1、張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2010數(shù)字電路課程設(shè)計論文 數(shù)字搶答器設(shè)計 系 部： 電氣系 班 級：093341學(xué) 號：01 學(xué)生姓名： 廖 繼 武 指導(dǎo)教師： 龍 治 紅 專 業(yè)： 電子信息工程 2010 年12月12日1目錄目錄摘要I第1章 緒論1第2章 搶答器的系統(tǒng)概述22.1設(shè)計任務(wù)及要求22.2 設(shè)計方案論證32.3 搶答器的工作原理42.4優(yōu)先判斷與編號鎖存電路5第3章 搶答器的單元電路設(shè)計63.1搶答器設(shè)計中的優(yōu)先編碼電路73.2搶答器設(shè)計中的定時電路93.3搶答器設(shè)計中的報警電路103.4搶答器設(shè)計中的時序控制電路93.5七段顯示譯碼器與數(shù)碼管123.6搶答器的功能說明14第4章 總

2、結(jié)15附錄16I摘要數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將電路的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路。經(jīng)過布線、焊接、調(diào)試等工作后數(shù)字搶答器成形。更具實用性。關(guān)鍵字： 搶答電路 定時電路 報警電路 時序控制電路第1章 緒論當(dāng)今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，如果要是讓搶答者用舉手等方法，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。比賽中為

3、了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設(shè)備作為裁判員，這就必然離不開搶答器。搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認(rèn)出選手號碼。現(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(jī)或數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到計算機(jī)、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達(dá)、通訊等各個領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的搶答器有著數(shù)字化，智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識競賽

4、越來越多，操作簡單，經(jīng)濟(jì)實用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數(shù)字搶答器這一課題。簡易邏輯數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路。本課題設(shè)計通過參考大量文獻(xiàn)對搶答器的工作原理做了系統(tǒng)介紹，通過詳細(xì)的調(diào)查和權(quán)威技術(shù)資料及相關(guān)情報的收集，為學(xué)校等單位舉行的簡單的搶答活動提供了簡單設(shè)計思路，對于企業(yè)了解搶答器產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)及其發(fā)展?fàn)顩r十分有益。本課題設(shè)計了一種采用數(shù)字電路制作的多功能數(shù)字搶答

5、器，它主要采用了74系列的常用集成電路，它除了具有基本的搶答功能之外，還具有定時報警的功能，和數(shù)顯的功能，當(dāng)搶答開始后，系統(tǒng)會自動倒計時，并且時間是可以預(yù)設(shè)的，期間有人搶答的話系統(tǒng)會停止計時，如果期間沒人搶答，系統(tǒng)會有短暫的報警，提示搶答結(jié)束。通過這次課程設(shè)計,了解簡單多功能數(shù)字電路搶答器的組成原理，初步掌握數(shù)字電路搶答器的調(diào)整及測試方法，提高思考能力和實踐能力。同時通過本課題設(shè)計，鞏固已學(xué)的理論知識，建立邏輯數(shù)字電路的理論和實踐的結(jié)合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。第2章 搶答器的系統(tǒng)概述 搶答器我們都知道是選手做搶答題時用的，選

6、手進(jìn)行搶答，由搶到題的選手回答問題。搶答器不僅考驗選手的反應(yīng)速度同時也要求選手具備足夠的知識面和一定的勇氣。選手們都站在同一起跑線上，體現(xiàn)公平的原則。本設(shè)計的數(shù)字搶答器由主體電路和擴(kuò)展電路組成。現(xiàn)簡單的介紹設(shè)計任務(wù)及要求、設(shè)計方案論證、工作原理以及優(yōu)先判斷與編碼電路。2.1設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個具有鎖存與顯示功能的6人搶答邏輯電路。本課題的設(shè)計任務(wù)從功能上分, 主要包括以下兩個部分: （1）基本功能 可同時6名選手參加比賽，他們的編號分別是1，2，3，4，5，6。 各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別是S1，S2，S3，S4，S5，S6。 A、節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開

