四路智力抢答器实验报告29页DOCdocWord文档格式.docx

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过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。

因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。

今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。

但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。

随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了四路智力竞赛抢答器的设计。

四路智力抢答器

摘要

本设计是四路智力抢答器。

设计电路是当主持人按下复位开关K,抢答开始，按下清零开关,抢答电路清零。

利用逻辑电路的原理，使抢答器具有第一个抢答信号的鉴别，锁存及显示功能。

既有抢答信号输入时，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示出来，同时扬声器发出响声。

此时再按其他任何一人抢答均无效，优先抢答选手的编号一直保持不变，直到主持人清除为止。

关键词：

四路抢答器清零锁存主持人

第一章设计目的及要求

1.1设计目的:

本课程为电子、通信类专业的独立实践课，该课程设计建立在电路基础、数电与模电电子线路等课程的基础上，主要让学生加深对电子线路理论知识的掌握，使学生能把学的知识系统地、高效地贯穿到实践中来，避免理论与实践的脱离，同时提高学生的动手能力，并在实践中不断完善理论基础，有助于培养学生的综合能力。

1）、学习数字电路中的优先编码器、锁存器、多谐振荡器、译码器、数据显示管的综合应用。

2）、熟悉抢答器的工作原理

3）、了解数字系统设计，调试及故障排除方法。

1.2设计要求:

设计一个抢答电路：

1）可以容纳四组参赛者，每组设置一个抢答按钮，分别用J1-J4表示；

2）设置一个系统清零的抢答控制开关J5和复位开关K（开关由主持人控制），当开关J5按下时清零，当开关K被按下时，抢答开始。

3）抢答器具有第一个抢答信号的鉴别,锁存及显示功能。

即有抢答信号输入（开关J1-J4中的任意一个开关被按下）时，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示出来，同时扬声器发出响声。

此时再按其他任何一个抢答开关均无效，优先抢答选手的编号一直保持不变，直到主持人将系统清除为止。

第二章设计思路及原理方框图

2.1设计思路:

数字式智力抢答器一般包括门控电路、抢答编码电路、译码电路、优先锁存电路、数显电路、声响报警电路。

其中，门控电路、抢答编码电路、译码电路是核心，用于完成各组抢答信号的识别、判断；

数显电路、声响报警电路用于显示抢答的组号并同时用扬声器提醒；

优先锁存电路用于判断、锁存参赛者的第一个抢答信号并使其他抢答信号无效。

功能要求电路设置系统清零和控制开关，因此需要一个门控电路。

2.2工作原理框如图2-1所示：

抢答编码电路

译码、驱动电路

报警电路

优先锁存电路

门控电路

数显电路

图2-1

第三章单元电路图及方案的选择

3.1方案一的设计：

1.锁存电路：

主要用到74ls3731）.1脚是输出使能（OE）,是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚（锁存控制端,G）如何,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部呈现高阻状态（或者叫浮空状态）;

.当1脚是低电平时,只要11脚（锁存控制端,G）上出现一个下降沿,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。

当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。

当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；

当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。

51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

电路如图3-1所示：

图3-1

2.优先编码器如图3-2所示;

图3-2

输入

输出

EI

I0

I1

I2

I3

I4

I5

I6

I7

A2

A1

A0

GS

EO

1

x

74LS138真值表如表3-1

表3-1

74ls148优先编码器管脚功能介绍:

为16脚的集成芯片，电源是VCC（16） 

GND（8）,I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。

使能端OE（芯片是否启用）的逻辑方程：

OE=I0·

I1·

I2·

I3·

I4·

I5·

67·

IE

当OE输入IE=1时，禁止编码、输出（反码）：

A2,A1,A0为全1。

当OE输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：

I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

从以上的的功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为I7，I6，…，I0。

当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。

例如：

I5=0且I6=I7=1（I6、I7优先级别高于I5）则此时输出代码010（为（5）10=（101）2的反码）这就是优先编码器的工作原理。

图3-3

3.显示电路如图3-4所示：

图3-4

将CD4511的七段译码输出端分别与数码管的7个端口连接，由于CD4511输出端的电压为5V，而数码管的前向导通电压为1.66V，这时CD4511与数码管连接时中间需要加限流电阻，通过计算，我们取R=300Ω。

连接后的译码、数显电路如图所示：

4.报警电路

要求在抢答后显示编号的同时，扬声器发生声响，以示抢答成功，即只有数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时给扬声器一个高电平使之报警，其他情况均不响。

分析CD4511的真值表可以发现，数码管熄灭、显示“0”时，CD4511的c、e端口输出同时为“0”或“1”，因此可以将这两个端口作为异或门的输入，异或门的输出接扬声器输入端。

报警电路如图3-5所示：

图3-5

5完整电路如图3-6所示：

图3-6

3.2方案二的设计：

1译码、数显电路

由于需要用LED数码管显示抢答的相应编号，因此选用常见的BCD-七段数码管和驱动集成电路CD4511。

其工作的逻辑真值表如表3-1所示：

LE

BI

LT

D

C

B

A

a

b

c

d

e

f

g

显示

X

日

熄灭

2

3

4

5

6

7

8

9

锁存

连接后的译码、数显电路图如图3-7所示：

图3-7

2抢答编码电路

J1-J4组成1-4路抢答器，任一抢答键按下都需编成BCD码，将高电平加到CD4511的A、B、C、D4个BCD码输入端。

分析CD4511的逻辑真值表，要在数码管上显示4个十进制编号“1”“2”“3”“4”，所对应输入的BCD码应为“0001”、“0010”、“0011”、“0100”，4个二进制位从左到右分别对应CD4511的D、C、B、A4个编码输入端。

