數(shù)電課程設(shè)計--四路智力競賽搶答器設(shè)計

1、<p>　　數(shù)字邏輯期末課程設(shè)計</p><p>　　四路智力競賽搶答器設(shè)計</p><p><b>　　多路智能搶答器設(shè)計</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　關(guān)于這次設(shè)計的用于多人競賽搶答的器件，在現(xiàn)實生活中很常見，尤其是在隨著各種智益電視節(jié)目的不斷發(fā)

2、展，越來越多的競賽搶答器被用在了其中，這種搶答器的好處是不僅能夠鍛煉參賽選手的反應(yīng)能力，而且能增加節(jié)目現(xiàn)場的緊張、活躍氣氛，讓觀眾看得更有情趣?？梢姄尨鹌髟诂F(xiàn)實生活中確實很實用，運(yùn)用前景非常廣泛。</p><p>　　在知識競賽中，特別是做搶答題時，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要有一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。如果在搶答中，只靠人的視覺是很難判斷出哪組先答題。這次設(shè)計就是用幾個觸發(fā)器以及三極管巧

3、妙的設(shè)計搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本文主要介紹了搶答器的工作原理及設(shè)計，以及它的實際用途。 </p><p>　　目錄1 前言....................................................................22 設(shè)計內(nèi)容及要求...................................

4、...........................33 系統(tǒng)設(shè)計方案（設(shè)計方案的比較和選定）..........................................................44 電路工作原理(設(shè)計思路) ............................................................65 元電路設(shè)計參數(shù)計算及元器件選擇...............

5、..................................................106 完整電路圖....................................................177 系統(tǒng)需要的元器件清單............................</p><p>　　一 . 設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p>　　該電路的根本

6、任務(wù)時準(zhǔn)確的判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。在得到第一信號后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組再次發(fā)出搶答信號也無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二級管直接指示出組別。</p><p><b>　　1 . 基本功能</b></p&

7、gt;<p>　　(1)搶答器同時供4名選手或4個代表隊比賽，分別用4個按鈕S0 ~ S3表示。</p><p>　　(2)設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。用來控制系統(tǒng)清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　　(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即搶答開始后，選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在編號顯示器上顯示該編號。同時封鎖輸入編碼電路，

8、禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。</p><p>　　2．?dāng)U展功能（選做）</p><p>　　(1)搶答器具有定時搶答功能。要求定時器開始倒計時，并用定時顯示器顯示倒計時時間。</p><p>　　(2)參賽選手在設(shè)定時間（9秒，30）內(nèi)搶答，搶答有效，同時定時器停止倒計時，編號顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時

9、間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　　(3)如果定時搶答時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報警（音響持續(xù)0.5秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。</p><p>　　3 . 搶答器的組成框圖</p><p>　　定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功

10、能，即開始搶答后，當(dāng)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(kuò)展電路完成定時搶答的功能。</p><p>　　圖1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定的時間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置，揚(yáng)聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器

11、倒計時。當(dāng)定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作：</p><p>　　優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；</p><p>　　揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人注意；</p><p>　　控制電路要對輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，

12、避免其他選手再次進(jìn)行搶答；</p><p>　　控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。</p><p>　　圖1 定時搶答器總體框圖</p><p>　　4 ．本實驗要求學(xué)生在所提供的元器件范圍內(nèi)設(shè)計一個4人搶答器，其功能要求如

13、下：</p><p>　?。?）能判別輸入量的優(yōu)先權(quán)；</p><p>　　（2）具有鎖存優(yōu)先判別功能；</p><p>　?。?）主持人開關(guān)可以恢復(fù)下一輪搶答；</p><p>　?。?）具有數(shù)字顯示和聲音提示。</p><p>　　5 . 實驗室可將數(shù)字顯示和輸入開關(guān)電路板提供給學(xué)生，同學(xué)們只需將其與自己所設(shè)計并已

14、接好的電路聯(lián)接在一起即可。</p><p>　　二 . 系統(tǒng)設(shè)計方案（設(shè)計方案的比較和選定）</p><p><b>　　2.1 方案比較：</b></p><p>　　以下設(shè)計的是智力搶答器的方案流程圖：</p><p>　　圖2.1 方案一流程圖 </p><p>　　搶答器主要是由四個三極