7、關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。 B、數(shù)字搶答器應(yīng)具有數(shù)碼鎖存、顯示功能。搶答開始后，若有選手按動搶答 按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示選手的編號，同時揚聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 （2）擴(kuò)展功能 A、定時搶答功能。搶答器定時為20 s，啟動起始鍵后，定時器開始工作，立即減計，并在顯示器上顯示出來，同時揚聲器要短暫報警。 B、參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答（30s），搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶倕時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 C、 當(dāng)定時搶答的時間已到，還沒有選手搶

8、答進(jìn)，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警,并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。2.2 設(shè)計方案論證 制作搶答器可以采用多種設(shè)計方案，可以用單片機(jī)來完成，它的功能強大制作簡單，并且外圍的元件也很少；也可以用PLC來實現(xiàn)，它的制作也是比較簡單；最后也可以用數(shù)字電路來實現(xiàn)，它的原理比較簡單，集成塊的價格也比較便宜且很容易購買，與我們學(xué)完的數(shù)字電路聯(lián)系緊密，能將我們所學(xué)知識用于實際，對鞏固所學(xué)知識有重要意義，用了一些成型電路，如NE555標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖電路等，使總體方案易于實現(xiàn)，本設(shè)計采用的是數(shù)字電路。2.3 搶答器的工作原理如圖2.1所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成

9、。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成檢測數(shù)碼管工作情況。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到"清除"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置于"開始"狀態(tài)，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除

10、"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。搶答按鈕優(yōu)先編碼電路鎖存器譯碼電路譯碼顯示主持人控制 開 關(guān)控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路譯碼電路顯示電路圖2.1搶答器結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)框圖主體電路擴(kuò)展電路2.4優(yōu)先判斷與編號鎖存電路 74LS190的 優(yōu)先判斷與編號鎖存電路如圖2.2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74LS148（邏輯功能圖2.3）和基本RS觸發(fā)器（邏輯功能圖2.4）來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：系統(tǒng)清除按鍵按動時，四個RS觸發(fā)器的置端均為+5V，使四個觸發(fā)器均被置0。1Q為0，

11、使74LS148的使能端=0，74LS190計數(shù)器的輸入端D0=0，此時十位的74LS190輸入“0010”，個位唯“0000”，從而進(jìn)行20倒計時（見圖2.5），74LS148處于允許編碼狀態(tài)，同時1Q為0，使74LS48的滅燈輸入端=0，數(shù)碼管無顯示。這時搶答器處于準(zhǔn)備搶答狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)清除按鍵松開時，搶答器處于等待狀態(tài)。當(dāng)有選手將按鍵開關(guān)按下時，搶答器將接受并顯示搶答結(jié)果，假設(shè)按下的是S4，則74LS148的編碼輸出為011，此代碼送入基本RS觸發(fā)器后再鎖存74LS148，使4Q3Q2Q=100，亦即74LS148的輸入為0100；又74LS148的優(yōu)先編碼標(biāo)志輸出Ys非為0，使1Q=1，

12、即=1，74LS48處于譯碼狀態(tài)，譯碼的結(jié)果顯示為“4”。同時1Q=1，使74LS148的=1，74LS148處于禁止?fàn)顟B(tài)，從而封鎖了其他按鍵的輸入。此外，當(dāng)優(yōu)先搶答者的按鍵松開再按下時，由于仍為1Q=1，使=1，74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會接受二次按鍵時的輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。圖2.2 圖2.3 CT74LS148 邏輯功能示意圖 圖2.4 基本RS觸發(fā)器示意圖 圖2.5 控制74LS190計數(shù)器第3章 搶答器的單元電路設(shè)計簡易邏輯數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動報警電路，以上兩

