1、摘 要 在各種智力競賽場合，搶答器是必不可少的最公正的用具。 通過本學(xué)年的數(shù)字電路技術(shù)的學(xué)習(xí)我們知道了它的原理其實是比較簡單的，主要就是通過四d觸發(fā)器74ls175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng)控制選手的搶答情況，再通過邏輯電路將輸入開關(guān)、脈沖及輸出led燈、數(shù)碼管和揚(yáng)聲器連接起來即可。 電路由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成，主體電路主要由74ls175，即4d觸發(fā)器來構(gòu)成搶答鎖存器，由主持人來控制74ls175的清零端。當(dāng)清零端為高電平“1”時，選手開始搶答，最先按鍵的選手相應(yīng)的led發(fā)光二極管發(fā)光，并且揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時，由3個q及門電路組成的鎖存電路來控制其他選手再按鍵時不再起作用。 擴(kuò)展電路主

2、要包括秒脈沖發(fā)生電路和定時電路，并且在設(shè)計中加入了報警電路，以提示選手和觀眾。經(jīng)proteus仿真軟件驗證搶答器原理圖無誤，可實現(xiàn)設(shè)計所要求功能。關(guān)鍵詞：三人智力競賽搶答器、74ls175、脈沖、鎖存器目錄1 設(shè)計任務(wù)及要求32 設(shè)定系統(tǒng)方案33單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇43.1 搶答電路設(shè)計43.2 定時電路設(shè)計53.3報警電路設(shè)計94完整的電路圖及電路的工作原理104.1完整電路圖104.2 工作原理105 心得體會11參考文獻(xiàn)12附錄13三人智力競賽搶答器1 設(shè)計任務(wù)及要求（1）設(shè)計一個供三人參賽的搶答器，能準(zhǔn)確分辨、記錄第一個有效按下?lián)尨疰I者，稍后的其他人按下開關(guān)則無效。搶答器具

3、有顯示功能，即選手按動按鈕，相應(yīng)的led發(fā)光二極管發(fā)光，同時揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。 （2）主持人沒有宣布搶答開始時，搶答不起作用。主持人宣布搶答開始時，按“開始”鍵，搶答開始，同時啟動計時器計時；（3）計時器計時采用倒計數(shù)的方式，以加強(qiáng)現(xiàn)場氣氛，增加緊迫感。若預(yù)定時間內(nèi)無人搶答，自動給出信號停止搶答，以免冷場。倒計數(shù)定時器的時間可以隨意預(yù)置；電路具有回答問題時間控制功能，要求回答時間小于等于100秒（顯示為99到0），當(dāng)達(dá)到限定時間時，發(fā)出聲響以示警告。2 設(shè)定系統(tǒng)方案電路大致可以由四個功能模塊組成：以4d觸發(fā)器74ls175為中心構(gòu)成編碼鎖存系統(tǒng)電路部分，脈沖產(chǎn)生電路部分，倒計時顯示電路部分，報警

4、電路部分。在4d觸發(fā)器構(gòu)成的搶答鎖存器中，由主持人來控制74ls175的清零端。當(dāng)清零端為高電平“1”時，選手開始搶答，最先按鍵的選手相應(yīng)的led發(fā)光二極管發(fā)光，并且揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，同時，由三個非q及門電路組成的鎖存電路來控制其他選手再按鍵時不再起作用，這時搶答無效。在脈沖產(chǎn)生電路部分中，用555定時器予以實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值最后得到符合要求的脈沖，因為可以通過改變電阻電容微調(diào)頻率，取代了用分頻器對高頻信號進(jìn)行分頻，從而使電路簡單了。在倒計時顯示電路部分中，由計數(shù)器74ls192，數(shù)碼管顯示器組成。利用74ls192計數(shù)器作為倒計時的芯片，當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢粹o時，74ls192被置初始值，

