第8章 智力竞赛抢答器(2002年赛题)

题目智力竞赛八路抢答器电路设计班级 09无非<一>班学号 200910210101 姓名代让让指导严君美时间 2011-6-8 景德镇陶瓷学院电工电子技术课程设计任务书姓名：Ethan 班级：无非（一）班指导老师：严老师设计课题：智力竞赛八路抢答器的电路设计设计任务与要求设计任务：⒈设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是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SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8。

⒉给节目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。

⒊抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，当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，同时蜂鸣器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，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。

4.用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路，画出各单元电路图和总体逻辑框图，正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图以及写出设计总结报告。

设计要求：⒈抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30s)。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时蜂鸣器发出声响。

⒉参赛选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

⒊如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。

设计步骤1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；5、列出标准的元件清单；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

一、设计题目及要求1设计题目：智力竞赛抢答器2要求：（1）五人参赛每人一个按钮，主持人一个按钮，按下就开始；（2）每人一个发光二极管，抢中者灯亮；（3）有人抢答时，喇叭响两秒钟；（4）答题时限为10秒钟，从有人抢答开始，用数码管倒计时间，0、9、8…1、0；倒计时到0的时候，喇叭发出两秒声响。

二、设计过程及内容1 总体设计方案智力抢答器由5名选手及主持人作为共同输入端，由主持人控制总开关，当主持人按下按钮后，处于高电平状态。

此时选手可以进行抢答，最先抢答的人对应的二极管发亮，同时喇叭响两秒，且数码管显示器开始进行十秒倒计时，当计时器再次为0时，喇叭再响2秒钟，主持人控制总开关可复位。

方案如下:由五个高低电平（A1-A5）控制与之相应的发光二极管；第六个(B)用于主持人复位;脉冲输入信号（cp）经分频器产生需要的脉冲信号；由二极管控制数码管和其中一个喇叭响，再由数码管控制另一喇叭;因此整个课题设计可以分为4个模块，分别为抢答器，10s倒计时器，2秒计时器，分频器。

2 模块一抢答器逻辑图B为置零端，由主持人控制，A1—A5由每位选手控制。

Q1-Q5为对应的发光二极管。

主持人置低电平后,Q1-Q5都被置零；当主持人置为高电平时，抢答开始，最先抢答的人对应的二极管发光，通过与门将cp信号封锁，并输入低电平到DFF中，则其他选手按键时，输出不会改变，实现了一人抢答后，其他人不能再做答。

主持人B清零后即可再次抢答。

此模块的仿真波形仿真图说明：当B为高电平时，即主持人按键以后，最先抢答的是5号，此时5号对应的指示灯亮，其他选手对此时的抢答器结果无影响。

3模块二10s倒计时器逻辑图此十秒钟倒计时器是由74168十进制减法计数器，它保留预制置数端、CP 信号端、计数输出端，，其余的端口都置为0。

LD是置零端，LD置高电平1时，74168有效，开始进行减法计算，倒计时开始。

当输出0、9、---1时，D触发器输出结果总是0，不影响CP信号。

摘要本报告设计的八路智力竞赛抢答器电路主要采由74系列常用集成电路组成，涉及到触发器、编码器、加法器、译码器和RC电路组成的多谐振荡电路。

该抢答器具有基本的抢答功能，通过共阴极数码管显示选手的号码。

当一轮抢答开始后，首先抢答的人由触发器保持状态并阻止其他任何选手输入状态，此次设计的抢答器在选手输入信号后先经过D触发器，再经过优先编码器编码，所有选手没有优先级之分，真正做到比赛的公平公正性。

编码后的信号经过加法器后输出合适的的二进制码，再经过显示译码器的作用，驱动共阴极数码管显示抢答选手的编号。

主持人可以通过控制按钮结束本轮的抢答并可以从新开始下一轮抢答。

本次设计的抢答器运用74LS148上升沿D触发器记录第一个抢答人的状态；运用47LS279控制触发器的工作，从而使第一个抢答者的状态保持，而其他人无法再抢答；运用优先编码器编码加0001，输出合适的二进制数；最后采用BCD-显示选手编号。

关键词: 抢答器触发器编码器加法器显示译码器八人智力竞赛抢答器1、设计任务及要求：设计任务：设计一个8人竞赛抢答电路。

要求：1.1 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1~ 8表示。

每个参赛者控制一个按钮，用按动按钮发出抢答信号。

1.2 设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制。

1.3 抢答器具有锁存与显示功能。

竞赛开始后，先由主持人将“开始/清零”按键按下，然后先按动按钮的参赛者将被显示器显示出来，此后其他三人参赛者再按动按钮对电路不起作用。

优先抢答的参赛者编号将一直被显示直至主持人将系统清零。

另外，在主持人按下“开始/清零”键时，计时器开始计时，时间为三十秒，在规定的时间内，仍无人作答，系统将发出蜂鸣声示警，抢答结束。

2、实验原理：2.1 八人竞赛抢答器电路的总体设计方案2.2 工作原理当抢答比赛开始时，主持人按下“开始/清零”开关，接通电源，抢答器开始工作，定时器倒计时，如选手在规定的时间内抢答，则抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示等一系列动作，当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答。

