智力竞赛抢答器逻辑电路设计.docx

1、智力竞赛抢答器逻辑电路设计智力竞赛抢答器逻辑电路设计时间：2021.03.02创作：欧阳数一、 抢答器的简要智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢 答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且 能在极短的时间内，使人们增加一些科学知识和生活知识。实际进行智力竞赛时，-般分为若干组，各组对主持 人提出的问题，分必答和抢答两种。必答有时间限制，到 时要告警，回答问题正确与否，由主持人判别加分还是减 分，成绩评定结果要用电子装置显示。抢答时，要判定哪 组优先，并予以指示和鸣叫。二、 抢答器的任务与要求设计要求：每组设置一个抢答器按钮，供抢答者使用。 电路具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。

2、在主持人将系统 复位并发出抢答指令后，若抢答者按动抢答开关，则该组 指示灯亮并组别鉴别显示电路显示抢答者的组别，同时扬 声器发岀“嘀-嘟”的双响，音响持续2-3So电路具备自锁 功能，使别组的抢答器开关不起作用。设计任务：本题的根本任务是准确判别第一抢答者的 信号并将其锁存。实现这功能可用触发器或锁存器等。在 得到第一信号后应该将其电路的输出封锁，使其他组的抢 答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号必须在主持 人发出抢答命令后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。 当电路形成第一抢答信号之后，LED显示组电路显示其组别。还可鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频 率交换变化的音频振荡器工作，

3、使其推动扬声器发出响音, 表示该题抢答有效。三、设计方案用TTL或CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制 电路，具体要求如下：1.抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无 抖动开关来实现。2.判別选组电路。能迅速、准确地判处抢答者，同时 能排除其它组的干扰信号，闭锁其它各路输入使其它组再 按开关时失去作用，并能对抢中者有光、声显示和呜叫指 z O3.计数、显示电路。每组有三位十进制计分显示电路, 能进行加/减计分。4.定时及音响。必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出 单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。当有某组抢 答时，指示灯灭，最先抢答一组的灯

4、亮，并发出音响。也 可以驱动组別数字显示（用数码管显示）。回答问题的时间 应可调整，分别为10s、20s、50s、60s或稍长些。4、主持人应有复位按钮。抢答和必答定时应有手动控制。抢答器电路原理框图结构抢答开关=控电源电路显示申.路图3. 1抢答器原理框图结构框图利用锁存型D触发器CD4042来完成的四路抢答器。如 图3-4所示，触发器CD4042与非门CD4012等元器件组成 抢答器的控制电路，Q1-Q4, LEDPLED4等元器件组成显示电 路，与非门CD4011等元器件组成声音提示电路，SA广SA4 组成抢答按钮，S5A复位按钮，触发器CD4042是电路的核 心元件。当6脚输出高电平时

5、，触发器CD4042的输出状态 由输入的时钟脉冲的的高的电平来决定，CP=O时锁存数据, CP二1时传输数据。三、各单元电路设计（1）控制电路的设计控制电路是由锁存型的D触发器CD4042和与非门 CD4012等组成（如图3 8）； CD4042含有四组具有共同单位控制储存指挥输入.控制极性是可以选择的。如POL输入 为低电平电位及STORE输入亦为低电平，送至D输入之数据形式出现Q输出端及其互补出现于0输出端；CD4012为双4 输入端与非门两组正逻辑皆可单独使用。当任一闸之一或 一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高。如四 个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低。A系列元件 会产生

6、极坏之一面倒的反应。可使用B系列元件，但非临 界之应用。在没有任何电平输入时，CD4042的4个输入端 经过电阻上拉为高电平，根据其功能表可知其四个Q输出 端为高电平，0输出端为低电平LED不显示，此时与非门 CD4012输出为低电平使多谐振荡电路停振，从而控制整个 电路处于稳定状态。反Z,当CD4042输入高电平时，其输 出端Q与0分别输出低电平和高电平，CD4012输出低电平 使多谐振荡电路起振，从而控制整个电路进行正常的工作。 控制电路是整个电路的核心部分，当输入的CP=1时 CD4042进行数据传输，当输入的CP = O时CD4042进行数据 所存（判别第一个抢答者的信号）。CD404

