1、智力競賽搶答器邏輯電路設計一、搶答器的簡要智力競賽是一種生動活潑的教育形式和方法， 通過搶答和必答兩種方式能引起 參賽者和觀眾的極大興趣， 并且能在極短的時間內， 使人們增加一些科學知識和生活知識。實際進行智力競賽時，一般分為若干組，各組對主持人提出的問題，分必答和搶答 兩種。必答有時間限制，到時要告警，回答問題正確與否，由主持人判別加分還是減分， 成績評定結果要用電子裝置顯示。搶答時，要判定哪組優先，并予以指示和鳴叫。二、搶答器的任務與要求設計要求：每組設置一個搶答器按鈕，供搶答者使用。電路具有第一搶 答信號鑒別和鎖存功能。在主持人將系統復位并發出搶答指令后，若搶答者按 動搶答開關，則該組指

2、示燈亮并組別鑒別顯示電路顯示搶答者的組別，同時揚 聲器發出“嘀 - 嘟”的雙響，音響持續 2-3S。電路具備自鎖功能，使別組的搶 答器開關不起作用。設計任務：本題的根本任務是準確判別第一搶答者的信號并將其鎖存。實 現這功能可用觸發器或鎖存器等。 在得到第一信號后應該將其電路的輸出封鎖， 使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號必須在主持人發出 搶答命令后才有效，否則應視為提前搶答而犯規。當電路形成第一搶答信號之 后， LED 顯示組電路顯示其組別。還可鑒別出的第一搶答信號控制一個具有兩 種工作頻率交換變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚聲器發出響音，表示該題 搶答有效。三、設計方案用

3、TTL 或 CMOS集成電路設計智力競賽搶答器邏輯控制電路，具體要求如下：1. 搶答組數為 4 組，輸入搶答信號的控制電路應由無抖動開關來實現。2. 判別選組電路。能迅速、準確地判處搶答者，同時能排除其它組的干擾信號，閉鎖其它各路輸入使其它組再按開關時失去作用，并能對搶中者有光、聲顯示和嗚叫指示。3. 計數、顯示電路。每組有三位十進制計分顯示電路，能進行加/ 減計分。4. 定時及音響。燈。搶答時，當搶答開始后，指示燈應閃亮。當有某組搶答時，指示燈滅，最先搶答一 組的燈亮， 并發出音響。 也可以驅動組別數字顯示 （用數碼管顯示） 。回答問題的時間應可 調整，分別為 10s、20s、50s、60s

4、 或稍長些。4、主持人應有復位按鈕。搶答和必答定時應有手動控制。搶答器電路原理框圖結構圖 3.1 搶答器原理框圖結構框圖利用鎖存型 D觸發器 CD4042來完成的四路搶答器。 如圖 3-4 所示，觸發器 CD4042與非門 CD4012等元器件組成搶答器的控制電路， Q1-Q4,LED1LED4等元 器件組成顯示電路，與非門 CD4011等元器件組成聲音提示電路， SA1SA4組 成搶答按鈕， S5A復位按鈕，觸發器 CD4042是電路的核心元件。當 6 腳輸出高 電平時，觸發器 CD4042的輸出狀態由輸入的時鐘脈沖的的高的電平來決定， CP=O時鎖存數據， CP=1時傳輸數據。三、各單元電

5、路設計1）控制電路的設計控制電路是由鎖存型的 D 觸發器 CD4042和與非門 CD4012等組成（如圖 3 8）； CD4042含有四組具有共同單位控制儲存指揮輸入 . 控制極性是可以選擇 的。如 POL輸入為低電平電位及 STORE輸入亦為低電平 ,送至 D輸入之數據將在其個別真的及互補的輸出端出現當 STORE輸入電位升高 , 在此輸入之數據于正過度時即儲存于內部并以真值形式出現 Q 輸出端及其互補出現于 Q 輸出端； CD4012 為雙 4 輸入端與非門兩組正邏輯皆可單獨使用。當任一閘之一或一個以上之輸入端電位低時，將使輸出端電位升高。如四個輸入端皆為高電平時，則輸出端之電 位降低。

6、A 系列元件會產生極壞之一面倒的反應。可使用 B 系列元件，但非臨 界之應用。在沒有任何電平輸入時， CD4042的 4 個輸入端經過電阻上拉為高電 平，根據其功能表可知其四個 Q輸出端為高電平， Q 輸出端為低電平 LED不顯 示，此時與非門 CD4012輸出為低電平使多諧振蕩電路停振， 從而控制整個電路 處于穩定狀態。反之，當 CD4042輸入高電平時，其輸出端 Q與 Q 分別輸出低電 平和高電平， CD4012輸出低電平使多諧振蕩電路起振，從而控制整個電路進行 正常的工作。 控制電路是整個電路的核心部分， 當輸入的 CP1 時 CD4042進行 數據傳輸，當輸入的 CP0時CD4042進