5、搶答時間開始倒計時，并通過74ls48編碼器將即時時間進(jìn)行編碼，并送到數(shù)碼管，顯示此時的時間。假如在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，即搶答時間為0時，則計數(shù)器停止倒計時，將鎖存器鎖存，禁止選手搶答，搶答時間數(shù)碼管顯示為0，蜂鳴器鳴叫一秒；假如在規(guī)定時間內(nèi)有人搶答，則計數(shù)器停止倒計時，將鎖存器鎖存，禁止選手搶答，搶答時間停止倒計時，蜂鳴器鳴叫0.5秒，與此同時，回答時間開始倒計時，并通過74ls48編碼器將即時時間進(jìn)行編碼，并送到數(shù)碼管，顯示此時的時間，若規(guī)定時間內(nèi)選手沒有回答完，則計數(shù)器停止倒計時，回答時間數(shù)碼管顯示為0，蜂鳴器鳴叫一秒。在報警電路部分中，由555定時器和電阻電容接合成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生所需

6、要的脈沖，然后接入蜂鳴器構(gòu)成。3單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇3.1 搶答電路設(shè)計搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，用led發(fā)光二級管顯示表示；二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此，選用4d觸發(fā)器74ls175、四輸入端與非門74ls20和六組反相器74ls04以及l(fā)ed燈顯示電路完成上述功能。74ls175是常用的四上升沿d觸發(fā)器集成電路，里面含有4組d觸發(fā)器，可以用來構(gòu)成寄存器，搶答器等功能部件。當(dāng)清除端mr為低電平時，輸出端q為低電平。在時鐘cp上升沿作用下，q與數(shù)據(jù)端d相一致。當(dāng)cp為高電平或低電平時，d對q沒影響。其引腳圖及真值表如下圖所示

7、。圖1 74ls175的引腳圖表1 74ls175真值表 根據(jù)各芯片功能及搶答器的功能要求，搶答器電路如下所示圖2 搶答器電路工作原理：圖2三個按鈕為三位選手的搶答開關(guān)，單刀開關(guān)為主持人控制開關(guān)。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于清零狀態(tài)，即閉合時，清除端mr為低電平，輸出端q為低電平，于是led燈滅，此時搶答電路不工作。當(dāng)主持人控制開關(guān)置于開始狀態(tài)，mr為高電平，74ls175的q經(jīng)四輸入與非門(u3:a)輸出接入到搶答按鈕左邊的公共端，按鈕右邊經(jīng)反相器接到74ls175的輸入端d，并且同時接到四輸入與非門（u3：b)，再經(jīng)兩個反相器延時接到74ls175的時鐘clk端，搶答器處于等待工作狀態(tài)。 若有選手

8、（假設(shè)為1號選手）按動搶答開關(guān)（即按下按鈕瞬間），此時74ls175的輸入端d0為高電平，74ls175的時鐘clk由低電平變?yōu)楦唠娖剑谏仙氐淖饔孟?，輸出端q0與輸入端d0一致，即為高電平，1號對應(yīng)的led燈亮。同時，由于q0為低電平，與非門（u3：a）輸出為高電平，將按鈕的公共端變?yōu)楦唠娖?，若此時按鈕還處于閉合狀態(tài)，則與非門（u3：b）輸出為低電平，使clk變?yōu)榈碗娖剑藭r74ls175處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號不會被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。答題結(jié)束后，主持人開關(guān)置于清零狀態(tài)，led燈滅，一但恢復(fù)初始狀態(tài)，以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。3.2 定時電

9、路設(shè)計 設(shè)計要求搶答器具有定時功能，且節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，可設(shè)定一次搶答的時間（設(shè)為10s）和回答的時間（設(shè)為60秒）。設(shè)計中選用十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器74ls192進(jìn)行設(shè)計，74ls192是具有置數(shù)和清零功能，其引腳圖和邏輯圖如圖4所示，功能表如表2所示。圖3 74ls192引腳圖和邏輯圖p0、p1、p2、p3置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；q0、q1、q2、q3計數(shù)數(shù)據(jù)輸出；mr清零端；pl置數(shù)端；cpu 加法計數(shù)cp輸入；cpd 減法計數(shù)cp輸入；tcu 進(jìn)位輸出端；tcd 借位輸出端。表2 74ls192功能表根據(jù)設(shè)計要求，需要兩片74ls192構(gòu)成100進(jìn)制減計數(shù)器。由功能真值表可知，

