智力抢答器是一种在智力游戏或竞赛流行的电子设备.docx
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智力抢答器是一种在智力游戏或竞赛流行的电子设备
智力抢答器是一种在智力游戏或竞赛流行的电子设备，用于指示哪个参与者最先按下了按键，并将其锁定，直到主持人按下复位下一轮竞赛开始。
在本例中我们将用一些门电路制作一个简单的抢答器。
读者可以从中学习到基本门电路的应用，对数字逻辑设计产生一定的感性认识。
具体地，其功能从电路设计的角度可以这样描述。
以四路抢答器为例，电路的输入为四个按键分别对应四个游戏参加者，另一个输入为清零按键，对应主持人在下一轮开始之前将前一轮的指示清除。
输出为四个LED，分别对应四个游戏参与者，如果第一个LED被点亮，则指示第一个选手最先按下按键，以此类推。
当选手中其中一个按键按下时，对应的LED应该被立即点亮并且，除复位按键之外的输入被锁定，其他选手再按键时输入无效。
为了实现上述功能，我们设计了如附图一的电路.
在了解电路原理之前，读者对几门数字逻辑应有所了解。
电路中的LS175为一四路的锁存器，当CLK引脚输入上升沿时，D1-D4被锁存到输出端（Q1-Q4）。
在CLK其他状态时，输出与输入无关。
其异步复位端为低电平时，Q1-Q4输出为低，/Q1-/Q4输出为高。
电路上电后，按下复位按键，/Q1-/Q4输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。
同时用它们作为输入的与非门U1A输出为低电平。
电路进入准备状态。
这时，假设有按键S2被按下，与非门U1B的输出将由低变成高电平，形成一个上升沿经过两个非门的延迟后作为175CLK的输入。
CLK得到上升沿后会将D1上的数据锁存，这时由于S2是按下的，D1上应为高电平，故175的/Q1输出为低电平。
对应得LED被点亮，同时与非门U1A的输出也变为高电平。
它为高电平后，按键的两端都为高电平，故按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定。
达到了既定的功能目标。
制作与调试：
由于是数字电路，在确认焊接无误后一般都能正常工作。
因为本电路中的连线较多，读者焊接时应小心仔细。
由于只是实验用途，电路中的按键可以用元件包中的跳线代替，如附图中的实物制作所示，短路两个触点即为一次按键操作。
电路中的芯片在焊接时可以用IC插座代替。
焊接好后再插上实际芯片。
附一、电路原理图
附二、芯片封装引脚图
74LS20
74LS04
74LS175
附三、实物制作
附图1、焊接完成的电路
附图2、复位操作
附图3、按下第一路按键
附图4、按下复位按键
附图5、按下第二路按键
数字抢答器设计
2006-04-27 14:
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大中小
一、设计任务与要求
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
二、预习要求
1．复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理。
2．设计可预置时间的定时电路。
3．分析与设计时序控制电路。
4.画出定时抢答器的整机逻辑电路图
三、设计原理与参考电路
1．数字抢答器总体方框图
如图11、1所示为总体方框图。
其工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置?
quot;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时，扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图11、1数字抢答器框图
2．单元电路设计
（1）抢答器电路
参考电路如图11、２所示。
该电路完成两个功能：
一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：
开关S置于"清除"端时，RS触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝０，使之处于工作状态。
当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,=1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为"５"。
此外，1Ｑ＝１，使74LS148＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为１Ｑ＝１，使＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置?
quot;清除"然后再进行下一轮抢答。
74LS148为８线－３线优先编码器，表11、1为其功能表。
图11、２数字抢答器电路
表１０、１ 74LS148的功能真值表
（2）定时电路
图11、3可预置时间的定时电路
由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图11、3所示。
（3）报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
图11、4报警电路
（4）时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
图11、5时序控制电路
根据上面的功能要求以及图11、2，设计的时序控制电路如图11、5所示。
图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。
图11、4的工作原理是：
主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。
当定时时间到时，则"定时到信号"为0，=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间，其工作原理请读者自行分析。
四、实验仪器设备
1.数字实验箱。
2.集成电路74LS1481片，74LS2791片，74LS483片，74LS1922片，NE5552片，74LS001片，74LS1211片。
3.电阻510Ω2只，1KΩ9只，4.7kΩl只，5.1kΩl只，100kΩl只，10kΩ1只，15kΩ1只，68kΩl只。
4.电容0.1uF1只，10uf2只，100uf1只。
5.三极管3DG121只。
6.其它：
发光二极管2只，共阴极显示器3只。
五、实验内容及方法
1．组装调试抢答器电路。
2．设计可预置时间的定时电路，并进行组装和调试。
当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，能输出低电平有效的定时时间到信号。
3．组装调试报警电路。
4．完成定时抢答器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。
然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。
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