1、威海職業（技術）學院畢業設計論文題 目九路數字搶答器的研制學生姓名_張贊_系 別_船舶工程系_專 業_船舶電氣_年 級_08級_指導教師_周玉霞_目 錄摘要-引言 -第1章 設計任務及要求- 1.1設計任務- 1.2設計要求-第二章 搶答器的設計-2.1總體設計方案-2.1.1總體設計思-2.1.2總體設計框圖-2.2 設計原理分析-2.2.1 九路搶答器的總電路圖-2.2.2 搶答電路 -2.2.3 觸發鎖存電路-2.2.4 編碼器-2.2.5 譯碼驅動及顯示電路-2.2.6搶答和清零電路-2.2.7 報警電路-3總結與體會-4參考文獻- 九路競賽搶答器電子系統電路分析與設計 摘要：設計一種

2、實用的九路競賽搶答器，為學習電子的人提供一種電路的分析和設計方法。采用電路系統的分析方法對實用電子技術電路進行分析和設計，最終得出一種創新的應用型電路。 關鍵字:電子；電路分析；搶答器;555定時器Analysis and Design of Nine-bit SPC-QL Electronic CircuitAbstract:A kind of practical nine-bit contesting SPC-QL is designed,it provides analysis methods for the people who study electron.The practical

3、 electronic circuit is designed by using the analysis of circuit system,an innovation of applied circuit is given.Keywords:electronic;analysis of electric circuit;SPC-QL;555timer引言 隨著社會的不斷發展，人們的生活水平也在不斷的提高。人們不斷要滿足物質上的要求，同時對精神上的追求也在不斷的提高。現在的社會是一個娛樂的社會，各電視臺的活動和學校課外活動都很多。人們在參加活動的時候都對審判有很多的意見，所以為了比賽的準確和

4、公正，就需要有儀器的輔佐。智力競賽搶答器就是一種活潑有趣的、供人們娛樂的游戲裝置，通過搶答方式不僅能引起參賽者和觀眾的興趣，而且能夠提高參賽者的敏捷性，同時我們在參與中能夠增加一些生活常識和科學知識，因此，在許多比賽活動中為了準確，公正的進行每一場比賽，特別設置了一臺具有顯示第一搶答者并鎖定、聲音提示等多種功能的搶答器。該設計針對各種要求設計出可供九名選手參賽使用的數字式競賽搶答器，適用于各大中小電視臺，學校等單位舉行的智力競賽。數字電路組成的數字系統工作可靠，精度較高，抗干擾能力很強，所以智力競賽搶答器的設計就有數字電路來控制。第1章 設計任務及要求1.1. 設計任務本設計以數字集成電路中的

5、門電路、觸發器、譯碼器等作為基礎，研制出供多組（人）使用的結構嚴謹、功能完善、實用性強的電子搶答器。搶答器是以集成觸發器為核心，通過外圍的與非門反相器等元器件構成一套性能優良、實用性強的搶答器。該搶答器必須同時具備鎖存和顯示功能，當有選手搶答后，要將第一個搶答的選手的編號鎖存、顯示出來，后面的選手搶答無效，且搶答器具有防止搶先搶答的功能。搶答器同時供九名選手或九個代表隊比賽，同時具有由主持人控制的系統清零和搶答器控制開關，當有選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并顯示出來，同時揚聲器發出報警聲響提示。具體要求為：1、搶答器具備9個搶答按鈕，編號為19號，分別用S1S9表示，并設置一個系統清零和搶答控

6、制開關S，該開關由主持人控制。2、搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，并在LED數碼管上顯示，同時揚聲器發出報警聲響提示。選手搶答實行優先鎖存，優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清除為止。 3、開關S作為清零及搶答控制開關，當開關S被主持人按下時搶答電路清零，松開后則允許搶答。輸入搶答信號由搶答按鈕開關S1S9實現。1.2 設計要求1通過對搶答器的研制，掌握數字集成電路的一般應用方法。2掌握電子電路的分析及設計方法，并能繪制出清晰的電路圖。3能夠運用電子技術課程的基本理論和分析方法，設計出簡單實用的電子裝置。 4提高運用國家標準、查閱各種手冊等工具書的能力。第二章

