摘要
在各种智力竞赛场合,抢答器是必不可少的最公正的用具。
通过本学年的《数字电路技术》的学习我们知道了它的原理其实是比较简单的，主要就是通过四D触发器7４LS1７5为中心构成编码锁存系统控制选手的抢答情况,再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出ＬＥD灯、数码管和扬声器连接起来即可。电路由主体电路和扩展电路两部分组成,主体电路主要由7４LS17５，即４D触发器来构成抢答锁存器,由主持人来控制７4LＳ１7５的清零端。当清零端为高电平“１"时，选手开始抢答,最先按键的选手相应的LEＤ发光二极管发光,并且扬声器发出声音，同时，由3个Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用。扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，并且在设计中加入了报警电路，以提示选手和观众。
经Ｐｒoｔeuｓ仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求功能。
关键词:三人智力竞赛抢答器、74LS17５、脉冲、锁存器
目录
1 设计任务及要求?错误!未定义书签。
2 设定系统方案?错误!未定义书签。
3单元电路设计、参数计算和器件选择............... 错误!未定义书签。
3．１抢答电路设计?错误!未定义书签。
3．2 定时电路设计........................... 错误!未定义书签。
３．3报警电路设计?错误!未定义书签。
4完整的电路图及电路的工作原理?错误!未定义书签。
4.1完整电路图............................... 错误!未定义书签。
４.2 工作原理?错误!未定义书签。
５心得体会..................................... 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。
附录?错误!未定义书签。
?三人智力竞赛抢答器
1 设计任务及要求
（1）设计一个供三人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，稍后的其他人按下开关则无效。抢答器具有显示功能，即选手按动按钮,相应的ＬＥD发光二极管发光，同时扬声器发出声音。
(2）主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；
（3）计时器计时采用倒计数的方式，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数定时器的时间可以随意预置；电路具有回答问题时间控制功能,要求回答时间小于等于1０0秒(显示为99到０)，当达到限定时间时，发出声响以示警告。
2 设定系统方案
电路大致可以由四个功能模块组成：以４D触发器74LS17５为中心构成
编码锁存系统电路部分,脉冲产生电路部分,倒计时显示电路部分,报警电路部分。在4Ｄ触发器构成的抢答锁存器中,由主持人来控制7４LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时,选手开始抢答，最先按键的选手相应的LED 发光二极管发光，并且扬声器发出声音,同时，由三个非Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用,这时抢答无效。
在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲,因为可以通过改变电阻电容微调频率,取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了。
在倒计时显示电路部分中,由计数器７4LS192，数码管显示器组成。利用74LＳ19２计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时,7４LS19２被置初始值,抢答时间开始倒计时，并通过7４LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间。假如在规定时间内无人抢答,即抢答时间为0时，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒；假如在规定时间内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间停止倒计时，蜂鸣器鸣叫0。5秒,与此同时,回答时间开始倒计时,并通过74LＳ48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间,若规定时间内选手没有回答完，则计数器停止倒计时,回答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒。
在报警电路部分中,由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。
３单元电路设计、参数计算和器件选择
3。1 抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，用LED发光二级管显示表示；二是要使其他选手的按钮操作无效。因此,选用4Ｄ触发器7４LS1７5、四输入端与非门74LS20和六组反相器7４LS０4以及LEＤ灯显示电路完成上述功能.
7４LＳ１75是常用的四上升沿D触发器集成电路，里面含有４组Ｄ触发器，可以用来构成寄存器，抢答器等功能部件。当清除端ＭＲ为低电平时，输出端Ｑ为低电平.在时钟CP上升沿作用下,Q与数据端D相一致。当CP为高电平或低电平时，Ｄ对Q没影响。其引脚图及真值表如下图所示.
