数字四路抢答器设计报告

数字四路抢答器设计报告

一、设计目的

1．学习数字电路中各种集成芯片和D触发器、CP时钟脉冲源等单元电路的综合运用；

2．熟悉带有计时功能的数字四路抢答器的工作原理；

3．了解简单数字系统的设计、调试及故障排除方法。

二、功能实现

1．抢答器可容纳四组队员参赛，具有1抢答优先权。每组设置一个按钮，供抢答使用。

2．抢答器具有第一信号鉴别和锁定功能，使除第一抢答者外的其他抢答无效。

3．设置一个主持人复位按钮，对抢答过程实现清除和开始状态控制。

4．主持人复位后开始抢答，第一位号鉴别所存电路得到信号后，指示灯显示抢答组别，同时扬声器发出音响。

5．设置一个计时电路，对应于抢答过程的四个进程：20s的抢答计时，抢答计时结束，40s的答题计时，答题计时结束。主持人通过操作该单元电路的复位开关实现对抢答过程中不同进程的控制。

6．设置4个LED指示灯显示抢答过程当前所在进程。

三、总体设计框图

四、设计原理

该数字四路抢答器设计电路主要由四部分组成：数字抢答电路、译码显示电路、可预置时间的定时电路以及报警电路。其中，数字抢答电路包括了编码电路和锁存电路，实现对信号的编码和所存功能，防止二次抢答的问题；译码显示电路将首次抢答的选手编号直观地显示出来；在定时电路中，主持人可通过时间预设开关预设抢答时间和答题时间，且系统将完CP脉冲产生器

开关编码电路 控制电路1

控制电路2 抢答计时进程

抢答计时结束

答题计时进程

答题计时结束

译码器 数码管

蜂鸣器 成自动计时；报警电路则起到声报警功能，当在规定的时间内实现有人按下抢答开关时，系统中的蜂鸣器将发出警报声，提示主持人已有人抢答，实现报警功能。

接通电源后，将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器不亮；将开关置于“开始”状态且将计时部分置于“20s抢答计时”进程，抢答器开始工作。在0～20s时间内如果没有人抢答，则视为弃权；如果有人按键，则抢答器完成优先判断、编号锁存、编号显示和蜂鸣发音四项功能。抢答结束后，主持人通过操作复位开关，继续进入“40s答题计时”阶段，完成40s的答题过程。当一轮抢答结束后，如果再次抢答，主持人必须再次操作“清除”和“开始”状态开关进入下一轮抢答。

五、单元电路设计

（一）抢答部分

1．开关编码电路

电路中，R1，R2，R3，R4用于分压，当任一开关按下时，相应的输出为高电平，否则为低电平。电路直接把每个开关对应的BCD8421码中为“1”的隔着二极管连到对应的线上（只有一个为高电平的可省略二极管），其中二极管的作用时防止短路。当某个开关按下时，与它相连的输出线将为高电平，其他输出线为低电平，输出即为这个开关的8421码。

2．译码显示电路

这部分电路要求将编码电路送入的8421码译为十进制数（对应各个抢答者的编号）并驱动七段数码管显示出答题者的编号。CD4511是一块BCD－十进制译码/驱动器，并带有所存埠。其显示电路如下：

3．控制电路

这部分电路的作用完成三个任务：一是分辨出选手按键的先后，并所存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；而是使其他选手按键操作无效；三是防止提前按键。 未按下“开始”按钮前，CD4511BL引脚为低电平，CD4511不工作，可防止抢答者提前按键。当“开始”按钮按下后，若所有抢答者开关均未按下，所存器输出全为低电平，该信号作为锁存器使能端LD的控制信号，使所存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为高电平，经逻辑或运算后U1A输出为高电平。一旦有高电平输入，不管另一输入端状态如何，输出保持高电平不变，这个电平控制CD4511锁存端使其它按键操作无效。当抢答完成后，按下“清除”按钮强行使U1B输出置零，CD4511锁存接触，开始新一轮抢答。

4．报警电路

该电路主要负责当有抢答信号输入时，SP发出声音提醒主持人和其他选手已经有人抢答。采用集成NE555定时器组成多谐振荡器实现。当电路接通时，由于电容C1上的电压不会突变，故IC1－2脚为低电平，导致3脚输出高电平。当电源经R1、R2对C1充电到Vc≥2/3Vcc时，OUT脚输出由高变低，放电管导通，电容C1经R2和IC1－7脚内导通的VT23进行放电，当Vc≤1/3时，OUT脚输出由低变高，电容器C1再次充电。上述过程周而复始，从而形成振荡，产生的脉冲信号从OUT脚输出供使用。

