八路抢答器实验报告.docx
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八路抢答器实验报告
物理与电子信息工程系
数字电子设计报告
八路抢答器
姓名：
专业：
10通信工程
班级：
02班
学号：
同组人：
学校：
时间：
2012/6/18
八路抢答器
摘要
本文介绍了一种74系列常用结成电路设计的的数码显示抢答器的电路组成、设计思路及其功能。
该抢答器除了具备基本抢答器功能外，还具有定时、计时和警报功能。
主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。
若在规定时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。
ABSTRACT
Describesacommon74seriesformingacircuitdesignofdigitaldisplaycircuitofvie,designideasandfeatures.Theviemustpossessbasicviefeature,alsohasatiming,timing,andalertingfunctions.Chairpersonsadoptedtimepresetswitchforpreemptiveanswertime,systemwillautomaticallycompletethecountdown.Ifpreemptiveanswerwithintheprescribedtime,thetimerwillautomaticallystop;ifnopreemptiveanswerwithinthetimestipulated,thenthesystembuzzersounding,promptedthefacilitatorpreemptiveanswerisnotvalidforthecurrentcycle,achievingalarmfunction.
前言
进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。
过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。
因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。
今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。
但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。
随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。
而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。
目录
摘要
ABSTRACT
1引言……………………………………2页
1.1八路抢答器的摘要………………………………2页
2设计任务与要求………………………………2页
2.1设计任务…………………………………………2页
2.2功能要求…………………………………………2页
3方案…………………………………………3页
4电路设计……………………………………3页
4.1单元电路设计……………………………………3页
4.1.1抢答电路…………………………………………3页
4.1.2定时电路…………………………………………5页
4.1.3秒脉冲发生电路…………………………………7页
4.1.4警报电路…………………………………………8页
4.1.5控制电路…………………………………………8页
4.2总电路………………………………………………10页
5电路仿真…………………………………………12页
6元器件介绍………………………………………13页
6.1元件清单………………………………………………13页
6.2元件简介……………………………………………13页
7心得体会…………………………………………14页
8参考文献…………………………………………15页
第一章方案设计
1.1设计任务：
（1）八组参赛者在进行抢答时（用八个LED数码管）代表，当抢先者按下前面的按钮时，抢答器能够准确地判断出抢答者，并以声、光为标志。
（2）抢答器应具有锁存功能，某组抢答后能自动锁存其他各组进行抢答。
（3）抢答应该具有一个总开关。
（4）使抢答具有限时功能，时间到时应发出声响，同时，时间数据要用数码管显示出来。
（5）有选手抢答时时间停止，警报电路发出警报信号，以提示灯光为标志。
1.2功能要求
（1）设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8名选手参赛，他们的标号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8.
（2）给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示
为此，要锁存输入电路，禁止其他选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
第二章系统的组成及工作原理
2.1系统的组成框图：
图2.1系统组成框图
2.2系统的工作原理：
定时抢答器的总体框图如下图2.2：
图2.2抢答器工作框图
如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。
其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。
扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。
图2.2所示电路的工作过程是：
接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。
当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：
（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；
（2）扬声器发出短暂声响；
（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；
（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
第三章电路设计
3.1单元电路设计
3.1.1抢答电路
该电路完成两个功能：
一是分辨出选手按键的先后并锁存电平信号，并通过译码显示电路显示编号；二是是其他选手的抢答信号处于无效状态。
该电路主要有八D锁存器74LS373、优先编码器74LS148七段译码器74LS48、74LS04、和七段数码管组成。
Dn
C
Qn
1
1
0
1
0
1
0
0
*
0
0
Q0
*
*
1
Z
74LS373八D锁存器引脚图和功能表图示
VccQ8D8D7Q7Q6D6D5Q5C
74LS373的功能表：
OC非Q1D1D2Q2Q3D3D4Q4GND
74LS373的引脚图
有功能表可以看出，74LS373只有当
=0是才能完成数据传输货锁存功能，当
=0且C=1时，74LS373输出随输入一起改变，当
且C=0时，74LS373将C发生正跳变前芯片的输出锁存。
输入
输出
EI76543210