10、只需將個位74ls192的借位輸出端tcd與十位74ls192的cpd即可實現(xiàn)100進(jìn)制減計數(shù)。值得注意的是，要使其實現(xiàn)減計數(shù)，cpu端口必須接高電平。本課程設(shè)計采用四片74ls192，其中兩片控制搶答時間，另外兩片控制回答時間。計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖5所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產(chǎn)生矩形波輸出。圖4 多諧振蕩器矩形波輸出 因為周期為一秒，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是： t1=r7c2ln20.7（r7c2） t2=(r6+r7)c2ln20.7(r6+r7)c2 所以555的3端輸出的頻率為： f=

11、1/(t1+t2)1.43/(2r6+r7)c2 我們采用的電阻和電容值分別是：r6=15k，r7=68k，c2=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。 由以上集成芯片設(shè)計的定時電路如圖5所示。圖5 定時電路工作原理：首先主持人根據(jù)題的難易程度改變撥碼開關(guān)dsw1-4的狀態(tài)，從而改變74ls192的輸入端d3d2d1d0的電平來確定搶答時間（假定為10秒）和回答時間（假定為60秒），555構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路為計時電路提供脈沖。搶答開始前主持人閉合開關(guān)，74ls192的置數(shù)端pl為低電平有效，處于置數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時時間。搶答開始，主持人打開開關(guān)，搶答計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)，555產(chǎn)生的秒脈沖與

12、十位74ls192借位輸出端（其初始狀態(tài)為高電平）以及搶答按鈕公共端的反相信號相與。計數(shù)器遞減計數(shù)至00，十位74ls192借位輸出端為低電平，計數(shù)器停止工作，產(chǎn)生報警。計時期間有人搶答，搶答減計數(shù)器停止計時，搶答顯示器上顯示此刻時間，同時，回答計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器遞減計數(shù)至00，計數(shù)器停止工作，產(chǎn)生報警。3.3報警電路設(shè)計由555定時器和電阻電容構(gòu)成的報警電路如圖6所示。圖中555定時器用來構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。圖6 具有微分環(huán)節(jié)的555單穩(wěn)態(tài)電路工作原理:由于外界觸發(fā)脈沖ui加了進(jìn)來，電路uo由低電平變?yōu)楦唠娖降皆俅巫優(yōu)榈碗娖竭@段時間就是暫穩(wěn)態(tài)時間。暫穩(wěn)態(tài)時間tw計算如下： 顯然，改變定時元

13、件r或c即可改變延時時間tw。我們采用的電阻和電容值分別是：r=91k，c=10uf, 滿足上式，來產(chǎn)生1秒的延時時間；和r=47k，c=10uf,來產(chǎn)生0.5秒的延時時間。3端的輸出信號接揚(yáng)聲器，發(fā)出報警信號，當(dāng)計數(shù)器為0時，揚(yáng)聲器發(fā)出1秒的聲音；當(dāng)有選手搶答時，揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的聲音。4完整的電路圖及電路的工作原理4.1完整電路圖控制電路將搶答、定時電路進(jìn)行連接后，構(gòu)成了搶答器電路的整體設(shè)計，總電路圖如圖7所示圖7 完整電路圖圖7 完整電路圖4.2 工作原理下面介紹四路智力競賽搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是、，搶答后選手對應(yīng)的led燈被點亮，揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的響聲

14、。然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為兩路：一路與搶答計數(shù)器的十位74ls192借位輸出端tcd相與后接到74ls175的清除端mr，當(dāng)搶答計數(shù)器遞減計數(shù)至00時，十位74ls192借位輸出端為低電平，計數(shù)器停止工作，此時mr端為低電平，74ls175處于禁止工作狀態(tài)，即實現(xiàn)預(yù)定時間內(nèi)無人搶答，自動給出信號停止搶答，并產(chǎn)生報警；另一路低電平與四個計數(shù)器74ls192的pl端相連，使74ls192的置數(shù)端pl為低電平有效，處于置數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管顯示定時時間。 接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間和回答時間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)四個撥碼開關(guān)，從而改變輸入四片