7、行數據所存（判別第一個搶答者的信號） 。 CD4042的好壞，決定了整個電路的整體性能。 、 上圖是集成 D 鎖存器 CD4042的邏輯圖和功能表。芯片中含有 4 個 D 鎖存器單 元，共用一個時鐘脈沖， CP為時鐘端， POL為極性控制信號。 CD4042功能見圖， 它的功能為：當極性控制信號 POL=0 時，若 CP=0 觸發器接收 D信號，并在 CP 上升沿到來時， 鎖存 D信號，CP=1期間自鎖 D信號；當 POL=1時，則CP=1時， 觸發接收 D 信號， CP下降沿到來時鎖存 D信號， CP=0 期間自鎖。（2）聲響電路的設計聲響電路用一個音頻振蕩器去推動一個揚聲器 （ 蜂鳴器 ）

8、 工作即可。為求電路 簡單, 聲響電路所示一般聲響電路都由集成音樂芯片或簡單的分立元件構成。圖 3-7 聲響電路電路本聲響電路的設計主要采用多諧振蕩器和 Q1等元件組成（如圖 3 9）；當 CD4012在輸出低電平時多諧振蕩電路不工作；聲響提示電路處于穩定狀態（不 工作）。當 CD4012在輸出高電平時多諧振蕩電路起振；驅動三極管工作從而帶 動揚聲器發出聲音。 聲響提示電路處于工作狀態） 。當有信號從振蕩電路輸出時， 電流經 R15形成一電壓壓降在 Q1的基極，此時 Q1導通, 電流從 VCC經蜂鳴器到 地，從而蜂鳴器發聲。該裝置中，直流電源提供 12V 電壓，足夠驅動蜂鳴器發 聲，所以不需要

9、接入 74LS244驅動。3）顯示電路顯示電路一般由 LED 為發光二極管或數碼顯示器來實現，由于數碼顯示電 路一般都需要顯示驅動電路來實現比較復雜。而 LED為發光二極管主要加上適當的正向電壓，該管即可發光， LED 內接法有兩種：即共陽極和共陰極接法， 要使其對方的發光二極管發光，前種接法使其相應的極為低電平，后種接法使 其相應極為高電平。半導體二極管的優點是體積小、工作可靠、壽命長、響應 速度快、顏色豐富、缺點是功耗較大。在本電路的設計中主要采用 Q1-Q4 和 LED1LED5 等元器件組成顯示電路 （如圖 310），用來顯示搶答者的組別。 CD4042的Q 端輸出低電平時 LED不發

10、 光。CD4042 的 Q輸出高電平時 LED發光,顯示搶答者的組別。（4）門控多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種無穩態電路 ,它在接通電源后不需要外加觸發信號 , 電路 狀態能夠自動地不斷變換 , 產生矩形波的輸出 . 由于矩形波中的諧波分量很多 , 因此這種振蕩器冠以”多諧”二字。在數字電路設計中常常使用 555 多諧振蕩 電路、施密特振蕩電路或者由簡單的門電路來實現，由于 555 多諧振蕩電路、 施密特振蕩電路應用于對于電路精度要比較高的電路設計中。與普通的門電路 相比門電路具有電路結構簡單、成本低 、實現容易的特點。而在本電路的設計中門控多諧振蕩電路由 CD4011 門電路和 R14、 C1

11、等組成。它主要用來驅動 Q5 使揚聲器發出聲音。開關按下與非門輸出高電平，門控多諧振蕩器起振。揚聲CD4011、 CD4012的邏輯圖和實現的功能如下表 31名稱 邏輯圖實現的功能CD4011 4 二輸 入與非 門（1/4 ）CD4012 雙4輸 入與非 門（1/2 ）所有這四組正邏輯反和閘皆可單獨使用之。當任一閘之間或兩輸入端電位低 時，則輸出端之電位升高；兩輸入 端同時電位高時，輸出端之電位降 低。當任一閘之一或一個以上 之輸入端電位低時，將使輸出 端電位升高。如四個輸入端皆 為高電平時，則輸出端之電位 降低。表 3 1 CD4011 、 CD4012 的邏輯圖系統電路工作過程如圖（ 33