15、管、和四個D觸發(fā)器以及四個或非門構(gòu)成，其中三極管是與主持人一起配合使用，用來控制是否開始搶答，當(dāng)主持人將開關(guān)接地時，三極管截至，此時三極管可以當(dāng)作一個二極管使用當(dāng)有選手搶答時就通過三極管將信號傳送給D觸發(fā)器，D觸發(fā)器在將信號傳送給或非門并將其他選手鎖存，同時將信號送給發(fā)光二極管與喇叭。</p><p>　　其工作原理是當(dāng)主持人按下?lián)尨痖_關(guān)時，選手能進(jìn)行搶答。當(dāng)有選手搶</p><p>　　

16、時，搶答信號就通過三極管傳入D觸發(fā)器，并且最先收到搶答信息的D觸發(fā)器送出一個反饋信號將其余三位選手的信號封鎖。當(dāng)選手回答完畢問題時，主持人啟動計分器，并且給該選手加上或減去分?jǐn)?shù)。計分器通過譯碼器將信號傳送給一數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　圖2.2 方案二流程圖</p><p>　　方案二的搶答器則主要是由四個RS觸發(fā)器，一個74LS48以及一個優(yōu)先編碼器74LS148構(gòu)成，其中四

17、個RS觸發(fā)器的輸出接74LS48，74LS48在接數(shù)碼管，R端接5V電源其如圖</p><p>　　圖2.3 RS觸發(fā)器</p><p>　　S端接74LS48連接選手的輸入信號，當(dāng)主持人將開關(guān)接通時，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端也全部為低電，選手不能搶答。當(dāng)斷開時，RS觸發(fā)器處于工作狀態(tài)中，當(dāng)有選手搶答時，信號輸入S端，并且鎖定其他選手。</p><p>&

18、lt;b>　　方案論證及選擇</b></p><p>　　通過以上兩種方案的比較可知，方案一的設(shè)計是每當(dāng)有選手搶答成功時，都會有聲光伴隨，而且是具體到每一位，給人直觀的感覺。方案二的設(shè)計則是用一個數(shù)碼顯示器顯示搶答成功者的號碼，與第一個相比顯得不能讓人一下就反映過來誰是搶答成功者；另外方案一更加的簡潔、易行，而且使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件比如：555，74LS148以及開關(guān) 二極

19、管 電容 電的電路與方案二比較顯得更簡單、明了。</p><p>　　這樣就是就選擇第一種方案。</p><p>　　三 . 電路工作原理(設(shè)計思路) </p><p><b>　　1、搶答電路設(shè)計</b></p><p>　　搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二

20、是要使其他選手的按鍵操作無效。</p><p>　　選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能。</p><p>　　查看優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279的功能表和引腳圖等使用資料。也可以選用其他的器件完成此功能。</p><p>　　工作過程：開關(guān)S置于"清除"端時，RS觸發(fā)器的 端均為０，４個觸發(fā)

21、器輸出置０，使74LS148的 ＝０，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q=1, =1,74LS48處于工作狀態(tài)，４Q３Q２Q=101,經(jīng)譯碼顯示為"５"。此外，1Ｑ＝１，使74LS148 ＝１，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148的 此時由于仍為１Ｑ＝１，使 ＝

22、１，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將Ｓ開關(guān)重新置"清除"然后再進(jìn)行下一輪搶答。</p><p>　　表１０、１　74LS148的功能真值表</p><p><b>　　2、定時電路設(shè)計</b></p><p>　　節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，

23、設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，可以選用十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器74LSl92進(jìn)行設(shè)計，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。器構(gòu)成圖如下：</p><p>　　四 . 單元電路設(shè)計參數(shù)計算及元器件選擇</p><p>　　1 . 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面我就給大家介紹一下這個元件的一些參數(shù)與應(yīng)用技

24、術(shù)等資料。</p><p>　　2 . 74LS279中文資料.:</p><p>　　54/74279四/R-/S 鎖存器簡要說明:279為四個/R-/S 鎖存器，共有 54/74279 和 54/74LS279 兩種線路結(jié)構(gòu)型式,其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):型號 tPD PD54279/74279 12ns 90mW54LS279/74LS279