A2A1A0GSEO
1XXXXXXXX
011111111
00XXXXXXX
010XXXXXX
0110XXXXX
01110XXXX
011110XXX
0111110XX
01111110X
011111110
1*1*1*11
1*1*1*10
10001
00101
01001
01101
10001
10101
11001
11101
74LS148是8线-3线优先编码器，其功能是判断抢答选手的编号，并对编号进行编码。
其引脚图和功能表如下：
74LS148的功能表
74LS148的引脚图
七段显示译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
引脚图如下
为消隐输入端（低电平有效）/脉冲消隐输出端（低电平有效），
为灯测试输入端（低电平有效），
为脉冲消隐输入端（低电平有效），当
时，a-g全为0，数码管显示全灭。
根据各个芯片功能，画出抢答电路，如图所示：
74LS48的引脚图
抢答电路的原理：
一开始，主持人开关置于0,74LS373处于锁存状态，任何选手抢答都无效。
此时74LS148的GS=1，EO=0，数码管灯全灭。
当主持人宣布开始工作时，开关置1，74LS373处于等待状态，当任意一个选手按下抢答按钮后，74LS373开始工作，此时Qn=Dn即与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制代码，经反向后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。
编码器74LS148工作时输出使能端EO为高电平，将其与开关信号一起经过异或门介入在经过与门接C端，此时由于EO与开关信号同为1，则C=0，再次将74LS373锁存，即使再有其他选手按动按钮，也不会再有输出。
这样完成一轮抢答，当主持人将开关置0时，74LS373输出全为1，则EO=0，使数码管灯全灭，并且74LS373进入锁存状态。
等待下一轮抢答开始。
3.1.2定时电路
该电路要求具有定时抢答的功能，并且定时时间由主持人设定，因此要设计定时电路。
该部分电路主要有555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个共阳极7段数码管
74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减法计数器，其引脚图图9和功能表图10分别如下：
74LS192的功能表74LS192的引脚图
输入
输出
注
CLR
UPDWNABCD
QAQBQCQD
1XXXXXXX
00XXD1D2D3D4
011XXXX
011XXXX
0111XXXX
0000
D1D2D3D4
加法计数
减法计数
保持
异步清零
异步置数
A、B、C、D为预置数输入端，QA、QB、QC、QD计数数据输出端，
为进位输出端（低电平有效），
为借为输出端（低电平有效）。
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成单电路，其应用极为广泛。
其引脚如图所示。
555定时器引脚图
定时电路的原理：
首先主持人根据题的难易程度来确定强大时间，并通过74LS192的置数端将时间输入，抢答开始前主持人将开关置0，处于清零锁存状态，当主持人将开关置于1时，就不能再预置数了，就开始抢答，此时有秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入74LS192，是芯片由预置数开始减计数工作，若没有选手抢答，一直减至00，产生警报，同时输出端“定时到信号”端由1跳变到0，阻止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。
若即使期间有人抢答，“输出到三端与门”端由1跳变到0，同样是减计数器停止工作，显示器上显示此时刻。
定时电路原理图如
下。
3.1.3秒脉冲产生电路
为了准确地计时，本设计需要内部秒脉冲产生电路，即能够产生周期为一秒的电路。
如图所示为用555设计的秒脉冲产生电路。
秒脉冲产生电路
因为周期为一秒，所以频率是1HZ。
图中电容C5的充放点时间分别是：
T1=（R15+R16）*c5*ln2
0.7（R15+R16）*C1,T2=R16*C5*ln2
0.7R2*C5
所以555的3端输出的频率为：
f=1/（T1+T2）
1.43/[（R15+2R16）*c5]
这里采用的电阻电容值分别是：
R15=15K,R16=64K,C5=10UF,满足上式，即得到的是秒脉冲，其中C2是抗干扰的作用。
3.1.4警报电路
为了满足设计要求，必须设计警报电路，该电路主要有555定时器组成，电路图如图所示。
图中555定时器用来构成多谐振荡器，振荡频率3端的输出脉冲频率为：
f=1.43/[（R11+2R12）*C1]
1KHZ
3端输出信号经过二极管驱动扬声器，发
出警报信号。
当4端的输入信号是1时，振荡器工作，有警报信号，4端输入0时
振荡器不工作，没有警报信号。
4.1.5控制电路
控制电路是抢答器的关键，控制电路包括控制扬声器发生时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路。
其主要完成一下三项功能：
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入正常抢答工作状态。
2.当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
3.当设定的强大时间到，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。
该部分电路的核心元件是74LS121，其引脚图如图所示，功能表如图所示
74LS121引脚图74LS121的功能表
74LS121具有如下功能特性：
1.当A1，A2两个输入中有一个活两个高电平时，B产生由0到1的正跳变时，电路有正脉冲输出。
2.当B为高电平时，A1，A2两个输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变时，电路有正脉冲。
其电路图如图所示。
由引脚6输出正脉冲宽度即控制扬声器发生时间
T=R1*C1*ln2
0.7R1*C1，而抢答电路要求发声时间0.5秒，因此选取R1=10uf可满足要求。
“输出到三端与门”端，“定时到信号”、
端，“主持人开关”端，共同控制输出正脉输出到三端与门
冲、的有无，当电路处于初始状态时，“主定时到信号
持人开关“端为低电平“输入到三端与门”主持人开关
端为高电平，“定时到信号”端为高电平，此时A1=0，A2=1，B=0，当主持人宣布开始抢答时，将开关S置于高电平，B产生0到1的正跳变，同时A1由0变成1，6引脚输出宽度为0.5秒的正脉冲，驱动扬声器发声0.5秒。
若在规定时间内有选手抢答，“输出到三端与门”端变为低电平，这样A1就由1变成0，产生一个负跳变，电路输出正脉冲，扬声器发声。
若主持人宣布开始抢答后无人抢答，A1=1，A2=1，B=1，预定时间到时，“定时到信号”端为0，A2将产生一个1到0的负跳变，电路输出脉冲，扬声器发声。
3.2抢答器整体电路
抢答电路整体图
下面介绍抢答电路整体工作原理。
首先是各个抢答选手分别对应的编号是S1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8.抢答后显示器上显示的分别是1、2、3、4、5、6、7、8。
