数字抢答器课程设计.docx
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数字抢答器课程设计
2相关芯片及硬件电路设计2
2.174LS48芯片2
2.1.174LS48的功能特性2
2.1.274LS148芯片………………………………………………………………….....3
2.1.374LS148的功能特性……………………………………………………………...4
2.1.4555定时电路的介绍……………………………………………………………...5
2.1.574LS192芯片及其功能介绍……………………………………………………...6
2.1.674LS121芯片及其功能介绍……………………………………………………...7
2.2数字抢答器原理与原理图……………………………………………………………9
2.3报警电路原理与原理图……………………………………………………………..10
2.4定时电路原理与原理图……………………………………………………………..10
2.5时序控制电路原理与原理图………………………………………………………..11
3相关电路仿真图…………………………………………………………………………...13
3.1数字抢答器仿真图…………………………………………………………………..14
3.2报警及时序控制电路仿真图…………………………………………………..........15
3.3定时电路仿真图……………………………………………………………………..16
参考文献19
1绪论
1.1课题描述
现在抢答器市场竞争激烈，种类繁多。
很多单位在举办知识竞赛活动时有抢答一项，需要用到抢答器，普通电子抢答器使用通用集成电路制成，价格高、显示方式简单、性价比较差。
本文设计的数字抢答器制作简单，显示方式先进，性价比较高,所以有很大的发展空间。
数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。
通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。
1.2基本工作原理及框图
多路数字显示抢答器用于表少年开展科普活动，如智能竞赛等。
该课题利用电子技术知识设计出一个多功能数字显示抢答器，抢答器同时供多名选手或多个代表队比赛，分别用多个按钮表示。
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。
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。
本课题有利于培养学生开发设计能力和创新精神，为今后参加工作或从事通信类、电子类等实际工作奠定基础。
图1基本工作框图
2相关芯片及硬件电路设计
2.174LS48芯片
图274LS48引脚图
A-
端为译码地址输入端
RBI为脉冲消隐输入端（低电平有效）
BI/RBO为消隐输入/脉冲消隐输出（低电平有效）
LT为灯测试输入端（低电平有效）
2.1.174LS48的功能特性
表１74LS48的功能表
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
2.1.274LS148芯片
74LS148是优先编码器，是为了解决如单片机控制系统和数字电路中，无法对几个按钮的同时响应做出反映的问题，它允许同时输入两个以上编码信号。
不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。
74LS148引脚图如图所示：
图３ 74LS148引脚图
其中：
I0-I7：
编码输入端（低电平有效）
S：
选通输入端（低电平有效）
Y0-Y2：
编码输出端（低电平有效）
YEX：
扩展输出端（低电平有效）
ＹＳ：
选通输出端
2.1.374LS148的功能特性
74LS148优先编码器管脚功能介绍:
为16脚的集成芯片，电源是VCC（16）GND（8）,I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。
OE为使能端，其中使能端OE（芯片是否启用）的逻辑方程：
OE=I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE
当OE输入IE=1时，禁止编码、输出（反码）：
A2,A1,A0为全1。
当OE输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高。
表274LS148的真值表
输入
输出
EI
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
A2
A1
A0
GS
EO
1
x
x
x
x
x
x
x
x
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
x
x
x
x
x
x
x
0
0
0
0
0
1
0
x
x
x
x
x
x
0
1
0
0
1
1
0
0
x
x
x
x
x
0
1
1
0
1
0
1
0
0
x
x
x
x
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
x
x
x
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
x
x
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
x
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
从以上的功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为I7，I6，…，I0。
当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。
例如：
I5=0且I6=I7=1（I6、I7优先级别高于I5）则此时输出代码010（为（5）10=（101）2的反码）这就是优先编码器的工作原理。
2.1.4555定时电路
集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。
它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。
555和7555是单定时器。
556和7556是双定时器。
双极型的电源电压VCC＝+5V～+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3～+18V。
555电路的内部电路方框图如图4所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。
它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和1/3Vcc。
A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电开关状态。
当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。
是复位端（4脚），当
＝0，555输出低电平。
平时
端开路或接VCC。
图４ 555电路图
VC是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。
555定时电路可用于组成构成单稳态触发器、多谐振荡器、占空比可调的多谐振荡器、施密特触发器。
2.1.574LS192芯片及其功能介绍
1、74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器
图５ 74LS192引脚图
其中：
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出：
