数字抢答器课程设计.docx
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数字抢答器课程设计
数字抢答器
摘要
当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。
因此抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少的设备，通过抢答者的按键、数码显示等能准确、公正、直观地判断出优先抢答者。
本产品采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，由数字电路以及外围电路组成，分为八路抢答；在抢答同时附有声音输出接口，提示主持人此时已完成这次的抢答。
不仅如此，为了方便不同场合的智力竞赛活动，为需要定时答题者提供可调计时器，无需人工参与。
与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构清晰、成本低、易操作、制作方便等优点。
关键词：
竞赛活动、抢答、锁存、复位、可调倒计时
1引言3
2设计目的3
3设计指标及要求3
4总体框图设计与论证4
5功能模块设计及系统工作分析5
5.1功能模块设计………………………..……..………………………………5
5.2系统工作原理分析……………………………………………………..…...6
5.3主要元器件功能介绍……………………………………………………....7
5.3.1锁存器（74HC573）7
5.3.2优先编码器（74LS147）8
5.3.3计数器（74LS192）9
5.3.4显示译码器（CD4511、74LS48）……………………………………10
7.1仿真…………………………………………………………………..…………….15
7.2调试锁存器电路………………………………………………………….15
7.3调试编码与译码显示电路……………………………………………….16
谢辞19
数字竞赛器
1引言
在科技高速发展的21世纪，人才成为最重要的社会资源之一。
竞争日益激烈，人才选拔，评选择优的活动越加频繁，而在这些活动当中，往往分为几组选手参加，针对主持人提出的问题，如果用举手的方式抢答，往往会因主持人判断的误差，造成比赛的不公平性。
本着公平公正的原则，就需要有一种稳定、准确的工具，因此数字竞赛器应运而生，由于其准确性高、实用性强，所以得到迅速推广，从最初的益智类节目，广泛应用到各类活动、娱乐节目中。
早期的竞赛器只由几个过三极管、可控硅、发光二极管等组成，能通过发光二极管的指示辨认出选手，现在大多数竞赛器单片机或数字集成电路组成。
2设计目的
通过课题设计一个八路抢答器与可调定时器，运用所学数字电子电路的知识进行理论设计、安装调试、后期制作、分析总结等环节，以提高在电子技术方面的实践技能和科学作风，学习掌握工程设计的方法和组织实践的基本技能。
3设计指标及要求
3.1设计一个可供8名选手参加比赛的8路数字显示抢答器。
他们的编号分别为1、2、3┅┅8各用一个抢答按钮，编号与参赛者的一一对应，此外还有一个按钮给主持人用来清零。
3.2抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出来。
在主持人将系统清零后，若有参赛者按动按钮，数码管立即显示出最先动作的选手的编号，（也可同时用蜂鸣器发出间歇声响，并保持到主持人清零以后。
3.3抢答器对抢答选手动作的先后有很强的分辨能力，即使他们的动作仅相差几毫秒，也能分辨出抢答者的先后来。
即不显示后动作的选手编号。
3.4主持人有控制开关，可以手动清零复位
3.5竞赛器具有可调倒计时的功能，且倒计时的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动“开始”键后，定时器进行倒计，也可根据比赛的实际情况设计答题倒计时的时间。
4总体框图设计与论证
图1-1设计原理方框图
如图所示为总体方框图。
其工作原理为：
1.接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于静止状态，编号显示器和指示灯灭，等主持人将开关置“开始”位置后，抢答器处于等候状态，此时可以进行抢答。
2.抢答器完成，优先判断抢答的组号，并将编号进行锁存，然后通过译码器将编号显示在七段数码管上，并且扬声器提示。
3.如果再次抢答必须由主持人操作“清除”和“开始”状态的开关，即需要主持人清零。
4.选手答题时可以通过可调计时器设定时间。
5功能模块设计及系统工作分析
5.1功能模块设计
图1-2-1抢答器电路原理图
数字竞赛器的电路原理图如图1-2-1，该竞赛器电路由复位电路、抢答触发控制电路、LED数码显示电路、计时电路等组成。
复位电路由复位按钮
、限流电阻
、两输入与非门74LS00、八输入与非门74LS30以及D锁存器74LS573的两个使能控制端锁存允许端LE端（高电平有效）和三态允许控制端OE端（低电平有效）等组成。
抢答触发控制电路由抢答按钮
-
、限流电阻
-
以及74LS573的八个输入端等组成。
LED数码显示电路由10线-4线的编码器74LS147、七段译码器CD4511、七段共阴数码管等组成。
可调计时器的原理图如图1-2-2，该电路主要由555提供计数脉冲，经过74LS192组成的计数电路，由4511与74LS48译码，再由数码管显示所构成。
其中主要由74LS00与非门构成的二选一数据选择器和RC去抖动电
路实现该电路的可调性。
5.2系统工作原理分析
图1-2-2可调计时器电路原理图