（二）计时部分

1．单稳态触发器

这部分电路主要通过CD4098组成的双单稳态触发器集成电路进行硬件消抖，实现对开关功能的稳定控制。CD4098的引脚输出中，TR＋为上升沿触发端，R为复位端。R接“0”时，单稳态触发器复位，Q端输出“0”；R接“1”时，单稳态触发器接触发工作，Q端输出“1”。可将精度T＝0.2RC设置为毫秒（ms）级别，从而实现产生合理的CP脉冲。

2．控制电路

这部分电路主要通过74LS175实现对抢答部分四个进程的控制：0001状态控制20s抢答计时电路，0010状态结束20s抢答计时，0100状态控制40s答题计时电路，1000状态结束40s答题计时。单稳态触发电路产生的合理CP脉冲送入74LS175的CLK输入端，引起74LS175输出端的状态变化，进而控制抢答过程中不同进程的转换。与此同时，4个LED二极管显示当前所处的进程状态。

3．译码显示电路

该部分电路中，通过CD4511完成译码和驱动功能，将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑，此部分原理与抢答部分的译码显示电路原理相同。此外，通过设置相应的逻辑关系实现20s和40s计时功能的设定。当完成20s抢答计时后，U4的Q1输出端（“1”）与74LS175的Q1端（“1”）经过与非运算后（运算结果为“0”）与74LS175的Q0、Q1和Q2输出端相与，将结果“0”送入U5的控制端，无法输出进位信号，实现20s锁定。当完成40s计时后，U4的Q2输出端（“1”）经非门后与74LS175的Q0、Q1、Q2相与，将结果“0”送入U5的控制端口，同样无法实现进位，完成锁定功能。

六．完整电路设计

七．实验器材

1．数字实验箱； 2．集成电路74LS175 1片，74LS161 2片，CD4511 3片，CD4098 1片，74LS21 2片，74LS00 2片，74LS32 1片，74LS04 2片，CD4001 1片，NE555 1片；

3．三极管VT9013 1只；

4．普通单向导通二极管2只，发光LED二极管4只；

5．共阴极数码显示管3只；

6．复位开关6个；

7．电容 0.01uF 2个，1uF 1个；

8．50KΩ可调电阻器1只；

9．电阻及导线若干。

六．其他设计思路

（一）译码显示电路部分

可使用JK触发器实现用户选手的输入和电路的锁存，使一个用户选手输入信号后其它选手输入信号不再有效。在使用户选手输入信号的锁存电路组的输出信号，也就是JK触发器组的输出信号作为二－十进制译码器的输入信号产生十进制8421信号。

这个过程可以采用一些与非门电路完成也可以采用74LS42二－十进制译码器或者74LS148优先编码器实现。它们都可以达到输入单信号，输出8421十进制信号的目的完成信号转换的作用。为完成下一个步骤做准备。

在完成以上两个步骤后，就可以将得到的8421十进制信号传送给显示译码器用来显示数字，即用户选手的编号。

同时，可以从很多地方获取输出信号，传送给555电路用来产生一定频率的方波信号。这种频率应该是人耳能够分辨的频率，超过或低于这个频率范围，普通人则无法听到，那么这种电路的设计就失去了意义。

从NE555电路传出来的方波信号，在通过保护电阻后，送到放大电路，将信号方大。这时，到达方大电路输出端的信号已经编程一中简谐波，不再是方波。在将输出端信号中的直流成分通过电容器予以过滤，就可以将信号送到蜂鸣器了，从而引发蜂鸣器发声。

从任意一个可用的输出端获取信号送到发光二极管，就可以实现如果有人按键以后，就能发光的功能。也可以再送到一个放大电路上，接上一个功率较大的发光期间上，使得发光效果更明显。

此外，除了使用CD4511完成译码和锁存功能外，也可以通过74LS48芯片实现。

（二）CP脉冲的产生部分

本设计的CP脉冲是利用数字电路实验箱的时钟脉冲信号获取而得的，但实际过程中，也可使用NE555的输出端直接引入脉冲信号，并通过调节与之相连接的电阻和电容调整输出脉冲频率，以获取合理的CP脉冲信号。

此外，也可使用简单的自制脉冲信号进行实验。该脉冲产生电路仅利用一个5V电源，1个1KΩ电阻和一个普通开关组成。当开关闭合时，电路输出高电平，产生一个单脉冲信号；当开关断开时，电路通过电阻接地，输出低电平，如此周而复始，可产生系列脉冲信号。

七．设计总结

此次电子线路课程设计给了我们一个很好的提高动手能力的机会。平时我们只是在头脑中去抽象地记忆、理解课本中的理论只是。有的理论只是很容易吸收，但有的确是晦涩难懂 的，甚至只是考自己的死记硬背去记住。但是我们都知道，那样的记忆只是一时的，很快就会忘记。而这次电子线路课程设计却给了我们一个在实践中灵活运用所学知识的机会。我们通过在实践中发现问题，进而去书本中寻找相关知识去解决问题，从而巩固了理论知识，又提高了动手和实践能力，可谓受益匪浅。