图１74ＬS175的引脚图
表1 74LＳ175真值表
根据各芯片功能及抢答器的功能要求,抢答器电路如下所示
图2 抢答器电路
工作原理：图2三个按钮为三位选手的抢答开关,单刀开关为主持人控制开关.当主持人控制开关置于清零状态，即闭合时,清除端ＭＲ为低电平，输出端Q为低电平,于是ＬED灯灭，此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于开始状态，ＭR为高电平，74LS１７5的Q经四输入与非门(U3：A）输出接入到抢答按钮左边的公共端，按钮右边经反相器接到７4ＬＳ17５的输入端D，并且同时接到四输入与非门（U3:B）,再经两个反相器延时接到74LS１7５的时钟CLＫ端，抢答器处于等待工作状态.
若有选手（假设为1号选手)按动抢答开关(即按下按钮①瞬间)，此时7４LS1７5的输入端D0为高电平,7４LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿的作用下，输出端Q０与输入端Ｄ0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮.同时,由于Q０为低电平，与非门(U3:A）输出为高电平，将按钮的公共端变为高电平，若此时按钮①还处于闭合状态，则与非门(U3：B）输出为低电平,使CＬＫ变为低电平，此时74LＳ175处于禁止工作状态,其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态,LEＤ灯灭,一但恢复初始状态,以便进入下一轮抢答环节。
3。2 定时电路设计
设计要求抢答器具有定时功能,且节目主持人根据抢答题的难易程度,可设定一次抢答的时间(设为10s）和回答的时间（设为60秒）。设计中选用十进制同步加/减计数器７4LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图4所示,功能表如表2所示.
图３ 7４ＬS192引脚图和逻辑图
P０、P1、P２、P3——置数并行数据输入;
Ｑ0、Q1、Q2、Ｑ３——计数数据输出；
MR——--————清零端；
PＬ-—--————置数端;
CP
Ｕ
-———--—加法计数CP输入；
ＣP
D
————-—减法计数ＣP输入;
TC
U
——————-进位输出端；
TＣ
D
-———--—借位输出端。
表2 ７4LS192功能表
根据设计要求，需要两片74LS１92构成１０0进制减计数器。由功能真
值表可知,只需将个位74LS１92的借位输出端ＴC
D 与十位７4LＳ19２的ＣＰ
D
即可实现100进制减计数。值得注意的是,要使其实现减计数，ＣP
U
端口必须接高电平。本课程设计采用四片74LS192，其中两片控制抢答时间,另外两片控制回答时间。
计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由５55构成的多谐振荡器构成,如图５所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。
因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：＝R7×C2×ln2≈0。7(R7×C2)
t
１
=（R6+R7）×C2×ln2≈0．７（R６＋R7)C2
t
2
所以５55的3端输出的频率为： f＝１/(t1＋t2)≈１．43/［(2R６+R7）C２］
我们采用的电阻和电容值分别是：R６=１5ＫΩ，R7=６8ＫΩ，C2＝１0uf,满足上式,即得到的是秒脉冲。
由以上集成芯片设计的定时电路如图5所示。
图5 定时电路
工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变拨码开关ＤSW１-4的状态，从而改变7４LS19２的输入端D3Ｄ2D1D0的电平来确定抢答时间(假定为10秒)和回答时间（假定为60秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关,7４LS１9２的置数端PＬ为低电平有效,处于置数状态,数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，抢答计数器处于计数状态，5５5产生的秒脉冲与十位74LS1９2借位输出端（其初始状态为高电平)以及抢答按钮公共端的反相信号相与。计数器递减计数至０0，十位74LS1９2借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警.计时期间
有人抢答,抢答减计数器停止计时，抢答显示器上显示此刻时间,同时，回答计数器开始计数，当计数器递减计数至00，计数器停止工作，产生报警。
3．3报警电路设计
由5５５定时器和电阻电容构成的报警电路如图６所示。图中5５5定时器用来构成单稳态电路。
图6 具有微分环节的5５5单稳态电路
工作原理：由于外界触发脉冲Ｕｉ加了进来，电路Ｕｏ由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间T ｗ计算如下：
RC
RC U U U RC DD
DD DD W 1.13ln 3
20
ln T ==--=
显然,改变定时元件R 或C 即可改变延时时间Ｔｗ。我们采用的电阻和电
容值分别是:R=91K Ω，C=10ｕf, 满足上式，来产生１秒的延时时间；和R=47K Ω，C ＝1０ｕf,来产生0.５秒的延时时间.3端的输出信号接扬声器,发出报警信号,当计数器为0时，扬声器发出１秒的声音；当有选手抢答时,扬声器发出0.５秒的声音.
