1、張家界航空職業技術學院2010數字電路課程設計論文 數字搶答器設計 系 部： 電氣系 班 級：093341學 號：01 學生姓名： 廖 繼 武 指導教師： 龍 治 紅 專 業： 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 搶答器的系統概述22.1設計任務及要求22.2 設計方案論證32.3 搶答器的工作原理42.4優先判斷與編號鎖存電路5第3章 搶答器的單元電路設計63.1搶答器設計中的優先編碼電路73.2搶答器設計中的定時電路93.3搶答器設計中的報警電路103.4搶答器設計中的時序控制電路93.5七段顯示譯碼器與數碼管123.6搶答器的功能說明14第4章 總

2、結15附錄16I摘要數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、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生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。經過布線、焊接、調試等工作后數字搶答器成形。更具實用性。關鍵字： 搶答電路 定時電路 報警電路 時序控制電路第1章 緒論當今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優勝，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、了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設備作為裁判員，這就必然離不開搶答器。搶答器是一種應用非常廣泛的設備，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言權的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發光管等組成，能通過發光管的指示辯認出選手號碼。現在大多數搶答器均使用單片機或數字集成電路，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。目前數字電子技術已經廣泛地應用到計算機、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達、通訊等各個領域。隨著科技的發展，現在的搶答器有著數字化，智能化的方向發展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現在小規模的知識競賽

4、越來越多，操作簡單，經濟實用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數字搶答器這一課題。簡易邏輯數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、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生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。本課題設計通過參考大量文獻對搶答器的工作原理做了系統介紹，通過詳細的調查和權威技術資料及相關情報的收集，為學校等單位舉行的簡單的搶答活動提供了簡單設計思路，對于企業了解搶答器產品生產技術及其發展狀況十分有益。本課題設計了一種采用數字電路制作的多功能數字搶答

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，和數顯的功能，當搶答開始后，系統會自動倒計時，并且時間是可以預設的，期間有人搶答的話系統會停止計時，如果期間沒人搶答，系統會有短暫的報警，提示搶答結束。通過這次課程設計,了解簡單多功能數字電路搶答器的組成原理，初步掌握數字電路搶答器的調整及測試方法，提高思考能力和實踐能力。同時通過本課題設計，鞏固已學的理論知識，建立邏輯數字電路的理論和實踐的結合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算定時計數的各個單元電路。第2章 搶答器的系統概述 搶答器我們都知道是選手做搶答題時用的，選

6、手進行搶答，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，體現公平的原則。本設計的數字搶答器由主體電路和擴展電路組成。現簡單的介紹設計任務及要求、設計方案論證、工作原理以及優先判斷與編碼電路。2.1設計任務及要求設計任務：設計一個具有鎖存與顯示功能的6人搶答邏輯電路。本課題的設計任務從功能上分, 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，分別是S1，S2，S3，S4，S5，S6。 A、節目主持人設置一個控制開

7、關，用來控制系統的清零和搶答的開始。 B、數字搶答器應具有數碼鎖存、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。優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。 （2）擴展功能 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、參賽選手在設定的時間內搶答（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清零為止。 C、 當定時搶答的時間已到，還沒有選手搶

8、答進，本次搶答無效，系統短暫報警,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 設計方案論證 制作搶答器可以采用多種設計方案，可以用單片機來完成，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，它的制作也是比較簡單；最后也可以用數字電路來實現，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，與我們學完的數字電路聯系緊密，能將我們所學知識用于實際，對鞏固所學知識有重要意義，用了一些成型電路，如NE555標準秒脈沖電路等，使總體方案易于實現，本設計采用的是數字電路。2.3 搶答器的工作原理如圖2.1所示為搶答器的結構框圖，它由主體電路和擴展電路兩部分組成

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。擴展電路完成檢測數碼管工作情況。其工作原理為：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，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置于"開始"狀態，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，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"狀態開關。搶答按鈕優先編碼電路鎖存器譯碼電路譯碼顯示主持人控制 開 關控制電路報警電路秒脈沖產生電路定時電路譯碼電路顯示電路圖2.1搶答器結構框圖構框圖主體電路擴展電路2.4優先判斷與編號鎖存電路 74LS190的 優先判斷與編號鎖存電路如圖2.2所示。電路選用優先編碼器 74LS148（邏輯功能圖2.3）和基本RS觸發器（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：系統清除按鍵按動時，四個RS觸發器的置端均為+5V，使四個觸發器均被置0。1Q為0，