数字竞赛器的电路原理图如图1-2，该电路采用6个数字集成电路，其中74LS573为D锁存器，74LS30为8输入的与非门，74LS00为两输入与非门，74LS147为10线-4线的编码器、CD4511为七段译码器、以及七段共阴数码管等组成。
为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74LS573的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74LS573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示，这样正好满足了电路的要求。
比赛时，
、
···
由参赛选手控制，
由主持人控制。
该键在主持人喊“开始”前按下，开始后当任意一个选手抢先按下按钮时，74LS30的输出将跳变为低电平，这个低电平使74LS573处于锁存状态，那么其他选手再按抢答按钮就无效了。
此时它的输出
、
….
被锁存，随即编码器进行编码。
74LS147为10线到4线的编码器，输入端为低电平有效，输出为反码。
编码完毕经CD4511译码后通过七段共阴数码管将相应抢答选手编号显示出来。
同时74LS30的这个低电平使二极管VD导通，驱动蜂鸣器BL发出“嘀”声。
一轮抢答结束，由主持人按动清除复位按钮
，对D锁存器进行解锁。
又进行下一轮抢答。
当允许数据输入时，74LS573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。
同时BL不发音。
5.3主要元器件功能介绍
5.3.1锁存器（74HC573）
锁存器74HC573的输出端为
～
可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，
～
为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，
～
呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上。
操作电压X围：
2.0V～6.0V
低输入电流：
1.0uA
CMOS器件的高噪声抵抗特性
引出端符号：
～
数据输入端
OE三态允许控制端（低电平有效）
LE锁存允许端
～
输出端
74LS573外部管脚图如图1-3：
图1-374LS573引脚图
真值表如表1-1所示：
表1-1
5.3.2优先编码器（74LS147）
优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。
10线-4线8421BCD码优先编码器74LS147的引脚图如图3.4所示，其中第9脚NC为空。
74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。
某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。
当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。
4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。
图1-574LS147引脚图
5.3.3计数器（74LS192）
192的清除端是异步的。
当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。
192的预置是异步的。
当置入控制端（
）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（P0～P3）相一致的状态。
192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。
在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端（
）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（
）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。
功能表如表1-2：
表1-2
5.3.4显示译码器（CD4511、74LS48）
CD4511、74LS48是用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
引脚排列如图3.5所示。
其中abcd为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。
图1.6CD4511引脚图
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
图1.774LS48引脚图
输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出0－15时，消隐输入（
）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（
）为高电平或者开路。
当
为低电平时，不管其它输入端状态如何，Ya－Yg均为低电平。
当RBI和地址端（A0－A3）均为低电平，并且灯测试输入端（
）为高电平时，Ya－Yg为低电平，脉冲消隐输出（
）也变为低电平。
当
为高电平或开路时，
为低电平可使Ya－Yg均为高电平。
48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。
