四路抢答器设计实验报告
信息科学技术学院
自动化*班
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四路抢答器设计实验报告
一、设计任务：
1、巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。
2、养成根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力。
3、通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件、电路组装、调试和检测等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
4、学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高学生动手能力和进行数字电子电路实验的基本技能。
二、技术指标
抢答器是一种具有优先输出的电子电路。它的基本功能是，在四组参赛的情况下，首先抢答者发出抢答信号，此时其他参赛组的抢答电路即失去控制作用。在优先抢答者解除抢答信号后，电路才自动恢复到各组又可均等抢答的状态中。
1、设计一个可供4人进行的抢答器。
2、系统设置复位按钮，按动后，重新开始抢答。
3、抢答器开始时数码管无显示，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。抢答后显示优先抢答者序号，同时发出音响。并且不出现其他抢答者的序号，这样其它选手无法再抢答，达到抢答目的。
4、抢答器具有定时抢答功能，本抢答器的时间设定为10秒，当主持人启动“开始”开关后，定时器开始减计。
5、设定的抢答时间内，选手可以抢答，这时定时器开始工作，显示器上显示选手的号码和抢答时间。并保持到主持人按复位键。
6、当设定的时间一到，而无人抢答时，本题报废，选手们无法再抢答，同时扬声器报警发出声音，定时器上显示0。
三、元件清单：
四、电路框图如下：
1）智能抢答器 总体方框图如上图所示。其工作原理为：接通电源后，主持人将K0拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器不显示；主持人用开关K0清零，宣布"开始"并按下K0状态开关抢答器工作。定时器计时。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。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。具体操作如下：
在主持人宣布开始并按下K0，K1、K2、K3、K4四个组参与抢答。当有抢答者首先按下抢答开关时，显示相应的序号并伴有声响,同时，抢答器不再接收其它组的抢答干扰。显示抢答者组号。
在限定时间9秒后无人抢答时，该题作废，用声响提示，并显示顺计时的时间。
五．总电路图如下（附录）：
六、单元电路的设计
1、抢答部分电路
该电路完成的功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；
工作过程：当主持人表示开始作答时，按下复位键即清零。当有选手抢答时，通过显示电路显示组号，及报警电路发出声响。其中，74LS175起到锁存作用,74LS48起到译码作用。
2.七段数码管显示电路
此电路是通过74LS48译码，将所抢答组号显示在七段数码管上。通过以下原理实现：
字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。图5-2是七段LED数码管的引线图和显示数字情况。74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。图3-3（a）是共阴式LED数码管的原理图，使用时，公阴极接地，7个阳极a,b,c,d,e,f,g由相应的BCD七段译码器来驱动，如图3-3（b）所示。
（a）引线图 （b）七段字形组合情况
图3-3共阴式LED数码管的原理图和驱动电路
图3-3(c )七段LED数码管
（2）74LS48是输出高电平有效的中规模集成BCD七段显示译码驱动器，它的真值表见表下图所示
74LS48的输入端是
四位二进制信号(8421BCD码)，a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。可直接驱动共阴极七段数码管，
是使能端，起辅助控制作用。
（3）使能端的作用如下：
a 
是试灯输入端，当=0，
=1时，不管其它输入是什么状态，a~g
七段全亮；
b灭灯输入
，当=0，不论其它输入状态如何，a~g均为0，显示管熄灭；
c动态灭零输入
，当=1，=0时，
如果=0000时，a~g均为各段熄灭；
d动态灭零输出
，它与灭灯输入共用一个引出端。当=0或=0且=1，=0000时，输出才为0。片间 与配合，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。
设计中有三处要用到显示器的，倒计显示按照顺序接线就可以了，让1、3路相与后接入7448A0端，2、3路相与后接入A1端，而4直接接入A2端。让A3端悬空。这样就可以实现逻辑功能的转换。
3、废题计时电路
本电路通过555做多谐振荡器，74LS192计数器计数和BCD七段译码器74LS48（其输出是驱动七段字形的七个信号），实现计时废题功能，当主持人宣布开始答题时，计数器顺时计数，若无人抢答，计数器计到零时，通过报警电路发出声响。该题作废。
（1）通过定时器555接成多谐振荡器，工作原理：其基本
工作原理如下：
多谐振荡器有两个暂态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C
上电压UC略低于 