1001状态后负脉冲输出。
BO为借位输出：
0000状态后负脉冲输出。
2、其功能表如图所示
表374LS192的真值表
2.1.674LS121芯片及其功能介绍
54/74121为具有施密特触发器输入的单稳态触发器，其主要电特性的典型值如下：
表4
型号
输出脉冲范围
PD
CT54121/CT74121
40ns->28s
90mW
正触发输入端（B）采用了施密特触发器，因此，有较高的抗干扰度，典型值为1.2V。
又由于内部有锁存电路，故对电源Vcc也有较高的抗扰度，典型值为1.5V。
54/74121经触发后，输出（Q、/Q）就不受输入（A1、A2、B）跳变的影响，而仅与定时元件（CEXTRT）有关。
在全温度和Vcc范围内，输出脉冲宽度为：
tWQ＝CEXTRTln2≈0.7CEXTRT。
如果R1选用最大推荐值，占空比可高达90％。
由于内部补偿作用，使输出脉冲宽度的稳定性与温度和Vcc无关，而仅受外接定时元件精度的限制。
管脚图如图所示：
图６ 74LS121管脚图
Cext外接电容端
Q正脉冲输出端
/Q负脉冲输出端Rext/Cext外接电阻/电容端
Rint内电阻端
B正触发输入端
A1、A2负触发输入端
表５ 74LS121功能表
H－高电平L－低电平X－任意
说明：
1.外接电容接在Cext（正）和Rext/Cext之间
2.如用内定时电阻，须将Rint接Vcc
3.为了改善脉冲宽度的精度和重复性，可在Rext/Cext和Vcc之间接外接电阻，并且Rint开路。
2.2数字抢答器原理图
图７数字抢答器原理图
电路原理图如图7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0，74LS148的使能端为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=1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为"5"。
此外，1Q=1，使74LS148使能端为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此时由于仍为１Q＝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;清除"然后再进行下一轮抢答74LS148为8线－3线优先编码器，
表６ 74LS148真值表
2.3报警电路原理
图８报警电路
这部分电路我们是用555定时器和三极管构成,具体电路如图8所示]。
其中555构成多谐振荡器,振荡频率f0=1.43/[（R1+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；而当PR为低电平时，电路停振。
2.4定时电路原理
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3所示[5]。
图９定时电路原理图
2.2.1时序控制电路原理
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１０ 时序控制电路
设计的时序控制电路如图10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3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1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的输出为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的输出为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0，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
从数字抢答器、时序控制电路、定时电路三个电路中可以看出，各种电路要实现各种不同的功能，必须正确的组合和运用各种芯片的功能，对各种芯片的功能进行扩展，才能组合出具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点,经使用效果良好,具有较高的推广价值的电路，这样的产品才会深受人们的喜爱。
3 相关原理图
3.1数字抢答器仿真图
图11 数字抢答器电路原理仿真图
3.2报警及时序控制仿真图
图12报警及时序控制电路原理仿真图
3.3定时电路protel图
图13定时电路原理仿真图
在硬件电路的设计方面，完成了数字抢答器各个基本电路和功能电路的设计，并对抢答原理和电路的调试进行了深入的研究和了解。
增长了我们的构建和检测电路的知识。
数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。
总结
通过这次对数字抢答器的设计，我学到了很多专业方面的知识，还有许多以前没有涉及过的知识也都有了一定的了解和掌握。
给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时，课程设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试是一次理论联系实践的过程，在这次设计当中我经过认真学习了各方面的书籍资料并通过不断的上机辅助实验，使我能够把理论知识与实际相结合。
通过这次设计在很大程度上提高了我们的运用能力和实际操作能力，不论是对理论知识的掌握还是对具体知识的实际运用或是对正式论文的誊写方面都有很大的提高，也为我们以后踏上工作岗位打好基础，更使我更加明白了，“实践出真知”的真谛。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
我在熟悉的基础上掌握了protel99se电路设计软件的应用和功能，理论联系实际，增强了动手实践能力。
在实际设计中也碰到了许多突法的问题，锻炼了我们分析和解决实际问题的能力，给自己一个很好的学习机会。
为我们以后踏上工作岗位打好基础。
练的掌握它们，只有这样，我才能够把知识运用到生活中去，为国家的建设做出自己的一份贡献。
致谢
在设计中我不仅仅是锻炼自己分析问题解决问题的过程，更是对电路图的绘制学习的过程；除此通过这次课程设计使我加深了对专业知识的加深和认识，让我的实际动手能力有了更进一步的飞跃，也对自己现在所学的知识必将会在将来的有一番用武之地的，加深了我对知识运用到生活中的可信度。
可以说，每次对知识的学习都是我们自身头脑增长见识的过程，而这一次，则是我们知识转化成能力的一次飞跃的过程，在这次课程设计当中我学到了很多，在以后的日子里，我会更加努力地学习专业知识，并能熟练的掌握它们，只有这样，我才能够把知识运用到生活中去，为国家的建设做出自己的一份贡献。
同时十分感谢老师的在这次课程设计的过程中对我们的悉心教导和帮助我们不断地完善我的课程设计，对我的课程设计起到了指引方向的作用。
如果没有大家的帮助和支持，我就不能成功完成这次设计。
在此向各位老师以及同学们表示衷心的感谢！
参考文献
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[2]王毓银.脉冲与数字电路（第三版）.高等教育出版社，1999.
[3]路勇.电子电路实践及仿真（第一版）.清华大学出版社，2004.
[4]岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）.西北工业大学出版社，2001.
[5]刘常澍.数字逻辑电路（第一版）.国防工业出版社，2002.
[6]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版）.太原理工大学，2004.
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