自主设计实验

5.6智力竞赛抢答器设计

1.实验目的

1）熟悉74LS174 D触发器的管脚排列及功能。

2）熟悉74LS00、74LS20与非门的管脚排列及功能。

3）设计相应的电路图，标注元器件参数，并进行实验。

2.总体设计方案或技术路线

利用74LS175 D触发器设计供四人用的智力竞赛抢答器，用以判断抢答优先权。

抢答开始之前，由主持人按下复位开关清除信号，所有的指示灯和数码管均熄灭。当主持人宣布“开始抢答”后，首先做出判断的参赛者立即按下按钮，对应的指示灯点亮，同时数码管显示该选手的序号，而其余三个参赛者的按钮将不起作用，信号也不再被输出，直到支持人再次清除信号为止。

数码管显示要求利用试验箱上的CD4511数码管实现。

但由于没有买到74LS175 D 触发器，故选择了74LS174 D触发器为六上升沿D触发器来替代作为实验中的主要器件。74LS174 D触发器输出仅有Q没有Q(__)，为实现功能通过74LS04非门或74LS00与非门来实现。

3.实验电路图

(1)芯片管脚排列图

(2)初步设计电路

（3）改进后电路

完全用芯片连接

4. 仪器设备名称、型号

1）直流稳压电源  1台

2）数字万用表  1只

3）EEL-69模拟、数字电子技术实验箱  1台

74LS174D触发器，74LS00、74LS20与非门，74LS04非门，CD4511数码管，电阻，电容，导线若干。

5.理论分析或仿真分析结果

（1）理论分析

清零端R(__)D和时钟脉冲C是六个D触发器共用的。

抢答前先清零，1Q-4Q均为“0”，相应的发光二极管LED1-LED4都不亮；1Q(__)-4Q(__)均为“1”,与非门G1输出为“0”，扬声器不响。同时G2输出为“1”，将G3打开，时钟脉冲C可以经过G3进入D触发器的C端。此时，由于S1-S4均未按下，1D-4D均为“0”，所以触发器的状态不变。

抢答开始，若S1首先被按下，1D和1Q均变为“1”，相应的发光二极管LED1亮；1Q(__)变为“0”，G1的输出为“1”，扬声器发响。同时G2输出为“0”，将G3封闭，时钟脉冲C便不能经过G3进入D触发器。由于没有时钟脉冲，因此再次接着按下其他按钮，就不起作用了，触发器的状态不改变。

抢答判断完毕，由主持人清零，准备下次抢答。

（2）仿真结果

开始运行

主持人按下清零键J5

开始抢答（设选手2抢答成功，即J2闭合）

可以看到数码管显示2，LED2亮，此时再按其他按钮（如J3）

可观察到，按下J2，J2弹起后，再按J3按钮，数码管和LED显示都不变化，即选手2抢答后，其他选手再按抢答器无效。

直到主持人按下清零按钮J5

重新开始抢答。

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）

（1）按上述电路图连线，为使电路简单易于排查错误，先不连接数码管和扬声器，仅连接发光二极管LED，通过他们看电路运行结果，其中R(__)D由于逻辑开关不够，通过数据开关K1实现。

（2）连接电路后，接通电源，将数据开关K1置于高电平，置零是先将其置于低电平再改为高电平，完成置零，此时，LED应均不亮，然后按下任意逻辑开关，观察对应LED的显示情况，应该达到相应LED亮，其余LED 不变即不亮，此时再按任意的逻辑开关LED都不变化，即达到了一旦一位选手抢答了则其他选手不能再答题的功能。此时说明电路连接正确。

（3）加上数码管和扬声器，数码管按如图所示电路连线，连接好后接通电源，并试运行电路，可看见数码管的数字显示和LED显示和逻辑开关相对应，说明至此电路连接正确。断开电源，进入扬声器的连接，按如图所示连接扬声器，接通电源，试运行，若选手抢答，即按下其中一个逻辑开关，则扬声器响，完成所需功能。

7.实验结论

通过电路设计和连接完成了要求的简单四人抢答器的功能，同样的原理，可增加抢答人数至所需人数。

8.实验中出现的问题及解决对策

（1）没有找到74LS175 D触发器，故选择了74LS174 D触发器为六上升沿D触发器来替代作为实验中的主要器件，此实验中芯片还有两组端口闲置。。74LS174 D触发器输出仅有Q没有Q(__)，为实现功能通过74LS04非门或74LS00与非门来实现。

（2）数码管显示与LED没对应上，LED1亮对应显示“5”，LED2亮对应显示“6”，LED3亮对应显示“7”，LED4亮对应显示“8”，都不亮对应显示“4”与所需要的不相符，检查数码管设计和连线，做出改动，在数码管C端口输入处加了一个非门，则达到都不亮对应“0”，LED1亮对应显示“1”，以此类推。

（3）按最初想法连上扬声器后，发现功能没实现，接低频时钟信号时，LED和数码管显示仅维持一个时钟周期，就再次置零，可以开始下一次选择，若接的是高频信号，则在LED 和数码管显示中，我们能观察到的就是，仅按下逻辑开关时，LED和数码管显示，一松手就清零，经排查是因为按最初接法，扬声器电阻很小，相当于把G1输出端接地，则恒为“0”，G3的输入为“1”，与非门G3的输出结果仅与时钟信号有关，故没当始终上升沿来到时就将触发，而逻辑开关是按钮，除了按下瞬间都为断开，故触发器清零。改变扬声器接法，完成电路。

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议

在连接电路前要先检查导线是否完好，否则用到的导线多，若有一根是坏的就难以排查电路问题。

可以分步连接电路，易于排查问题。

很多芯片都可以找到替代品实现所需要的功能。

10．参考文献

 

第二篇：电工电子创新实验报告-四路抢答器设计

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

这次的实验是袁雷同学为组长，负责四路抢答器方案筛选、元器件的购买、焊接电路的检查、电路测试及实验报告书写整理工作；刘宝存同学负责焊接电路、检查电路、测试电路及部分实验报告书写工作；夏振龙同学负责部分电路焊接、实验报告检查、焊接电路检查等工作；尤旗同学负责电路检查、元器件性能测试等工作；程颐同学负责陪同组长购买元器件、实验报告书写及检查等工作。在我们5人的分工合作之下完成了这次实验，通过这次实验我们收获颇多：

1.和组员拿着选定的题目觉得很简单。脑海中马上就出现了几个设计思路，但在设计的几天里才发现设计并不是那么简单。静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合。

2.在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查表，分析功能，即学即用，印象很深刻。

3.既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我们认真严谨的工作作风。

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