引出端符号
A0－A3译码地址输入端
/
消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）
灯测试输入端（低电平有效）
脉冲消隐输入端（低电平有效）
Ya－Yg段输出
5.3.4控制电路（74LS00和74LS30）
74LS3074LS00的引脚图真值表下（图1-8和图1-9）：
图1-874LS30的引脚图及真值表
图1-974LS00的引脚图及真值表
6实验器材清单
表1-2数字竞赛器元器件清单表
种类
数目
1K电阻
2
10k电位器
1
110
电阻
23
620
电阻
4
47K
电阻
2
74HC573
1
74LS00
2
74LS30
1
74LS147
1
CD4511
2
74LS48
1
CD40192
2
NE555
1
数码管
3
蜂鸣器
1
0.01uf电容
1
10uf电容
1
47nf电容
3
1.5伏电池
3
触发开关
12
其中：
J0-J9为触发型开关
74LS573为8D锁存器
74LS30为8输入与非门
74LS00为2输入与非门
74LS147为10-4线的编码器
CD4511、74LS48为七段译码器
NE555为脉冲信号发生器
CD40192为同步十进制计数器
7设计步骤及各功能电路调试
7.1仿真
首先是查资料设计出图1-2-1与1-2-2电路，然后用Multisim仿真。
仿真的时候我是一级一级进行仿真，最后把每级都连进来再仿真。
仿真成功后我就去实验室在实验板上搭电路。
在搭电路之前先测试各元器件及各逻辑门的逻辑功能。
然后在实验板上搭接组装电路。
搭接的原则跟仿真的一样，按模块调试。
7.2调试锁存器电路。
图1-10锁存电路
如果不能锁存，或是锁存不了1和7，则问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。
锁存电路的设计原理是：
启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。
锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。
如何设计呢，我们对0～9十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。
由此可以区分0与其它数字。
我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1（锁存与否）。
当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时，LE=1，芯片锁存。
这样只要显示器上显示为0，CD4511译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。
所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示1～8的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。
例如
键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按
～
，显示器上仍显示1，
按下之后的任一按键信号均不显示。
直到主持人按清零键
，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。
若所有的数字都不能锁存，说明不管LED显示什么数字，CD4511管脚的5脚输入为低电平，可能是5脚与地短接或者是锁存电路的两个二极管VD13和VD14断开等故障；若只有1和7两个数字不显示则可以分析一下其原因：
显示1和7数字时g段不亮，CD4511的g输出端为低电平，VD14截止，而b段亮d段不亮本应该三极管VT截止而使VT13导通，产生高电平（锁存信号）给LE，现在不能锁存说明VD13截止，推断是三极管击穿损坏。
7.3调试编码与译码显示电路
显示器上不显示数字，我们从后级往前级进行测试，首先用1.5～2V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。
若完好则继续检测CD4511芯片是否完好。
在CD4511的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码，看是否能显示数字。
无显示的故障一般问题出在这两个环节。
若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出a～g与LED管的a～g笔段是否连接有错。
其方法是CD4511的输出a～g分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。
如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。
图1-11编码与译码显示电路
7.4调试控制电路
在测试的过程中一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。
比如，针对LED管，高电平只能用1.5～2V,而在CD4511的输入端高电平要用到8V以上的电源电压。
选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。
进行整体电路调试，观察抢答器工作情况，并记录结果。
7.5秒脉冲
由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，产生1Hz的脉冲信号。