图7 完整电路图 4完整的电路图及电路的工作原理
４.1完整电路图
控制电路将抢答、定时电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总电路图如图７所示
图7 完整电路图
4。2 工作原理
下面介绍四路智力竞赛抢答器的使用原理。
首先是各个选手分别对应的按钮编号是①、②、③，抢答后选手对应的LED 灯被点亮，扬声器发出0.5秒的响声.
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置,输出低电平,分为两路：一路与抢答计数器的十位74L Ｓ192借位输出端TC d 相与后接到７4L Ｓ１75的清除端M Ｒ,当抢答计数器递减计数至00时，十位7４L Ｓ１92借位输出端为低电平，计数器停止工作,此时MR 端为低电平,７4LS １75处于禁止工作状态，即实现预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答,
并产生报警；另一路低电平与四个计数器7４LS1９2的ＰＬ端相连，使74LS19２的置数端ＰL为低电平有效,处于置数状态,数码管显示定时时间.
?接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间和回答时间，此设定可以通过调节四个拨码开关,从而改变输入四片74LS19２的四个输入端Ｄ3、Ｄ2、D1、Ｄ0的高低电平来进行（例如要设定抢答时间为１０秒，就将抢答计数器十位的74192的D3、D２、Ｄ1、D0分别置位为０、0、0、1，而将个位的74ＬS１９2的D３、D2、Ｄ1、Ｄ0都置于0；要设定回答时间为60秒,就将回答计数器十位的74１92的D３、Ｄ2、D1、D0分别置位为０、1、1、0,而将个位的７4LS192的D3、D2、Ｄ1、Ｄ0都置于０）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平,此高电平有两路方向：一路输出到抢答计数器74LS１92的LD端,使其处于高电平而开始减计数；
相与后接到74LS175还有一路与抢答计数器的十位74LS1９2借位输出端ＴC
d
的清除端MR,使其处于高电平而开始工作。
当任意一个选手抢答时，假设为①号选手按动抢答开关,此时７４LＳ１75的输入端Ｄ０为高电平，74LＳ１75的时钟ＣLK由低电平变为高电平,在上升沿的作用下，输出端Q0与输入端D0一致,即为高电平,1号对应的LＥD灯亮，同时扬声器发出0.5秒的响声，并且电路将信号锁存，７4LS175处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受.这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭,一但恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。
若到定时部分抢答计数器倒计时到０0还无选手按动按钮的话,则抢答计
输出为低电平，停止计数,同时抢答不数器十位7４LS192的借位输出端TC
ｄ
起作用，报警器报警。若有人抢答,定时部分回答计数器倒计时到00还未答完的话,报警器发出1秒报警声。
综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。
5 心得体会
通过本次课程设计，不仅使我有效的巩固了本学期所学的数字电路的知识，还加深了我对锁存器、逻辑电路等的理解。并且在课程设计的过程中，我了解并掌握了用Pｒoteus软件进行电路仿真，使我熟练掌握了数字芯片的性能和使用,这是我在课程设计之前没有想到的.而且，有些知识看着简单，实际运用起来还有一定难度，这促使我在今后的学习生活中勤动手,勤仿真,将所学的知识运用到实际中来。其次，本次课程设计也使我对数字电路的相关知识产生了浓厚的兴趣，例如一个秒脉冲电路，从芯片的选择，到电阻电容值得计算，都要求我们严谨。要想实现预期的功能，就要选择合适的电子