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

12、即=1，74LS48處于譯碼狀態，譯碼的結果顯示為“4”。同時1Q=1，使74LS148的=1，74LS148處于禁止狀態，從而封鎖了其他按鍵的輸入。此外，當優先搶答者的按鍵松開再按下時，由于仍為1Q=1，使=1，74LS148仍處于禁止狀態，確保不會接受二次按鍵時的輸入信號，保證了搶答者的優先性。圖2.2 圖2.3 CT74LS148 邏輯功能示意圖 圖2.4 基本RS觸發器示意圖 圖2.5 控制74LS190計數器第3章 搶答器的單元電路設計簡易邏輯數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、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生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。現簡單介紹搶答器設計中的優先編碼電路、定時電路、報警電路、時序控制電路、七段顯示數碼器及譯碼管電路。3.1搶答器設計中的優先編碼電路 優先編碼電路如圖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S置于“清除”端時，RS觸發器的端均為，4個觸發器輸出置，使74LS148的，使之處于工作狀態。當開關S置于“開始”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），74LS1

14、48的輸出經RS鎖存后，1Q=1，=1，74LS48處于工作狀態，4Q3Q2Q=101，經譯碼顯示為“5”。此外，1Q，使74LS148，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的此時由于仍為1Q，使，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開關重新置于“清除”然后再進行下一輪搶答。并且當1Q=時，使得74LS190的輸入當D0=1，從而十位的74LS190的輸入端唯“0011”，個位為“0000”，從而進行30秒倒計時。74LS148是二進制的8線-3線優先編碼器，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的優先權最高，I0的優先權最低。輸出低電平有效也稱反碼輸出。當編碼器工作時，若I0=1，不論其他輸入端是否為有效低電平，只對IN7進行編碼，編碼輸出為,000012YYY5 小結計中的定時電路= 若I7 =1，I6=0，則只對I6進行編碼，編碼輸出為,001012=YYY ，其他編碼過程依次類推。( 74LS148為線線優先編碼器。表3.1為74LS148的功能真值表。) 圖 3.1 優先編碼電路表3.174LS148的功能真值表3.2搶答器設計中的定時電路由節目主持人根據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通過預置時間電路對計數器進行預置（20S），計

16、數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預置時間的電路選用十進制同步加減計數器74LS190進行設計，具體電路如圖3.2所示。本設計是以555構成震蕩電路，由74LS190來充當計數器，構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。設計功能完善，能實現直接清零、啟動。74LS190 是一個十進制可逆計數器，它有兩個時鐘輸入端CU和CD，當從CU輸入時，進行加法記數，從CD輸入時，進行減法記數。它有進位和借位輸出，可以進行幾位串接記數。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進行預置數，本設計中的搶答器的定時電路就是利用74LS190中的預置數的功能來進行

17、定時的。圖3.2定時電路3.3搶答器設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，根據老師的要求，我設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最后5S報警呢！關于最后3S，1S報警的與5S報警的差不多

18、，只要控制好相應的管腳就可以啦！有人搶答就報警就是把74LS148的三個輸出端一起經過與非門就可以，因為沒有人搶答時，輸出端都為1；當有人搶答時三個輸出端必定有一個為零，經過與非門后即為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搶答器設計中的時序控制電路 時序控制電路是搶答器設計的關鍵，它要完成以下三項功能：主持人將控制開關撥到"開始"位置時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路進人正常搶答工作狀態。 當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時回答電路開始工作。當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發聲，同時搶答電路和定時

19、電路停止工作。根據上面的功能要求，設計的時序控制電路。通過74LS4078控制74LS148的輸人使能端 。工作原理是：主持人控制開關從"清除"位置撥到"開始"位置時，有74LS148送到基本RS觸發器輸出 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進行定時電路進行遞減計時（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，從而實現功能的要求。當選手在定時時間內按動

20、搶答鍵時，1Q1， 即74LS148=1，74LS148處于禁止工作狀態，同時RS觸發器輸出的信號1到74LS190的DO，使74LS190實現從30S開始遞減，從而實現功能的要求。當定時時間到時，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，禁止選手進行搶答。3.5七段顯示譯碼器與數碼管七段顯示譯碼器與數碼管如下圖3.6所示。7段顯示譯碼74LS48將鎖存器74LS279的信號譯碼，輸出給數碼管。當后臺工作人員將S置于GND，=0，使燈測試輸入端（圖中3號）=1，這時測試數碼管工作情況；當后臺工作人員將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，必須要設計一個系統來完成這個任務。本文主要介紹了簡單邏輯數字電路搶答器的設計及工作原理，以及它的實際用途。如果要讓比賽更公平，防止出現違規現象，可以增加其擴展功能：(1) 可以設計聲控裝置，在主持人說開始時，系統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上另接一個與圖3-1一樣的電路，即可實現“違規者可見”的功能，即在主持人讀題時如果有人違反比賽規定搶先按動按鈕，顯示器可以顯示是哪個參賽隊搶先，便于作出相應的處理。第4章 總結本設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，突出了搶答器設計中的基本電