时，UO输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要
，输出电压UO就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。
当电容C上的电压UC略微超过
时(即U6和U2均大于等于时)，RS触发器置 0，使输出电压UO从原来的高电平翻转到低电平，即UO =0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要
，UO就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。
当UC下降到略微低于
时，RS触发器置 1，电路输出又变为UO =1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。
振荡周期计算为： 
=1（秒）
内部管脚图如下：
真值表5-4-2如下：
外部管脚图：
（2）字符显示原理同上。
电路图如下
4、报警电路
该电路通过555构成的单稳态触发器实现报警功能。如下图所示电路中，
七、问题及解决
1、由总电路可以看到，本次课程设计的接线十分之多，因为在接线时要十分细心，如果不小心就会接错。在实验设计实体连接的过程中，每一步都小心翼翼地做。一条线接错或者一条线在过程中不小心被动到，都有可能让整个电路没有反应，所以每一步都必须要小心，没有人希望重新连接一次，器件和线路实在是多，最好能够先把电路划分清晰，就是尽量明显的把个各块独立的电路组成部分分开得明显些，这样就算接错了也可以大概检查各块输出就知道哪里出问题，减少检查的范围和数量，更省时省力。
2、 555脉冲源时应该用LED灯作显示，测试脉冲信号输出输入情况，电阻在接入前要测试保证其可以正常工作。最好就是把输出接在LED灯上，一直接线，。一直观察它的灯亮情况，直到它会正常闪烁为止。说明脉冲源正常工作。
3.仿真测试必须与实际相符，可以保证测试出来的是正确的结果，测试正确之后便可以无后顾之忧地做电路图，让设计更加顺利。不宜在此工作花费太多时间容易影响接下来的设计。
八、心得体会：
通过这次的课程设计，让我看到了自己知识掌握的的程度，发现基础薄弱，但通过对此次课程设计加深了对相关知识的理解，对相关器件的实际使用有了更深一步的认识。
1.在做电路设计之前，大量的前期工作是非常必要而且是值得花大量时间去做的，了解芯片的引脚和功能，然后是电路图的设计，在电脑上模仿以及修改，仿真，这是一个相当费时间的工作。但当正确的测试结果出来时，确实非常让人有成就感。
2、在连接实物电路时，要注意分步完成电路，而不是将所有一起接起来。结果当把线接好时，不知道哪里出错，不工作了。由于线接得比较多，人也乱了，很难检查错误。调试后发现，实际电路中存在各种问题。自己就分部分各自调试。然后综合起来，这次课程设计能够胜利的完成，很大部分应该是需要耐心和细心，还有大家的集思广益。
课程设计的完成，当然还得于老师的悉心指导，好几次傍晚老师都跟我们一样没有去吃晚饭，很是感动，老师几乎都是从上午一直在实验室呆到晚上6.7点钟点多。所以此次课程设计收获甚多。
九、参考文献
数字电子技术基础 ----高等教育出版社（康华光 主编 ）
电子技术实验教程----房丽萍 俞志英 编
第二篇：4路抢答器课程设计报告
四人智力竞赛抢答器课程设计报告
一、设计题目
题目：四人智力竞赛抢答器
二、设计任务和要求
1）设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。 用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。
2）设计要求
(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。
(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。
(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
(4)抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。
(6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
三、原理电路设计：
1、方案比较；
方案一：
抢答电路：使用74ls175作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，74ls175立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74ls148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入共阴数码管里显示出抢答者的编号。
主持人电路：；利用74ls190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74ls190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74ls48编码器将即时时间进行编码，并送到7段共阴数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。
方案二：
锁存电路采用CD4042来触发，如果用CD4042，则可以用低电平触发，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，CD4042 立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效。此外当倒计时到0时，利用借位
端来将锁存器的信号置零。而不是像方案一那样使用max/min端。