7、搶答器的設計2.1 總體設計方案2.1.1總體設計思路搶答器電路由主體電路和報警電路組成，主體電路完成基本的正常搶答功能，在主持人允許搶答后，如有人搶答成功，則經過鎖存編碼譯碼顯示出該選手的編號并封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。報警電路主要完成搶答報警提示。1 基本思路（ 1）代表隊或代表選手的編號分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應，分別是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9。 （2）給節目主持人設置一個控制、清零開關S，由主持人控制系統清零和搶答。（3）搶答器具有數據鎖存和譯碼顯示的功能。搶答開始后若有選手按動搶答按鈕，編

8、號立即鎖存并在LED數碼管上顯示出該選手的編號，同時報警器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。2.1.2總體設計方框圖1、定時電路的搶答器的工作過程是：接通電源后，當節目主持人宣布搶答題目后，若沒有說出“搶答開始”，也沒有將控制開關撥到“開始”之前，搶答器禁止工作，無輸出，直到主持人按下開關S時，九路搶答器才能夠搶答。搶答開始后，同時將控制開關撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態，這時選手可以進行搶答。當選手按動搶答鍵時，搶答器要完成以下三項工作：（1）鎖存器工作并將最先搶答者編號鎖存。（2）優先編碼電路對其進行編碼，然后由譯

9、碼顯示電路顯示編號。（3）報警器發出短暫聲響，提醒節目主持人注意。當選手回答完畢，主持人操作控制開關，使系統恢復到原先狀態，以便進行到下一輪搶答。2、構思搶答器需要達到的功能并結合自身的能力，列出了如圖1所示的總體框架圖：主持人控制開關控制電路譯碼顯示譯碼電路鎖存器優先編碼電路搶答按鈕 報警 電路圖1 總體框架3、具體設計方案如下：（1） 接通電源后，主持人將開關撥到清除狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器和指示燈滅燈，等主持人將開關置“開始”位置后，搶答器處于等待狀態，此時可以進行搶答。（2）搶答器完成：優先判斷搶答的組號，并將編號進行鎖存，然后通過譯碼器將編號顯示在七段數碼管上，同時報警器

10、給出音響提示。（3）如果再次搶答必須由主持人操作清除和開始狀態的開關，即需要主持人清零。2.2 設計原理分析2.2.1九路搶答器的總電路圖九路搶答器總體工作電路圖如下： 圖2 九路搶答器總電路其工作過程不再贅述，下面逐一解析各部分電路原理。2.2.2 搶答電路（開關陣列電路） 該電路由多路開關所組成，供搶答著使用，每一搶答者與一個開關相對應（開關S1S9的代號分別是1、2、8、9，即搶答者的組號，便于主持人看到顯示器上的數字，能準確宣布誰是優先搶答者）。開關應為常開型，當按下開關時，開關閉合；當松開開關時，開關自動彈出斷開，如下圖3。 圖3 開關陣列電路2.2.3 觸發鎖存電路 當某一開關被按

11、下時，觸發鎖存的電路被觸發，在輸出端產生相應的開關電平信息。同時為了防止其它開關隨后觸發而產生紊亂，讓最先產生的輸出電平返回來將觸發鎖存器的電路鎖定。若有多個開關同時按下時，則在它們之間存在著隨機競爭的問題，結果只能是它們中的任一個產生有效輸出，任然達到了優先判斷的效果。1、74LS00集成電路可用74LS00集成電路組成RS鎖存器，其連線如圖4所示。圖4 由74LS00組成的鎖存器 2、SR鎖存器SR鎖存器是該設計中保證多個開關隨后觸發而不產生紊亂的重要部分，用兩個與非門(與非門由集成電路74LS00提供)可組成一個SR鎖存器，連線如圖5所示，其真值表見表1。圖 5表1 用與非門組成的SR鎖

12、存器的特性表 Q Qn 1 100 1 111 0 101 0 111 1 000 1 010 0 00不定 0 01不定注：、的0狀態同時消失以后狀態不定2.2.4 編碼器 因為實際生活中并沒有現成的9輸入編碼器，我們利用兩個8線3線優先編碼器741LS48組成了16線-4線優先編碼器以滿足9路輸入。先介紹8線3線優先編碼器741LS48。1、8線3線優先編碼器74148（1）優先編碼器74148的邏輯圖和引腳圖分別如下圖6、圖7： 圖6 圖7（2）其功能表為： 表2 8線3線優先編碼器741LS48功能表 （3）該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，電路還設置了輸入使能端EI

