数电课程设计

智力竞赛抢答器

四路多路智能抢答器设计

前言

关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。

在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。

目       录

一、实验目的……………………………………………………………

二、设计内容及要求……………………………………………………

三、总体设计思想与方案论证…………………………………………

四、单元电路的设计、参数计算、器件选择及介绍………………….

（一）、封锁电路…………………………………………………………………….

（二）、脉冲电路……………………………………………………………………

（三）、亮灯电路与蜂鸣器电路……………………………………………………

五、总体电路设计图、工作原理及元器件清单………………………

六、 硬件电路安装、调试测试结果，出现的问题、原因及解决方法

七、 总结与体会…………………………………………………………

八、参考文献………………………………………………………………………

一、实验目的

1．学习智力竞赛抢答器电路的工作原理。

2．学习综合数字电子电路的设计、实现和调试方法。

二、设计内容和要求

设计实现一个可容纳四组参赛者的数字智力竞赛抢答器。

要求：

(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。

三、总体设计思想与方案论证

抢答器的设计思想：

1、       选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上并伴有响声。

2、       此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。

3、       之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。

原理框架图（图1）

图1.原理框架图

方案一、对照上面原理框架图，各个主要的部分选用对应功能的芯片进行设计，如果在仿真时没能找到相应的芯片则用相近的。比如在选手抢答时的输入用74148优先编码器进行编码让一个输入有效。

方案二、对照框架图，选用各种逻辑站以及相关的逻辑函数进行设计，编号进直接把锁存器的输出，并通过175锁存器驱动对应彩灯发亮。

通过比较可以得出方案二更可行，理由在于芯片组上集成的功能要强大些，且用的元器件的数目会相对少一些这样会更美观而且不容易出错。

四、单元电路设计、器件选择及介绍

1、封锁电路

封锁电路的主要功能是分辨选手按键的先后，并能把第一个抢答者的编号锁存起来，并使其他选手的按键操作无效。实现该电路的功能的主要芯片是74175（图1为功能表，图2为逻辑功能图，图3为锁存器电路）

表1

图2

     工作原理：当主持人控制开关处于“清零”位置时该电路清零即当RD接低电平时，，，，全为低电平，各显示灯均熄灭，即此时封锁器电路不工作，当主持人将开关拨到“开始”后即RD为高电平时，此时锁存器处于工作状态，即抢答器电路处于等待工作状态。这时当有选手将按键按下时（如按下SW2）。此时=1，由D触发器的功能可知，此时=1，=0。当=0时，经过与非门变为1再经过非门变为0，再和4个选手组成的或门逻辑器再与，选手就可以通过开关来抢答，而且只有一次输入变化，因此CP只接收到一次的电平变化，因此那就后就保持了第一次的输出所以就封锁了CP的输入，此时74175不再工作，从而实现了封锁其他选手的作答。

2、脉冲电路

①秒脉冲发生器由555定时器和外接元件R6、R7、C构成多谐振荡器。F=1000Hz

 

振荡周期T=T1+T2 ，T1为电容充电时间， T2为电容放电时间

充电时间  T1=0.7(R1+R2)C

放电时间  T2=0.7R2C

频率      f=1/T

3、亮灯电路与蜂鸣器电路

亮灯电路由四个发光二极管构成，由锁存器175驱动，蜂鸣器由反馈信号驱动。

五、总体电路设计图、工作原理及元器件清单

1 、电路工作原理

当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上并伴有响声。此后选手输入锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。然后主持人就按计时开关，选手开始作答。之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。

2、元件清单

3、总电路图

六、硬件电路安装、调试测试结果，出现的问题、原因及解决办法

1、这次设计的抢答器电路图简单，很多芯片的逻辑功能也都很清楚所以在调试时可以前判断该电路会是怎样的结果，对于这个抢答器,它涉及的大多都是数字电路的问题.所需要调试的值并不多.首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确, 还得仔细地看一下所用器件的型号是不是我们要的那种,在确保连接无误的情况下.那就能将整个电路进行防真了。按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。

当连接好所有电路后，自己当主持人测试。首先我断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,该选手的指示灯不亮。