13、部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路。現(xiàn)簡單介紹搶答器設(shè)計中的優(yōu)先編碼電路、定時電路、報警電路、時序控制電路、七段顯示數(shù)碼器及譯碼管電路。3.1搶答器設(shè)計中的優(yōu)先編碼電路 優(yōu)先編碼電路如圖3.1所示。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(yōu)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。工作過程：開關(guān)S置于“清除”端時，RS觸發(fā)器的端均為，4個觸發(fā)器輸出置，使74LS148的，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于“開始”時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS1

14、48的輸出經(jīng)RS鎖存后，1Q=1，=1，74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101，經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，1Q，使74LS148，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148的此時由于仍為1Q，使，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將開關(guān)重新置于“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。并且當(dāng)1Q=時，使得74LS190的輸入當(dāng)D0=1，從而十位的74LS190的輸入端唯“0011”，個位為“0000”，從而進(jìn)行30秒倒計時。74LS148是二進(jìn)制的8線-3線優(yōu)先編碼器，從它的功能真值表中可以看出，輸

15、入、輸出都是低電平有效，且輸入中的I7的優(yōu)先權(quán)最高，I0的優(yōu)先權(quán)最低。輸出低電平有效也稱反碼輸出。當(dāng)編碼器工作時，若I0=1，不論其他輸入端是否為有效低電平，只對IN7進(jìn)行編碼，編碼輸出為,000012YYY5 小結(jié)計中的定時電路= 若I7 =1，I6=0，則只對I6進(jìn)行編碼，編碼輸出為,001012=YYY ，其他編碼過程依次類推。( 74LS148為線線優(yōu)先編碼器。表3.1為74LS148的功能真值表。) 圖 3.1 優(yōu)先編碼電路表3.174LS148的功能真值表3.2搶答器設(shè)計中的定時電路由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置（20S），計

16、數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預(yù)置時間的電路選用十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS190進(jìn)行設(shè)計，具體電路如圖3.2所示。本設(shè)計是以555構(gòu)成震蕩電路，由74LS190來充當(dāng)計數(shù)器，構(gòu)成搶答器的倒計時電路。該電路簡單，無需用到晶振，芯片都是市場上容易購得的。設(shè)計功能完善，能實現(xiàn)直接清零、啟動。74LS190 是一個十進(jìn)制可逆計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端CU和CD，當(dāng)從CU輸入時，進(jìn)行加法記數(shù)，從CD輸入時，進(jìn)行減法記數(shù)。它有進(jìn)位和借位輸出，可以進(jìn)行幾位串接記數(shù)。它還有獨立的置“0”輸入端，并且可以單獨對加法或減法記數(shù)進(jìn)行預(yù)置數(shù)，本設(shè)計中的搶答器的定時電路就是利用74LS190中的預(yù)置數(shù)的功能來進(jìn)行

17、定時的。圖3.2定時電路3.3搶答器設(shè)計中的報警電路在我們實驗室里，由于蜂鳴器不要CP脈沖只要有一定的電壓和電流就能報警，只要前面的電路正確就報警，根據(jù)老師的要求，我設(shè)計了有人搶答和最后5S、3S、1S報警(見下圖)。我主要通過十位的74LS190的Q0,Q1與個位的74LS190的Q0,Q1.Q2,Q3,經(jīng)過8個輸入端的或非門來控制最后5S、3S、1S報警，例如控制最后5S報警時，吧十位的Q0,Q1直接接在或非門上，個位的Q0,Q2經(jīng)過非門后再接在或非門是，Q1，Q3直接接就可以啦！8輸入端的或非門其余沒用的管腳接地或者懸空就可以實現(xiàn)最后5S報警呢！關(guān)于最后3S，1S報警的與5S報警的差不多