13、，輸出使能端EO和優先編碼工作狀態標志GS。 當EI0時，編碼器工作；而當EI1時、則不論8個輸入端為何種狀態，3個輸出端均為高電平，且優先標志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也有低電平有效的情況。 當EI為0，且至少有一個輸入端有編碼請求信號（邏輯0）時，優先編碼工作狀態標志GS為0，表明編碼處于工作狀態，否則為1。由功能表可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端（優先級別最低位）有低電平輸入時，A2A1A0均為111，出現了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況 ，這可由GS的狀態加以區別，當GS1時，表示8個輸入端均無低電平輸入，此時

14、A2A1A0111為非編碼輸出；GS0時，A2A1A0111表示響應輸入0的輸出代碼，A2A1A0111為編碼輸出。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時，輸出為0，它可與另一片同樣器件的EI連接，以便組成更多輸入端的優先編碼器。從功能表不難看出，輸入優先級別的次序依次為7，6，0。輸入有效信號為低電平，當某一輸入端有低電平輸入，且比它優先級別高的輸入端無低電平輸入時，輸出端才輸出相對應的輸入端的代碼。例如，輸入5為0，且優先級別比它高的輸入6和輸入7均為1時，輸出代碼為010，這就是優先編碼器的工作原理。（4）為了能夠列出邏輯表達式，我們設輸入0，1，7對應的變量為I0，I1，I7，根據功

15、能表，寫出各輸出端的邏輯表達式。 以A2為例推導輸出代碼的邏輯表達式。2、用兩片74148組成16線-4線優先編碼器邏輯圖如下圖8所示，分析其工作原理如下。圖8 兩片74148組成的16線-4線優先編碼器 根據74148的功能表對邏輯圖進行分析，可以得出：（1）當EI21時，EO2，從而使 EI11，這時74148（I）（II）均禁止編碼,它們的輸出端A2A1A0都是111。由電路圖可知，GSGS1GS21，表示此時整個電路的代碼輸出端 DCBA=1111是非編碼輸出。（2）當EI20時，高位片（II）允許編碼，但若I15I8都是高電平，即均無編碼請求，則EO20，從而EI10，允許低位片（I

16、）編碼。這時高位片的A2A1A0111，使門C、B、A都打開，C、B、A取決于低位片的A2A1A0，而GS2，總是等于1，所以輸出代碼在11111000之間變化。如果 I0單獨有效 ，輸出為 1111；如果I7及任意其他輸入同時有效，則輸出為1000，低位片以I7的優先級別最高。（3）當EI20且I15I8中有編碼請求（至少一個為低電平）時,EO21，從而EI11，高位片編碼，低位片禁止編碼。顯然 ，高位片的編碼級別優先于低位片。此時DGS20，C、B、A 取決于高位片的A2A1A0，輸出代碼在01110000之間變化 ，同理可知，高位片中I15的優先級別最高。整個電路實現了16位輸入的優先編

17、碼，其中I15具有最高的優先級別，優 先級別從I15至I0依次遞減。在搶答器的實際制作過程中，搶答電路開關陣列的連接電路如下圖9： 圖9I0、I10、I11、I12、I13、I14、I15輸入端直接接高電平。2.2.5 譯碼驅動及顯示電路1、譯碼器 本設計中選用的譯碼器型號是74LS48（共陰），其引腳排列如圖9所示，其中A、B、C、D BCD碼輸入端，、 譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動共陰極LED數碼管。 74LS48的輸入端是四位二進制信號(8421BCD碼)，a、b、c、d、e、f、g是七段譯碼器的輸出驅動信號，高電平有效。可直接驅動共陰極七段數碼管、是使能端，起輔助控制作用。使能

18、端的作用如下： (1) 是試燈輸入端，當=0，=1時，不管其它輸入是什么狀態，ag七段全亮；(2)滅燈輸入，當=0，不論其它輸入狀態如何，ag均為0，顯示管熄滅；(3)動態滅零輸入，當=1，=0時， 如果=0000時，ag均為各段熄滅； (4) 動態滅零輸出，它與滅燈輸入共用一個引出端。當=0或=0且=1，ABCD=0000時，輸出才為0。片間與配合，可用于熄滅多位數字前后所不需要顯示的零。 圖10 74LS48管腳引線 2、數碼顯示器 LED數碼管是目前最常用的數字顯示器，它分為共陰管和共陽管。在此只對共陰管作介紹，其電路和出線形式的引出腳如圖11。8個LED數碼管可用來顯示一位09十進制數