另外也测试了当主持人合拢抢答开关时，看能否抢答。结果和预测的一样是不能抢答的。

此抢答器设计是按要求一步一步完成的，因此主要功能有两个个：

⑴ 抢答器的抢答功能，它能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者信息

用声、光指示。

⑵ 主持人的清零功能

2、脉冲改进

（1）在开始设计抢答电路部分时，遇到不知如何让组别输出显示为三的问题。经过查找资料和分析后，逐步更改测试达到了上面抢答电路的电路图。

（2）设计倒计时电路的秒脉冲时，用555构成多谐振荡器产生秒脉冲，但是仿真时在仿真时传递函数时间很缓慢，改变555扩展的电阻和电容增加产生的信号的频率。

（3）对总电路仿真时，传递函数时间很缓慢，等上长时间倒计时部分不出结果，因此改变秒脉冲信号和抢答部分74LS175的时钟脉冲的频率。

七、总结与体会

本次课程设计对于我的课题的要求基本上实现了。这次课程设计时间有点匆忙，虽然大部分的功能都实现了，但是还是会存在不完美的地方，实在是时间有点紧，没办法做长时间的修改。

设计进行地比较成功，对常用的芯片无论是从功能上，还是构造上都在了更深的了解，更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了仿真的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。也学了一个新的软件，这也是很重要的。

这一课程设计使我将课堂上的理论知识有了进一步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣，同时对用Multisim软件对电路进行设计和仿真有了初步的了解。对平时数电课上所学的电子元件的工作原理有了更进一步的了解，如：74LS175、555振荡器等。这次的抢答器电路设计也让我认识到光靠理论的知识连起来的电路并不一定能够实现，要对其就出现的现象进行不断的修改和测试，争取完美，此次由于我个人能力的问题，只能按照我个人的理解连接出电路图，虽然基本上完成了所要求的题目，但距离期望的结果还是相差很远。因此在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。

八、参考文献

《数字电子技术基本教程》   阎石  清华大学出版社

《电路与电子技术实验》  电工电子实验中心

 

第二篇：数字电路课程设计四路抢答器

数字电路课程设计

——四路抢答器

              

专    业：                     

班    级：                     

姓    名：                     

学    号：                       

组    员：                     

指导教师：                     

数字电子技术课设——四路抢答器

一、 设计题目

四路竞赛抢答器

二、 设计目标

1、     掌握四路竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。

2、     熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

三、 设计任务

1、     抢答器参赛者分为4组，每组序号分别为1、2、3、4，按键SB0~SB3分别对应4个组，抢答者按动本组按键，组号立即在LED显示器上显示，同时封锁其他组的按键信号。

2、     系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。

3、     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，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号（LED显示），同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

4、     抢答器具有定时（30秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始计时，显示时间，若无人抢答，计时到30秒的时候，扬声器发出声响，声响持续1秒。若参赛选手在30秒内有人抢答，扬声器响，同时LED灯亮，并保持到主持人将系统清零为止。

5、     可用555定时器和一定数值的电阻和电容产生频率为1KHz的脉冲，作为触发器的CLK信号。再经分频器输出秒脉冲作为定时器的CLK信号。

四、 进度安排

五、 设计方案

1、   所需电路元器件：

74LS74×2

555定时器×1

74LS160×5

74LS20×1

74LS00×2

74LS04×1

2、   各芯片的引脚图及功能表

74LS74引脚图及其功能真值表

555定时器的引脚排列图

74LS160引脚图管脚图

74LS160的功能真值表

74LS20引脚图及其功能真值表

74LS00引脚图及其功能真值表

74LS04引脚图及其功能真值表

六、  各部分电路设计原理

1、    判别电路：需要74LS74两个芯片，74LS20,74LS00,74LS04各一个，开关5个K1,K2,K3,K4,K5，1KHZ的脉冲，指示灯等，按照总体设计电路图（见七、总体电路分析设计四路及过程）连接，首先使每个芯片都正常工作，在第一个D触发器中，2接K1,12接K2，5和9分别接指示灯，6、8接到四输入的非门上，第二个D触发器中，2接K3，12接K4，5和9分别接指示灯，6、8也接到四输入的非门上，而两个D触发器中的1和13共四个口分别连在一起接开关K5，两个D触发器中3和11都连在一起，接出一根红线L1，然后在将74LS20的输出端接在74LS04的输入端，其中的输出端接74LS00输入一端，另一个输入端接1KHZ的脉冲，它的输出正好接在红线L1上，此时完成了抢答器。