目录绪论 (3)第1章总体方案的设计 (4)1.1 任务要求 (4)第2章单元电路的设计 (6)2.1 抢答电路 (6)2.1.2 优先编码器74LS148 (6)2.1.3 CD4511引脚图 (8)2.1.3 七段数码显示管 (9)2.2 计时器电路 (10)2.2.1 计数器74LS160加法计数器（四位二进制） (11)2.2.2 其它元件 (12)2.3 报警电路 (12)2.4 振荡电路 (12)第3章整机电路的工作原理 (14)第4章系统仿真与调试 (16)4.1 multisim系统介绍 (16)4.2 电路仿真 (20)4.2.1 电路仿真图 (20)第5章实物制作 (22)5.1 制作过程 (22)5.2 元器件表器件（见附录2） (22)5.3 器件插放及焊接工艺 (22)5.3.1 器件插放 (22)5.3.2 元器件焊接工艺要求 (27)总结 (28)绪论随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合都要求有快速公正的额竞争裁决，例如证券、股票交易及各种智力竞赛等。

在现代生活中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众的极大兴趣。

而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，各组一般都要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，到时有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员，一般抢答器由很多门电路组成，线路复杂，可靠性低，特别是抢答路数增多时，实现起来就更加困难。

本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。

数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。

优先编码器、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制器和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。

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，并在数码显示器上显示选手编号，同时扬声器给出提示音；同时所存输入电路，禁止其他选手抢答。

竞赛抢答器要求：设计一个供四人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，并用声、光指示；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；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；每组有一个计分器。

从预置的100分开始，由主持人控制。

答对者加10分，答错则扣10分。

拓展要求：具有较强的扩展性。

用无线的方式实现抢答。

设计提示：关键是要存住第一抢答者的信息，并阻断以后抢答者的信号。

可用集成的多组触发器或锁存器辅以逻辑门实现（例如用TTL电路的74373，CMOS电路的14599等)；加减计分可以用十进制的可逆计数器完成，个位不变，仅十位以上参与加减； 倒计时可用减法计数器完成；各单元电路分别设计、调试，最后合成。

目录1.前言 ......................................................... - 1 -2.总体方案设计 ................................................. - 4 - 2.1 方案比较.................................................. - 4 -2.2方案论证及选择............................................ - 6 -3.单元模块设计 ................................................. - 7 - 3.1抢答器电路................................................ - 7 - 3.2计时器电路................................................ - 9 -3.2.1 555定时器.......................................... - 10 -3.2.2减法计数器........................................... - 12 -3.2.3 数字显示器........................................... - 13 -3.3 计分器电路............................................... - 14 -4.主要器件介绍 ................................................ - 15 -5.系统功能调试 ................................................ - 17 -6.总结与体会 .................................................. - 18 -7.谢辞 ........................................................ - 19 - 【参考文献】 .................................................. - 20 - 附录 .......................................................... - 21 -1前言关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。

一、摘要在各种智力竞赛活动中，参赛选手可以分成若干组，强答时每组选手对主持人提出的问题要在最短时间内作出判断，并按下抢答键回答问题，这就需要设置一台抢答器，并辅以数显、灯光、音响等多种手段，以便于准确、公正、直观地判断出第一抢答者。

数字抢答器利用电子器件则可以完成这一功能。

该抢答器允许抢答者在规定的时间范围内进行问题的抢答，不仅用数字显示出第一抢答者的组号，并配有相应的灯光指示。

若规定抢答时间已过，要告示任何输入的抢答信号都无效，除非重新下达抢答命令。

该设计课题就是针对上述要求，设计出至少供4名参赛选手使用的数字式抢答器。

二、系统设计1、设计任务与要求㈠抢答器至少同时供4名选手参赛，分别用4个按钮表示。

㈡设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由主持人控制。

㈢抢答器具有锁存与显示功能。

当主持人开关开启，参赛选手按动按钮抢答，抢答组号即在数码管上显示，同时绿灯亮。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的组号一直保持到主持人将系统清除为止。

㈣抢答器有定时功能，抢答时间为10秒。

当主持人启动开关时，定时器开始进行减计时。

在规定时间内如有人抢答，计时停止；若无人抢答，继续倒计时，直到显示无效字符，同时禁止抢答。

当主持人关闭开关时，系统重新置数。

㈤抢答器具有警示功能。

当主持人还没开启开关时，若有人违规抢答，则数码管显示该组号，红灯亮。

提供;74LS161 1片74LS75 1片74LS148 1片74LS04 1片74LS32 1片74LS00 1片555芯片1个74LS32 1片555芯片1个74LS48 2片数码管2个发光二级管4个2、数学建模解决数字电路的设计无非最常用两种方法:其一、列真值表。