然后是主持人对整个系统清零，将开关置于“清零”位置，输出低电平，分为三路：
一路与74LS148的EO端异或后变为高电平输出到74LS373的使能端C，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零，同时，EO由高电平变成低电平，与清零端异或后输出0，使74LS373处于锁存状态;另一路低电平输出到计数器74LS192的
端，而CLR接低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据;三十与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有警报信号
接下来主持人根据题目的难易程度设置强大时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D,C,B,A的高低电平来进行设置（例如要设定时间为30秒，就将十位的74LS192的D,C,B,A分别置为0、0、1、1，而将个位的74LS192的D,C,B,A都置0）。
当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为按平，此高电平有三路方向：
一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5秒的脉冲，驱动警报电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74LS192的
端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路与EO信号（此时为0）异或后将高电平输入C端，使八D锁存器处于传输状态，此时任何选手抢答有效。
当任意一名选手抢答时，例如2号抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端Q2输出低电平，则锁存器输出的八位电平经8-八位优先编码器74LS148编码输出的A2-A0再经反向后成为与输入信号相对应的三位二进制代码010，而74LS148的EO输出由低电平变成高电平，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器显示对应的编号。
此时，74LS148的EO端输出高电平，开关也输出高电平，二者经过异或门输出低电平，输出到锁存器74LS373的C端，起到锁存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，即实现了抢答功能；同时，由于74LS148的EO端输出高电平输出到集成单稳态触发器74ls121d的输入端，使其产生单个周期为0.5秒的脉冲，驱动警报电路发出声响，即实现了发声提示功能；同时，74LS148的GS端输出电平由高遍地，与秒脉冲相与后输出为0，使得脉冲抵达个位计数器74LS192的DWN端。
计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS48也输出高电平，EO端输出低电平至74LS148的灭灯输入端RI/RBO,使得信号经74ls192的结尾输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器74LS121的B端口，使其产生周期为0.5秒的脉冲刺激警报电路发声提示。
综上所述，我们设计的电路完全可以实现要求中的所有功能。
3.3：
电路仿真图：
第四章实验总结
本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了我们对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了我们对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。
针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。
同时也使自己认识到：
1、设计思路是整个设计的灵魂
拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。
只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。
翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。
2、焊接制作必须精益求精
焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。
3、调试
调试工作是个精细工作。
在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。
当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。
参考文献
1康光华.电子技术基础.数字部分.北京：
高等教育出版社，2005
2欧阳星明.数字逻辑.武汉华中科技大学出版社，2004
3李士雄.丁康源编.数字集成电子技术教程.北京高等教育出版社,2003
4曹汉房.陈耀奎编.数字技术教程.北京电子工业出版社,2003
5高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002
6谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.2000
7赵保终.中国集成电路大全（TTL集成电路）.国防工业出版社
8周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社
附录一：
元件清单：
序号
型号
名称
数量
1
74LS373
八D锁存器
1
工作电压5v
2
74LS148
优先编码器
1
工作电压5v
3
74LS48
七段译码显示器
3
工作电压5v
4
/
共阴、共阳七段数码管
阴
（1）阳
（2）
工作电压5v
5
74LS192
十进制可逆计数器
2
工作电压5v
6
NE555
非重复单稳态触发器
2
工作电压5v
7
74LS121
非门
1
工作电压5v
8
74LS04
二输入异或门
1
控制锁存信号
9
74LS86
三输入与门
1
用于计时电路和控制电路
10
74LS11
三极管
1
工作电压5v
11
9013
510R
2
用于扬声器电路
12
R1
1KR
1
用于发光二极管相连
13
R2
15KR
2
连接NE555的7脚与8脚
14
R4
10k
8
连接电源VCC与按钮及74LS373
15
R5
68KR
3
连接74LS121的11脚与VCC,连接NE555的6脚与7脚
16
R6
51
2
连接数码管9管脚与VCC
17
C1
0.01UF
3
接NE555的5脚与地
18
C2
10UF
2
接NE555的6脚与地
19
C3
100UF
1
用于扬声器电路
20
D1
发光二极管
1
提示秒脉冲
21
S1-S7
弹片开关
8
供选手抢答
22
S8
单刀双掷开关
1
主持人开关
23
扬声器
1
24
/
蜂鸣器
1
8R,6V
附录二：
74LS04元件简介：
其引脚图和功能表如图所示：
附录三：
74LS86简介：
所示。
74LS11是三输入与门集成芯片，其引脚图和功能表如下。
实物图：
抢答器
定时器
升级会员 