对以上两个方案进行比较可以发现，两个方案均能理论上实现电路的功能，但是从实际情况看，CD4042比较少见，很难买到这个芯片，而74ls175则很常见，比较容易买到。而在实际情况中，虽然74ls190的max/min端和同样是借位端，当时只有半个周期的变化，并不能将时钟信号置零，而max/min有一个周期的变化，所以用max/min比较合适。宗上所述，选择第一个方案比较合理。
2、电路流程图；
整个电路如上图所示，主要分为两部分，一个是倒计时部分，一个是抢答电路，其中抢答器电路由锁存器电路，编码器电路，译码器电路，数码管显示电路组成，其中锁存器电路可用1khz脉冲电路作为其时钟端输入脉冲，倒计时电路由倒计时芯片，编码器电路路，数码管显示电路，倒计时采样1hz的脉冲作为时钟信号输入端。单稳态电路可以控制蜂鸣器鸣叫的时间，按要求可设置为1秒钟。
3、单元电路设计；
（1）、锁存器电路的设计
锁存器电路采用以74ls175为中心的锁存器系统，当4个抢答输入端中出现低电平输入时信号时，锁存器立即锁存，禁止抢答，其原本为4个高电平的输出端也变成3高一低，可以利用一个4输入与非门将其与非，再接一个非门后，可以与74ls175的时钟信号相与非，使得CLK端的输入信号为底电平，从而阻止其余选手的抢答，从而达到锁存的目的74ls175的真值表如下：
锁存器的单元电路设计如下：
（2）、编码器电路的设计
编码器采样74ls148作为编码芯片，将输入的信号进行编码，然后输出2二进制码，由于74ls175为优先编码其，故需要将其未用到的高优先级的端和74ls175的输出的4与非端进行连接，避免在无人抢答时输出型号。74ls148的真值表如右图：
编码器电路如下：
（3）、译码器电路和数码管显示电路的设计
抢答部分和倒计时部分的译码器均采用74ls48芯片，而数码管则选择与之相对应的7段共阴数码管搭配，为避免电路过小，可在译码器与数码管间接上拉电阻以增大电流，上拉电阻选用1k的9针排阻。译码器电路和数码管显示电路设计如下：
74ls48的真值表如下：
（4）、倒计时电路的设计
倒计时电路采用74ls190作为倒计时芯片，并将其输入端置九，clk信号输入端采样1hz的信号输入，同时可利用其借位输出端MAX\MIN来控制抢答端，并且可以让电路在到零时保持。74ls190真值表如下：
倒计时单元电路如下：
（5）、时钟电路的设计
在本电路中需要两种时钟脉冲，一种是给74ls175提供的1khz脉冲信号，另一种是给倒计时电路74ls190提供的1hz，根据555多谐振荡器的频率计算公式：
可以求得1hz的电路电阻均取47k，电容取10uf，而1khz电路的电阻取4.7k，电容取0.1uf。
（6）、单稳态电路及蜂鸣器的设计
为保证蜂鸣器鸣叫时间为一秒，可以使用单稳态触发电路来实现，单稳态电路的芯片可以选择74ls123。根据74ls123的暂稳态计算公式：
我们可以选择R为36k，C为100uf，则在误差许可范围内，鸣叫时间大约是1秒。74ls123的真值表如下：
蜂鸣器采用有源蜂鸣器，为避免单稳态电路输出端电流不足，可以使用一个NPN三极管来驱动蜂鸣器鸣叫。
单稳态电路及蜂鸣器电路如下：
4、电路工作原理;
抢答电路：使用74ls175作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，74ls175立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74ls148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入共阴数码管里显示出抢答者的编号。
主持人电路：；利用74ls190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74ls190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74ls48编码器将即时时间进行编码，并送到7段共阴数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。
5、整体电路。（具体清晰电路请详见附件）
电路元件清单：
四、电路和程序调试过程与结果：
先按照设计图各个单元电路进行仿真，并对各个电路的性能及波形进行测试，发现电路的缺点和不足之处，例如74ls190的借位输出端端虽然在倒计时到0时有低电平出现，但是时间只有半个周期，无法与信号与非，故不能用来和锁存触发器，必须用max\min代替。当调试好各个单元电路时，对各个电路进行连接组装，连接好后对电路总的性能进行调试，看各部分的功能能达到要求。
本电路在连接后，经测试，各部分的功能均能实现，显示正确
五、总结
本电路使用了锁存器，编码器，译码器数码管等构成倒计时电路使用了74ls190等电路实现倒计时，并利用使能端及门电路，实现各项锁存，鸣叫，清零等功能，总结如下：
优点：电路功能原理清晰，各项功能均达到了要求，显示准确，反应灵敏，无竞争冒险现象，基本满足了普通竞赛的抢答要求。
缺点：如果长按住按钮不放，主持人清零后将能获得抢答权，且由于编码器电路是优先编码器，所以如果两人抢答时间间隔在1ms以内，将出现编号靠前的选手获得抢答权的情况。
改进：可以更改促发器的类型，如使用jk触发器代替，则长按无效，或者在抢答端添加一个发光二极管，当有人作弊，二极管就会亮，从而阻止选手长按按钮的缺陷。
心得体会：通过这次课程设计，我对于数字电路知识有了更深的了解，尤其是对数字逻辑芯片的性能和使用方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对数字电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。