19、和一個小數點。小型數碼管（0.5寸和0.36寸）每段發光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個發光二極管的點亮電流在510mA。LED數碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當的驅動能力。 圖11 共陰極LED數碼管 共陰式LED數碼管使用時，共陰極接地，7個陽極ag由相應的BCD七段譯碼器來驅動。 圖12 顯示電路表3 BCD七段譯碼器74LS48功能表十 進 制數字或功能輸入輸出顯 示數 字 A B C D0123456 7891 1 0 0 0 01 0 0 0 11 0

20、 0 1 01 0 0 1 11 0 1 0 01 0 1 0 11 0 1 1 01 0 1 1 11 1 0 0 01 1 0 0 111111111110 0 0 0 0 0 11 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 0 01 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 1011121314151 1 0 1 01 1 0 1 11 1 1 0 01 1 1 0 11 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 0 0 0 00 1111110011

21、 1 1 0 0 1 01 1 0 0 1 1 01 0 1 1 1 0 00 1 1 0 1 0 01 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 熄滅熄滅熄滅 2.2.6 搶答和清零電路 電路工作原理： 1、該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。具體的組成及工作原理如圖13所示。2、工作過程：開關S置于“清除”端時，1Q4Q觸發器的端均為0，5Q觸發器輸出置1，使74LS148的1，使之處于工作狀態。當開關S置于“開始”

22、時，搶答器處于等待工作狀態，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出=1010,EO=1 ,經RS鎖存后,1Q=0,經過非門輸出為1，使,74LS48處于工作狀態， 4Q3Q2Q1Q=0101，則經譯碼顯示為“5”。此外，EO=1,經非門后輸出為0，使5Q0，進而使74LS148的0，處于禁止狀態，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74LS148的EO此時由于仍有5Q1，使0，所以74LS148仍處于禁止狀態，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優先性。如有再次搶答需由主持人將S開關重新置于“清除”然后再進行下一輪搶答。若所按的是其他開關(S1、S2、S3、S4、S

23、6、S7、S8、S9)的工作過程與按下開關S5的工作過程相似，只是4Q3Q2Q1Q的輸出會發生變化。 圖13 搶答和清零電路 2.2.7 報警電路由555定時器和三極管構成報警電路。 其中輸出信號經三極管推動揚聲器發出聲響作為報警提示。集成時基電路又稱為集成定時器或555電路，是一種數字、模擬混合型的中規模集成電路，應用十分廣泛。它是一種產生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內部電壓標準使用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和CMOS型兩大類，二者的結構與工作原理類似。幾乎所有的雙極型產品型號最后的三位數碼都是555或556；所有的CMOS產品型號最后四位數碼都是7555或7

24、556，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。555和7555是單定時器。556和7556是雙定時器。雙極型的電源電壓VCC+5V+15V，輸出的最大電流可達200mA，CMOS型的電源電壓為+3+18V。 1、555電路的工作原理555電路的內部電路方框圖如圖14所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只 5K的電阻器構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器C2 的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。C1與C2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號自6腳，即高電平觸發輸入并超過參考電平2VDD/3時，觸發

25、器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于2VDD/3時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。4腳是復位端，當輸入為低電平時，555輸出低電平。平時4端開路或接VCC 。其功能表和內部框圖如下： 表4 555定時器功能表高觸發端 THI低觸發端復位端 輸出端 OUT 放電管 T00導通2VDD/3VDD/310導通VDD/31原態原態2VDD/3VDD/311截止 圖14 555定時器內部框圖及引腳排列CO是控制電壓端（5腳），平時輸出 作為比較器C1 的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另

26、一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01f的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便地構成從微秒到數十分鐘的延時電路，可方便地構成單穩態觸發器，多諧振蕩器，施密特觸發器等脈沖產生或波形變換電路。2、報警電路如圖15所示： 圖15 報警電路 該電路由555定時器和三極管放大電路驅動揚聲器工作的。當輸入為高電平時，555定時器輸出為0，三極管截止，揚聲器不工作；當輸入為低電平時，555定時器輸出為1，三極管導通，揚聲器工作發出報警聲音