该方法建模简单，且易于求出电路的函数表达式，进而根据小规模或中规模器件设计电路。

其二、画状态图。

该方法更易于找出状态之间的转换关系，但是在建模上会更困难。

该抢答器设计并不能列出总真值表，且设计任务与要求繁琐，故先需做出总体框图，再将之分为四个模块和一个控制器。

2002年电子设计制作赛作品分析为了促进电子信息类及相关学科的专业建设和课程建设，加强大学生动手能力的培养和工程实践能力的训练，提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的综合能力，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，江西省教育厅、共青团江西省委联合主办每年一届的学生电子设计制作赛。

竞赛分现场赛、自选赛，每年五月下旬举行。

现场赛是考查学生基本技能的竞赛，凡在校的各年级学生都有机会参加。

赛题内容主要是运用模拟电路、数字电路及传感器知识设计，制作一个能演示规定功能的电子作品。

自选赛是考查学生创造能力与团队协作精神的竞赛，类似全国大学生电子设计竞赛，一般都是在现场赛中选拔优秀学生参加。

赛题内容以电子电路（含模拟和数字电路）设计应用为基础，可涉及模一数混合电路、单片机、嵌入式系统、DSP.EDA软件的应用。

现将近十三年现场赛赛题、作品分析和评审细则选编于后，供参赛者实训练习。

15.1 智力竞赛抢答器（2002年赛题）一、题意运用模拟电路、数字电路知识设计，制作一个8路智力竞赛抢答器，要求有优先锁存、数显、声响及复位电路。

二、电路结构抢答器核心电路本制作是一个简易实用的8路数字显示抢答器，图15-1为该抢答器的核心部分，包括抢答、编码、优先、锁存、数显及复位等电路。

所用的元器件除集成电路CD4511，还有14只IN4148二极管，一只9014(NPN)三极管，1 5只1/8W的碳膜电阻器，9只小型按钮开关，SB，~SB8为抢答键，SB9为复位键，LED数码管为0.5英寸的共阴极管，红色（如BSR510IC）或绿色(如BSG510IC)均可。

辨别引脚可参考图15-1所示，电阻器R9～R15为限流电阻。

若要大尺寸数码显示，则可用显示屏，此时需用导线将显示屏的引脚线连接到印制板上，又由于数码显示屏的工作电压较高，故应提高电路的工作电压。

原理图中的SA为工作电源开关，可由此将6～8V的直流电压单独引入至该电路进行测试，SA不用也无妨。

一、概述电路选用优先编码器74LS148 、锁存器74LS373 、74LS48译码和一个7段数码管组成抢答显示电路；定时显示主要由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、和2个4段数码管即相关电路组成；由555定时器和三极管构成的报警电路。

接通电源后，主持人将开关拨到"清零"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;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。

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。

二、方案设计与论证设计一个8路智力竞赛抢答器，具体设计要求如下：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。

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。

数字抢答器总体方框图如图2-1所示为总体方框图。

其工作原理为：接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，抢答器工作，定时器倒计时。

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。

四人智力竞赛抢答器1. 简述智力竞赛时一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种形式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且在极短时间内四，使人们增加一些科学知识和生活常识。

实际进行智力竞赛时，一般分为若干组，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显示装置显示。

抢答时，要判定哪组优先，并予以指示和鸣叫。

因此，要完成以上智力竞赛抢答器逻辑功能的数字逻辑功能控制系统，至少应包括以下几个部分：1)记分，显示部分；2)判别选组控制部分；3)定时电路和音响部分；2. 设计方案1)复位和抢答开关输入防抖电路，可采用RS触发电路来完成。

2)判别选组实现的方法可以用触发器和组合电路完成，也可以用一些特殊期间组成。

例如用MC14599和CD4099八路可寻址输入锁存器来实现.3)计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示。

8421码拨码开关能进行加或减计数。

也可用加/减计数器（如74 LS193）来组成。

译码，显示用共阴或共阳组件，也可用CL002译码显示器。

4)定时电路。

当有开关启动定时器时，使定时器按减计数器使，使定时计数器按减计数或计数方式进行工作，并使一指示灯亮，当定时时间到，输出一脉冲，驱动音响电路工作，并使指示灯灭。

a)抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应有无抖动开关来实现。

5)判别选组电路。

能迅速，准确地判出抢答者，同时能排除其他组的干扰信号，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，声显示和鸣叫指示。

6)计数、显示电路。

每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减记分。

7)定时及音响。

8)必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“滴嘟”声，并熄灭指示灯。

9)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，最先抢答一组的灯亮，并发出音响，也可以驱动组别数字显示（用数码管显示）。

1引言随着科学技术的日益发展，电子计算机的出现，使得人们的学习生活变得更加方便,而其中电子设计方面更是受益不浅。

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动的完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行产品重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计进程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革。

同时减少了设计芯片的数量、缩小了体积、降低了功耗、提高了设计的灵活性、可靠性和可扩展性。

现在对EDA的概念或范畴用的很宽。

包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。

目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模式，都可以设计到EDA技术。

本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

2 VHDL/Quartus2简介2.1 VHDL介绍在电子电路设计领域中，电子设计自动化(EDA)工具已成为主要的设计手段，而VHDL语言则是EDA的关键技术之一。

VHDL是一种硬件描述语言，它可以对电子电路和系统的行为进行描述。