2、    计时电路：（1）由1KHZ的脉冲分频1HZ的脉冲的制作：

需要74LS160三个芯片，1KH的脉冲和1HZ的脉冲，指示灯以及导线等，按照图连接，首先使每个芯片都正常工作，从右边往左开始分频，将三个芯片中的1，7，9，10分别接在VCC上，将最右边的2接在1KHZ的脉冲上，它的15接在中间160的2上，其中的15接在最左边的2上，其中的15接在指示灯上，再用一导线连在1HZ的脉冲上，另一端连在指示灯上，开始比较两个灯是否同时亮灭，如果同时，那么达到分频的效果了，否则检查线路。

（2）555定时器来得到1KHZ的脉冲

需要555定时芯片，电阻5.1千欧（两个），电容0.1U，还有一个未知电容等，按照图示连接，将1接地，4和20连在VCC上，在从VCC上连接到5.1K, 再经过5.1K，再经过电容0.1U，最最后接地，分别将芯片中的19连在两电阻之间，6和2连在R2和电容0.1U之间，3接指示灯，再将一个1KHZ的脉冲连在指示灯，观察比较是否同时(其中时间很短暂，无法准确观察出来，但根据计算公式也能计算出来，要是有示波器，可以正确的比较出来)。

                     （3）计数

需要74LS160芯片（两个），显示器，74LS00芯片等，按照图示连接，首先使每个芯片正常工作，将左边一个7，9，10接在VCC上，将15接在右边的7，10上，它的9接在VCC上，两个的1接在VCC上，3，4，5，6接地，11，12，13，14分别按照高地位的顺序接在显示器上，右边的13，14在接在74LS00的两个输入端上，输出一端，再接下个与非门一端，另一端接1HZ的脉冲，它的输入端接在两个芯片的2端口上，观察计数器是否从0开始计数到30。如果行，就说明计数成功了，否则检查电路。

3、    声光显示电路：抢答者按动抢答按钮，其对应的LED灯亮，蜂鸣器响。LED显示器通过计时电路送入的1HZ脉冲计时，当经过30秒无人抢答时，蜂鸣器发生警报。

七、  总体电路分析设计思路及过程

总体设计电路图

抢答器由D触发器为核心组成。由四个触发器和门电路组成，K1、K2、K3、K4为抢答按钮，高电平有效。K5为主持人的复位开关，低电平有效。

抢答前，主持人按下复位开关，将LED灯以及计时器清零。等待抢答。

抢答时，若抢答按钮中有1路按下，则其对应的LED灯亮，并驱动蜂鸣器发声。同时通过终止D触发器的CP脉冲来封锁他路抢答按钮的作用。

八、 

四路抢答器框图

 

九、  设计总结

数节课时的课程设计眼看尘埃落定。在这次课程设计中我们经历了阶段性成功的喜悦，以及部分电路失败的绝望，陷入困境时的不知所措，重新投入的振作。

特别是，在最后阶段完成整体调试的时候，我组所制作的电路蜂鸣器在初始时刻便发声，且无法抢答。当计时达到30秒时，蜂鸣器停止发声。经过长时间的观察，我发现，我组电路的1——4路抢答按钮在初始时刻便被按下，当K5清零后，产生无法抢答的现象；同时，判别电路给声光显示电路一个错误的信号，同门处输入长期为高电平，导致蜂鸣器在未抢答时发声。这个错误和电路关系不大，但是却会导致一个实验的失败，从这次失误中我们明白，做实验就要人人真真，来不得一点马虎。同时我们考虑，如何避免类似失误再次发生，是否能够通过修改电路设计来达到目的？这些将是我们在接下来的学习和实践中解决的问题。

数电课程设计作为一个提高学生动手操作和设计能力的课程，让我们更好地掌握所学的数字电路知识，将理论应用到实践上去，在实验中寻找自己的不足。在大学四年里，像这次一样动手制作的机会并不多。通过这次的课设，我掌握了一些排查故障的方法，理清了自己的逻辑思维。这些，给了我参加更多设计实践的兴趣和信心。我相信，在以后的学习中，我将得到更大的进步。

十、  参考文献

1、《数字电子技术实验（修订）》（电工电子实验中心）

2、《数字电子技术基础（第五版）》（清华大学电子学教研组）

3、national semiconductor