7、2的好坏，决定了 整个电路的整体性能。、上图是集成D锁存器CD4042的逻辑图和功能表。芯片屮含 有4个D锁存器单元，共用一个时钟脉冲，CP为时钟端， POL为极性控制信号。CD4042功能见图，它的功能为：当 极性控制信号POL二0时，若CP二0触发器接收D信号，并在 CP上升沿到来时，锁存D信号，CP二1期间自锁D信号；当 POL=1时,则CP=1时，触发接收D信号，CP下降沿到来时 锁存D信号，CP二0期间自锁。图3-6控制电路（2）声响电路的设计声响电路用一个音频振荡器去推动一个扬声器（蜂鸣器） 工作即可。为求电路简单，声响电路所示一般声响电路都由 集成音乐芯片或简单的分立元件构成。图

8、3-7声响电路电路本声响电路的设计主要采用多谐振荡器和Q1等元件组 成（如图3 9）；当CD4012在输出低电平时多谐振荡电路 不工作；声响提示电路处于稳定状态（不工作）。当CD4012 在输出高电平时多谐振荡电路起振；驱动三极管工作从而 带动扬声器发出声音。声响提示电路处于工作状态）。当有 信号从振荡电路输出时，电流经R15形成一电压压降在Q1 的基极，此时Q1导通，电流从VCC经蜂鸣器到地，从而蜂 鸣器发声。该装置中，直流电源提供12V电压，足够驱动 蜂鸣器发声，所以不需要接入74LS244驱动。（3） 显示电路显示电路一般由LED为发光二极管或数码显示器来实 现，由于数码显示电路一般都需

9、要显示驱动电路来实现比 较复杂。而LED为发光二极管主要加上适当的正向电压， 该管即可发光,LED内接法有两种：即共阳极和共阴极接法, 要使其对方的发光二极管发光，前种接法使其相应的极为 低电平，后种接法使其相应极为高电平。半导体二极管的 优点是体积小、工作可靠、寿命长、响应速度快、颜色丰 富、缺点是功耗较大。在本电路的设计中主要采用Q1-Q4和LED1LED5等元 器件组成显示电路（如图3-10）,用来显示抢答者的组别。 CD4042的0端输岀低电平时LED不发光。CD4042的输出 高电平时LED发光,显示抢答者的组别。图3-8显示电路（4） 门控多谐振荡电路多谐振荡器是一种无稳态电路，它

10、在接通电源后不需 要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形 波的输出.由于矩形波屮的谐波分量很多，因此这种振荡器冠以”多谐”二字。在数字电路设计中常常使用555多谐 振荡电路、施密特振荡电路或者由简单的门电路来实现， 由于555多谐振荡电路、施密特振荡电路应用于对于电路 精度要比较高的电路设计屮。与普通的门电路相比门电路 具有电路结构简单、成本低、实现容易的特点。而在本电 路的设计中门控多谐振荡电路由CD4011门电路和R14、C1 等组成。它主要用来驱动Q5使扬声器发出声音。开关按下 与非门输出高电平，门控多谐振荡器起振。扬声器发声。门控多谐振荡器频率由R14、C1来决定，振荡器

11、频率约为SOOHZoCD401K CD4012的逻辑图和实现的功能如下表3 1实现的功能所有这四组正逻辑反和闸皆可 单独使用之。当任一闸之间或两输入端电位 低时，则输岀端之电位升髙：两 输入端同时电位髙时，输出端之 电位降低。当任一闸之一或一个以上 之输入端电位低时，将使输出端 电位升高。如四个输入端皆为高 电平时则输出端之电位降低。表3-1CD401K CD4012的逻辑图系统电路工作过程如图(3-3)所示抢答器由控制电路、显示电路和声 音提示电路3部分组成。锁存型D触发器CD4042、与非门 IC2-1CD4042等元器件组成抢答控制电路；QIQ4、 LED1、LED4等元器件组成显示电路