15、74ls192的四個輸入端d3、d2、d1、d0的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定搶答時間為10秒,就將搶答計數(shù)器十位的74192的d3、d2、d1、d0分別置位為0、0、0、1，而將個位的74ls192的d3、d2、d1、d0都置于0；要設(shè)定回答時間為60秒,就將回答計數(shù)器十位的74192的d3、d2、d1、d0分別置位為0、1、1、0，而將個位的74ls192的d3、d2、d1、d0都置于0）。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到搶答計數(shù)器74ls192的ld端，使其處于高電平而開始減計數(shù)；還有一路與搶答計數(shù)器的十位74ls192借

16、位輸出端tcd相與后接到74ls175的清除端mr，使其處于高電平而開始工作。當(dāng)任意一個選手搶答時，假設(shè)為號選手按動搶答開關(guān)，此時74ls175的輸入端d0為高電平，74ls175的時鐘clk由低電平變?yōu)楦唠娖?，在上升沿的作用下，輸出端q0與輸入端d0一致，即為高電平，1號對應(yīng)的led燈亮，同時揚(yáng)聲器發(fā)出0.5秒的響聲，并且電路將信號鎖存，74ls175處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號不會被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。答題結(jié)束后，主持人開關(guān)置于清零狀態(tài)，led燈滅，一但恢復(fù)初始狀態(tài)，以便進(jìn)入下一輪搶答環(huán)節(jié)。若到定時部分搶答計數(shù)器倒計時到00還無選手按動按鈕的話

17、，則搶答計數(shù)器十位74ls192的借位輸出端tcd輸出為低電平，停止計數(shù)，同時搶答不起作用，報警器報警。若有人搶答，定時部分回答計數(shù)器倒計時到00還未答完的話，報警器發(fā)出1秒報警聲。綜上所述，所設(shè)計的電路基本可以實現(xiàn)要求中的功能。5 心得體會通過本次課程設(shè)計，不僅使我有效的鞏固了本學(xué)期所學(xué)的數(shù)字電路的知識，還加深了我對鎖存器、邏輯電路等的理解。并且在課程設(shè)計的過程中，我了解并掌握了用proteus軟件進(jìn)行電路仿真，使我熟練掌握了數(shù)字芯片的性能和使用，這是我在課程設(shè)計之前沒有想到的。而且，有些知識看著簡單，實際運(yùn)用起來還有一定難度，這促使我在今后的學(xué)習(xí)生活中勤動手，勤仿真，將所學(xué)的知識運(yùn)用到實際

18、中來。其次，本次課程設(shè)計也使我對數(shù)字電路的相關(guān)知識產(chǎn)生了濃厚的興趣，例如一個秒脈沖電路，從芯片的選擇，到電阻電容值得計算，都要求我們嚴(yán)謹(jǐn)。要想實現(xiàn)預(yù)期的功能，就要選擇合適的電子元器件，設(shè)計出符合要求的電路，畢竟課本上的知識都是抽象的，只有學(xué)以致用，才能真正理解并掌握它。感謝李鵬老師這半年來教給我們數(shù)字電路的相關(guān)知識，帶領(lǐng)我們做了一系列實驗。感謝老師在課程設(shè)計的過程中給予我們的幫助，感謝研究所的學(xué)長學(xué)姐在此期間對我的支持和鼓勵。本次課程設(shè)計使我受益匪淺，知識和技能方面都得到了大幅度提升，這都將激勵我在今后的學(xué)習(xí)生活中勤動手、勤實踐，加強(qiáng)思考和解決問題的能力。參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.北京：高等教育出版社，2014.2 李維，王啟林，李鵬.數(shù)字電路實驗及課程設(shè)計.大連：大連理工大學(xué)出版社，2014.3 李哲英.電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)（數(shù)