很多。而这些经验都会伴随着我今后的学习，也为我们以后完成毕业设计打下基础。

十、参考文献

[1] 孙余凯、吴鸣山、项绮明 等编.555时基电路识图.北京.电子工业出版社.2006

[2] 杨崇志.特殊新型电子元器件手册.沈阳.辽宁科学出版社.2005

[3] 董平.电子技术实验.北京.电子工业出版社.2003

[4] 熊宝辉.电子技术基础.沈阳.水利电力出版社.1991

[5] 付植桐.电子技术.北京.高等教育出版社.2004

[6] 戴士弘.模拟电子技术实验与实习.北京.电子公寓出版社.1998

[7] 侯大年.数字电子技术.北京.电子工业出版社.1999

[8] 施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨工程大学.2001

[9] 胡汉章.数字电路分析与实践.中国电力出版社.2009

[10]李中发.电子技术.中国水利出水电版社.2009

十一、总电路图

十二、成绩考核