12、；与非门IC3CD4011等元 器件组成声音提示电路。JIAJ4A是抢答按钮，J5A位按 钮。四位锁存器D触发器CD4042是整个电路的核心器件， 当P0L6脚接高电平时，D触发器的输岀状态由输入时钟脉 冲的极性决定，即CP二1时，传输数据，CP二0时锁存数据。 当QIQ4没有按下时，CD4042的个输入端D1、D4经过电阻 R1R4上拉为高电平，因此其输出端Q1Q4均输出高电平， 01-。4输出为低电平，Q1-Q4均截止，发光二极管 LED1、LED4均不亮。此时与非门IC2TCD4012输出低电平， 由U4A、U6A CD4011等元器件组成的门控多谐振荡器处于 停振状态，提示音电路不工作

13、。同时与非门U3ACD4042输 岀低电平，使得U5A CD40U输岀高电平，即CP二1, D触发 器处于数据传输状态。假如SA1被按下，此时D1二0, Q1二0, 使得U2A4042输出为高电平,U5A CD4011为低电平，即CP=0, D触发器转入锁存状态，再按下其他按钮，电路不再响应。 同时CD4042的01=1, VY1接通,LED1点亮,显示第一路抢 答。在按下S1A的同时，与非门U3A输出高电平，门控多 谐振荡器起振，由Q5驱动扬声器发出提示音。门控振荡器 的振荡频率由R14、C1的参数决定，振荡频率约为800HZoSA5是复位按钮，按下J5A,可使与非门U5A CD4011 的

14、一个输入端置零，其输出变为高电平，即CP二1,电路又 回到Q1Q4二1, Q1Q4二0的初始状态，为下一轮抢答做好准 备，其他3路的工作原理与之相同。(5)总电路仿真分析四、电路的安装与调试数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安 装调试。这一步是对设计内容的检验，也是设计修改的实 践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。安 装调试的目标是使设计电路满足设计的功能和性能指标， 并且具有系统要求的可靠性、稳定性、抗干扰能力。这里 简要叙述安装调试数字电路的几个步骤。(1)检测电路元件最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器 测量、用电路实验或用替代方法接入已知的电路屮。集成

15、电路的检测仪器主要 用集成电路测试仪，还可用数字电压表作简易测量。实验 电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。替代法测 试必须具备已有的完好工作电路，将待测元件替代原有器 件后观察工作情况。除集成电路芯片外，还应检测各种准备接入的其他各 种元件，如三极管、电阻、电容、开关、指示灯、数码管 等。应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。(2)电路安装数字电路系统在设计调试屮，往往是先用面包板进行试装, 只有试装成功，经调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电 路。试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和 接插线之间松紧适度。安装中的问题往往集中在接插线的 可靠性上，特别需

16、要引起注意。安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系 统、边安装边测试的原则进行。先安装调试单元电路或子 系统，在确定各单元电路或子系统成功的基础上，逐步扩 大电路的规模。各单元电路的信号连接线最好有标记，如 用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。（3）系统调试系统调试试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入 信号进行调试，发现问题则先对故障进行定位，找岀问题所在的单元电路。一 般采用故障现彖估测法（根据故障情况估计问题所在位 置）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分， 逐一查找）、对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对 换位置）等。系统测试一般分静态测试和动态测试。静态

17、测试时，在 各输入端加入不同电平值，加高电平（一般接1千欧以上 电阻到电源）、低电平（一般接地）后，用数字万用表测量 电路各主要点的电位，分析是否满足设计要求。动态测试 时，在各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各点 的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时。除了调试电路的正常工作状态外，另外特别要注意调试 初始状态、系统清零、预置等功能，检查相应的开关、按 键、拨盘是否可靠，手感是否正常。五、总结与体会1、结果分析：当在主持人将开关S5A清零宣布抢答开始命令后,S1A、S2A、 S3A先后将开关闭合后后，LED1亮，说明CD4042将1组的 信号锁存，LED1亮，扬声器发出声响，主持人判别出第一 组抢答成功，其他组的显示不亮，没有抢答成功（如图3-13） 所示。从以上结论可以看出本电路的设计符合设计要求。2、总结这次设计培养了我运用所学理论知识和技能，分析解 决计算机应用实际问题能力。以及掌握设计计算机课题的 思想和方法，树立严肃认真工作作风和调查研究、查阅技 术文献、资料、手册及编写技术文献的能力。同时在生产 实践中所涉及的一些实践问题，又促使我带着疑问积极地 探索。进行设计从知识技能的准备到心理的充分认识都具 备了较好的基础。时间：2021.03.02 创作：欧阳数