显示“1”、“2”、“4”比较容易实现，只需要通过按键接通电源将高电平加到相应的端口即可。

显示“3”则必须在A、B端口加高电平，这可以通过编码二极管来实现，按键同时接在两个二级管的正极，二极管的负极分别接在CD4511的A、B端，只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平，以实现编码。

按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。

四路抢答器编码、译码、数显电路如图3-8所示：

图3-8

3优先锁存、门控电路：

门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能，由一个开关K连入电路实现。

分析CD4511的逻辑真值表可知，只需要给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。

功能要求在抢答的准备阶段，主持人按下开关K后，数显为“0”，LE端口应为低电平，只有当第一个在抢答键按下时，数码管显示相应的编号，并且给LE一个高电平，锁存此时的编号，观察CD4511的逻辑真值表发现，数码管显示“0”时与数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时，CD4511的输出端e、f有不同的特性，显“0”时两个端口与非可以给LE端一个低电平，显“1”、“2”、“3”、“4”时两个端口与非可以给LE端一个高电平，但此电平不能直接加在LE端，因为如果开关K断开，BI为低电平，此时数码管熄灭，给LE的是高电平，将始终锁存这个熄灭状态。

因此与非门的输出端应和门控电路的开关K输出相与加在LE端，这样LE端只有在开关接通时才有效。

四路抢答器锁存、编码、译码、数显电路图如图3-9所示：

图3-9

4报警电路

分析CD4511的真值表可以发现，数码管熄灭、显示“0”时，CD4511的c、e端口输出同时为“0”或“1”，因此可以将这两个端口作为异或门的输入，异或门的输出接扬声器的输入端。

报警电路如图3-10所示

图3-10

5完整电路图如图3-11所示：

图3-11

3.3方案的选择

通过以上分析我们可以看出，这两种方案所用的元器件数量差不多，所以从价格和焊接难易程度上说没什么不同。

但我们可以发现方案一的设计更巧妙，其锁存功能用4511芯片非常简单，所以我们选择方案一。

第四章电路测试与仿真

5.1启动仿真电路，可观察到按键K没有按下时，数码管处于熄灭状态。

5.2将按键K按下，抢答处于开始状态，数码管此时显示“0”。

仿真如图4-1所示;

图4-1

5.3按J1键，数码管立即显示“1”，扬声器发出“嘟嘟”声响，再有其他键按下时数码管未发生改变，保持“1”不变，说明编码、译码、锁存及数显、声响电路正确。

仿真如图4-2所示;

图4-2

5.4当主持人打开按键K时，复位，数码管熄灭。

此时按任一键都改变不了此状态，门控电路正常。

5.5如此循环，按下其他键测试。

5.6完成测试，仿真成功

第五章四路抢答器元器件清单

器材

数量（个）

单刀单掷开关

按钮开关

二极管（1N4148）

三极管（9013）

0.02K电阻

0.3K电阻

0.33K电阻

12K电阻

5.1K电阻

蜂鸣器（SPEAKER）

555芯片（NE555）

1微法电容

0.01微法电容

与非门（74LS00）

与门（74LS08）

异或门（74LS86）

共阴极数码管（7SEG-COM-CATHODE）

芯片底座（16引脚）

芯片底座（8引脚）

CD4511芯片

导线及焊锡丝

若干

第六章焊接电路图及元件资料

6.1各芯片引脚图：

CD4511引脚图

74LS08引脚图

74LS00引脚图

NE555引脚图

数码管引脚图

6.2焊接电路

实物图如图6-1所示：

图6-1

第七章实验总训

在做实验之前，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，首先是电路图的设计，然后要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，会让你突然跳起来那种感觉，让你觉得付出是绝对值得的。

例如仿真：

在电路的设计成形到调试的过程中，遇到了一些问题并经过反复试验得以解决。

这次课程设计使我学会了很多知识,增强了我们的动手操作能力,也让我们对74ls00,74ls08,74ls86,555等芯片有了一定的了解。

通过四路抢答器的设计让我们对设计产品的一般步骤有了深刻的了解，我想这对于我们今后的学习都有很大帮助。

这次实训的完成，是依靠小组的团结合作和共同努力。

实训遇到瓶颈在所难免，但我们相信集体的力量是可以战胜困难的。

例如，当我们遇到错误时，开始我们组人员有点不知所措，后来经过老师的指导以及小组人员共同思考得以解决问题，然后成功的完成仿真。

在做实物时，开始未成功，但在答辩时老师指出了问题所在，虽然是一个小问题，但却让我们的实物没有成功，经过修改后，四路抢答器终于做好了。

老师为了让我们学到更多的知识，老师不辞劳苦，在这里，对老师说声：

谢谢您，老师，您辛苦了！

第八章参考文献

1数字电子技术基础阎石主编高等教育出版社（清华大学电子学教研组编）

2数字逻辑电路实验指导书罗萍凌家良编

3数字与逻辑设计实用教程韩桂英主编国防工业出版社