12、）所示搶答器由控制電路、顯示電路和聲音提示電路3 部分組成。鎖存型 D 觸發器 CD4042、與非門 IC2-1CD4042等元器件組成搶答控制電路； Q1Q4、LED1LED4等元器件組成顯示電路；與非門 IC3CD4011等元器件組成 聲音提示電路。 J1AJ4A是搶答按鈕，J5A位按鈕。四位鎖存器 D觸發器 CD4042 是整個電路的核心器件， 當 POL6腳接高電平時， D觸發器的輸出狀態由輸入時 鐘脈沖的極性決定，即 CP=1時，傳輸數據， CP=0時鎖存數據。當 Q1Q4 沒有按下時，CD4042的個輸入端 D1D4經過電阻 R1R4上拉為高電 平，因此其輸出端 Q1Q4均輸出高電

13、平， Q 1-Q 4輸出為低電平， Q1Q4均截 止，發光二極管 LED1LED4均不亮。此時與非門 IC2-1CD4012輸出低電平，由 U4A、U6A CD4011等元器件組成的門控多諧振蕩器處于停振狀態，提示音電路 不工作。同時與非門 U3ACD4042輸出低電平，使得 U5A CD4011輸出高電平， 即 CP=1， D 觸發器處于數據傳輸狀態。假如 SA1 被按下，此時 D1=0，Q1=0， 使得 U2A4042輸出為高電平 ，U5A CD4011為低電平，即 CP=0，D觸發器轉入 鎖存狀態，再按下其他按鈕，電路不再響應。同時 CD4042的 Q 1=1，VY1接通， LED1點亮

14、，顯示第一路搶答。在按下 S1A 的同時，與非門 U3A 輸出高電平，門控多諧振蕩器起振，由 Q5 驅動揚聲器發出提示音。門控振蕩器的振蕩頻率由 R14、C1的參數決定，振 蕩頻率約為 800HZ。SA5是復位按鈕，按下 J5A，可使與非門 U5A CD4011的一個輸入端置零， 其輸出變為高電平，即 CP=1，電路又回到 Q1Q4=，1 Q1Q4=0的初始狀態，為 下一輪搶答做好準備，其他 3 路的工作原理與之相同。（5）總電路仿真分析四、電路的安裝與調試數字電路系統的設計完成后，一個重要的步驟是安裝調試。這一步是對設計內 容的檢驗，也是設計修改的實踐過程，是理論知識和實踐知識綜合應用的重要

15、環節。安裝 調試的目標是使設計電路滿足設計的功能和性能指標，并且具有系統要求的可靠性、穩定 性、抗干擾能力。這里簡要敘述安裝調試數字電路的幾個步驟。（1） 檢測電路元件 最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測方法是用儀器測量、用電路實驗或用替代方法接入已知的電路中。集成電路的檢測儀器主要用集成電路測試儀，還可用數字 電壓表作簡易測量。實驗電路則模擬現場應用環境測試集成芯片的功能。替代法測試必須 具備已有的完好工作電路，將待測元件替代原有器件后觀察工作情況。除集成電路芯片外， 還應檢測各種準備接入的其他各種元件， 如三極管、電阻、電容、 開關、指示燈、數碼管等。應確信元件的功能正確、可靠才能裝入

16、電路安裝。（2） 電路安裝 數字電路系統在設計調試中，往往是先用面包板進行試裝，只有試裝成功，經 調試確定各種待調整的參數合適后，才考慮設計成印制電路。試裝中，首先要選用質量較好的面包板，使各接插點和接插線之間松緊適度。安裝中 的問題往往集中在接插線的可靠性上，特別需要引起注意。安裝的順序一般是按照信號流向的順序，先單元后系統、邊安裝邊測試的原則進行。 先安裝調試單元電路或子系統，在確定各單元電路或子系統成功的基礎上，逐步擴大電路 的規模。各單元電路的信號連接線最好有標記，如用特別顏色的線，以便能方便斷開進行 測試。（ 3） 系統調試 系統調試試將安裝測試成功的各單元連接起來，加上輸入信號進行

17、調試，發現 問題則先對故障進行定位，找出問題所在的單元電路。一般采用故障現象估測法（根據故 障情況估計問題所在位置） 、對分法（將故障大致所在部分的電路對分成兩部分， 逐一查找）、 對比法（將類型相同的電路部分進行對比或對換位置）等。系統測試一般分靜態測試和動態測試。靜態測試時，在各輸入端加入不同電平值，加 高電平（一般接 1 千歐以上電阻到電源） 、低電平（一般接地）后，用數字萬用表測量電路 各主要點的電位， 分析是否滿足設計要求。 動態測試時， 在各輸入端接入規定的脈沖信號， 用示波器觀察各點的波形，分析它們之間的邏輯關系和延時。除了調試電路的正常工作狀態外，另外特別要注意調試初始狀態、系統清零、預置等 功能，檢查相應的開關、按鍵、撥盤是否可靠，手感是否正常。五、總結與體會1、結果分析：當在主持人將開關 S5A清零宣布搶答開始命令后， S1A、S2A、 S3A 先后將開關 閉合后后， LED1