18、，只要控制好相應(yīng)的管腳就可以啦！有人搶答就報警就是把74LS148的三個輸出端一起經(jīng)過與非門就可以，因為沒有人搶答時，輸出端都為1；當(dāng)有人搶答時三個輸出端必定有一個為零，經(jīng)過與非門后即為1，從而報警（見下圖）。 最后5S,3S,1S報警電路圖 有人搶答報警電路圖3.4搶答器設(shè)計中的時序控制電路 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能：主持人將控制開關(guān)撥到"開始"位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。 當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時回答電路開始工作。當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時

19、電路停止工作。根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計的時序控制電路。通過74LS4078控制74LS148的輸人使能端 。工作原理是：主持人控制開關(guān)從"清除"位置撥到"開始"位置時，有74LS148送到基本RS觸發(fā)器輸出 1Q=0， 同時1Q的信號送到74LS148端，使74LS148開始工作，且1Q送到74LS190的D0端，使74LS190進(jìn)行定時電路進(jìn)行遞減計時（20S）。同時，在定時時間未到時，通過8輸入端的或非門輸出端為“0”，則"定時到信號"為0，送到74LS148端，使74LS148開始工作，從而實現(xiàn)功能的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動

20、搶答鍵時，1Q1， 即74LS148=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，同時RS觸發(fā)器輸出的信號1到74LS190的DO，使74LS190實現(xiàn)從30S開始遞減，從而實現(xiàn)功能的要求。當(dāng)定時時間到時，通過8輸入端的或非門使"定時到信號"為1，使74LS190的=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。3.5七段顯示譯碼器與數(shù)碼管七段顯示譯碼器與數(shù)碼管如下圖3.6所示。7段顯示譯碼74LS48將鎖存器74LS279的信號譯碼，輸出給數(shù)碼管。當(dāng)后臺工作人員將S置于GND，=0，使燈測試輸入端（圖中3號）=1，這時測試數(shù)碼管工作情況；當(dāng)后臺工作人員將S置于Vcc，=1

21、，使燈測試輸入端（圖中3號）=1，這時正常譯碼。（74LS48為4線七段譯碼器/驅(qū)動器，表3.2為其真值表，圖3.7為邏輯圖）圖3.6 7段顯示譯碼器與數(shù)碼管 InputsOutputsDCBAabcdefg0HHLLLLHHHHHHHL1HXLLLHHLHHLLLL2HXLLHLHHHLHHLH3HXLLHHHHHHHLLH4HXLHLLHLHHLLHH5HXLHLHHHLHHLHH6HXLHHLHLLHHHHH7HXLHHHHHHHLLLL8HXHLLLHHHHHHHH9HXHLLHHHHHLLLL10HXHLHLHLLLHHLH11HXHLHHHLLHHLLH12HXHHLLHLHLLL

22、HH13HXHHLHHHLLHLHH14HXHHHLHLLLHHHH15HXHHHHHLLLLLLLBIXXXXXXLLLLLLLLRBIHLLLLLLLLLLLLLLXXXXXHHHHHHHH表3.2 74LS48真值表 圖3.7 74LS48邏輯圖3.6搶答器的功能說明在知識比賽中，特別是做搶答題目的時候，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設(shè)計一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。本文主要介紹了簡單邏輯數(shù)字電路搶答器的設(shè)計及工作原理，以及它的實際用途。如果要讓比賽更公平，防止出現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象，可以增加其擴(kuò)展功能：(1) 可以設(shè)計聲控裝置，在主持人說開始時，系統(tǒng)自動完成清零并開始計時的功能。(2) 在主持人讀題的過程中，禁止搶答，可以在主持人控制的開關(guān)上另接一個與圖3-1一樣的電路，即可實現(xiàn)“違規(guī)者可見”的功能，即在主持人讀題時如果有人違反比賽規(guī)定搶先按動按鈕，顯示器可以顯示是哪個參賽隊搶先，便于作出相應(yīng)的處理。第4章 總結(jié)本設(shè)計主要講述了搶答器的工作原理和工作過程。在說明工作原理的過程中，突出了搶答器設(shè)計中的基本電