图1-12秒脉冲产生电路
7.6调时电路
当要为选手给定答题时间时，可以通过调整十位和个位得到所要的时间。
由于开关闭合和断开是能会产生抖动，为防止这一情况的发生我们接入一个RC组成的防抖动电路来控制。
图1-13调时电路
8心得体会
这次课程设计充分的把我所学的知识用到实践中，并且使我初步掌握了电路设计的基本方法。
我们要先设计总体框架，然后把框架进行分解、分析。
我们只有把每个小模块都设计好了才能设计成大电路。
在搭接电路时更应该如此，我们搭完每个小模块时就要开始对它进行调试，调试成功以后再把模块一个一个连接起来并且每接入一个模块就要进行调试。
所以调试是一个很艰难的阶段，我们必须做到细心、耐心、恒心；否则电路很难会成功。
此次课程设计我选择的课题是数字竞赛器，我之所以选这个课题是因为它比较实用，而且它要用到锁存器、优先编码器、译码器、计数器、与非门、NE555等芯片，芯片种类比较多，这可以让我更加深入的掌握这些常用芯片。
通过查资料我初步设计了两种方案：
一个主要采用集成组合逻辑电路，方案二主要采用的是集成时序逻辑电路。
具体方案如下：
方案一：
该方案核心元件是一个8D锁存器74HC573实现抢答与锁存功能。
它的8个输入分别由限流电阻接到抢答按钮处由选手控制。
主持人控制清零复位按钮。
74HC573的8个输入接到8输入与非门与非后的结果再与电阻R9与非后接到74HC573的所存允许控制端LE端。
如此一来，在主持人按下清零按钮后，只要有一个选手按下抢答按钮，则经过一系列与非LE就跳变高电平，使得74HC573处于锁存状态。
那么其他选手再按抢答按钮就无效了。
同时74HC573的8个输出接到编码器的输入端，编码后再由译码器译码后由七段共阴数码管显示出来。
为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74HC573的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74HC573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。
音频电路可以用二极管的开关特性来控制。
方案二：
该电路采用的主要是一个8D触发器集成电路74LS273，接通电源后，复位电路产生复位电压并加至IC1的CR端，使IC1清零复位。
在未按动抢答按钮S1-S8时,IC1的八个输入端（D1—D8）和八个输出端（Q1—Q8）均为低电平，晶闸管VT处于截止状态，LED数码显示器无显示，扬声器BL无声音。
当按动抢答按钮S1-S8中某支开关时，与该开关相接的隔离二极管将导通，使VT导通，其阴极变为高电平；一方面通过C2触发音乐集成电路IC3,使其工作，驱动扬声器BL发出“叮、咚”声；另一方面使IC1的CK端由低电平变为高电平，使IC1内相应的触发器动作，相应的输出端输出高电平并被锁存。
此高电平经IC2译码处理后，驱动LED数码显示器显示相应的数字（若按动按钮S8，则IC1的D8和Q8端均变为高电平，LED数码显示器显示数字“8”）。
一旦电路被触发工作后，再按其他各抢答开关时，均元法使IC1的输出数据再发生改变，LED数码显示器中显示的数字也不会变化，扬声器BL也不会发声，从而实现了优先抢答。
只有在主持人按动一下复位按钮SO后，电路将自动复位，LED数码显示器上的数字消失，才能进行下一轮抢答。
由于第一种方案所用的芯片比较多，这也可以学习更多的知识，所以我选择了第一种方案。
在调试的过程中我也碰了不少壁，我到处查资料、仿真、调试。
一直重复这些事情。
有时候我查了老半天才发现就两条线接反了，不过在检查电路的过程中我无形中对电路更加熟悉，且对每个芯片的功能特性也更加熟练。
经过老师指导才发现自己只考虑了理论的可行性，没有考虑实际中的干扰问题，其中最大的一个问题是组合逻辑电路和时序逻辑电路在实际应用中是不能线与等，否则会产生误信号，干扰电路运行。
我把抢答器完成以后就开始做可调倒计时，这在比赛过程中可以给选手设定答题时间。
因为有了之前电子钟实验的铺垫，我们运用校正电路的思路，用去抖动开关实现计时电路的可调性。
这次课程设计对我的设计、动手能力有了进一步的提升。
虽然整个过才头都是涨涨的，但是最终我还是成功了。
这次的喜悦也勾起我的兴趣，以后没有课程设计我也会主动去做电路，为以后的设计奠基良好的基础。
谢辞
经过一个星期的努力，我顺利把电路做出来了。
虽然整个过程很艰苦，从刚开始的激情到压抑再到痛苦，但是最终我得到的是喜悦。
有时候理论明明可以到了实际就是会出问题，但是我没有放弃。
因为老师说过理论与实践相差非常大，实际要考虑的问题远远比理论的多的多。
所以我不断的查资料、不断的调试；最后终于成功了。
这让我深刻体会到有付出才有回报过程是有些许曲折。
感谢这次数字电子课程设计，让我所学的理论知识不再只是纸上谈兵。
我相信只要不放弃、勇于思考。
设计师离我们不在遥远。
感谢老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！
参考文献
（一）《数字电子技术基础（第五版）》阎石主编，：
高等教育，2006年
（二）《常用电路模块分析与设计指导》王松武等编著，清华大学，2007年
（三）《数字电路设计与制作》汤山俊夫，科学，2005年
（四）《555定时器原理及实用电路集锦》杨兆选编著，XX大学，1989年
（五）《新型集成电路及其应用实例》何希才，：
科学，2002年
附录A：
附录B：
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