25、12ns 19mW四個鎖存器中有 2 個具有 2 個置位端（/SA,/SB）。當(dāng)/S 為低電平，/R 為高電平時，輸出端 Q 為高電平。當(dāng)/S 為高電平，/R為低電平時，Q 為低電平。當(dāng)/S 和/R 均為高電平時，Q 被鎖存在已建立的電平。當(dāng)/S 和/R 均為低電平時，Q 為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。對/SA和/SB，/S的低電平表示/SA和/SB只要有一個為低電平，/S的高電平表示/SA和/SB均為高電平。引出端符號：1Q~

26、4Q 輸出端/1S~/4S 置位端（低電平有效）/1R~/4R 復(fù)位端（低電平有效）外部管腿圖：邏輯圖：真值表：</p><p>　　3 . 74LS148</p><p>　　在優(yōu)先編碼器電路中，允許同時輸入兩個以上編碼信號。不過在設(shè)計優(yōu)先編碼器時，已經(jīng)將所有的輸入信號按優(yōu)先順序排了隊。在同時存在兩個或兩個以上輸入信號時，優(yōu)先編碼器只按優(yōu)先級高的輸入信號編碼，優(yōu)先級低的信號則不起

27、作用。74148是一個八線-三線優(yōu)先級編碼器。</p><p>　　如圖所示的是八線-三線編碼器74148的慣用符號及管腳圖引腳圖。</p><p>　　74148優(yōu)先編碼器為16腳的集成芯片，除電源腳VCC(16)和GND(8)外，其余輸入、輸出腳的作用和腳號如圖中所標(biāo)。其中I0—I7為輸入信號，A2,A1,A0為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，IE是使能輸入端，OE是使能輸出端，GS為片優(yōu)先編

28、碼輸出端。</p><p>　　由74148真值表可列輸出邏輯方程為：</p><p>　　A2 = (I4+I5+I6+I7)IE</p><p>　　A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7)·IE</p><p>　　A0 = (I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)·IE</p>&

29、lt;p>　　使能輸出端OE的邏輯方程為： </p><p>　　OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE </p><p>　　當(dāng)使能輸入IE=1時，禁止編碼、輸出(反碼)： A2,A1,A0為全1。(如表5.1.2第一行所示。)</p><p>　　當(dāng)使能輸入IE=0時，允

30、許編碼，在I0～I(xiàn)7輸入中，輸入I7優(yōu)先級最高，其余依次為：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等級排列。</p><p>　　OE為使能輸出端，它只在允許編碼(IE=0)， 而本片又沒有編碼輸入時為0。如表5.1.2中第二行所示)。</p><p>　　擴(kuò)展片優(yōu)先編碼輸出端GS的邏輯方程為： </p><p>　　GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5

31、+I6+I7)·IE </p><p>　　GS為片優(yōu)先編碼輸出端，它在允許編碼(IE=0)，且有編碼輸入信號時為0(如表5.1.2中第三至第十行)；若允許編碼而無編碼輸入信號時為1(如表5.1.2第二行)；在不允許編碼(IE=1)時，它也為1(如表5.1.2第一行)。</p><p>　　GS = 0表示“電路工作，而且有編碼輸入” </p><p>

32、　　74148優(yōu)先編碼器真值表</p><p>　　用兩片74148優(yōu)先編碼器擴(kuò)展為十六線-四線優(yōu)先編碼器的連線圖</p><p>　　4 . 十進(jìn)制可逆計數(shù)器74LS192引腳圖管腳及功能表</p><p>　　74LS192是同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如下所示：</p><p>

33、　　圖5-4 74LS192的引腳排列及邏輯符號</p><p>　?。╝）引腳排列 (b) 邏輯符號</p><p>　　圖中：為置數(shù)端，為加計數(shù)端，為減計數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。</p><p&g

34、t;<b>　　其功能表如下：</b></p><p>　　74LS192的功能表</p><p>　　5 . 555定時器</p><p>　　555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化原理圖如下，它由3個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT以及緩沖器G 組成。</p><p>　　定時器

35、的主要功能取決于比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJT T的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Vo為低電平。因此在正常工作時，應(yīng)將其接高電平。</p><p>　　圖3.4 555結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　由圖可知，當(dāng)5腳懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。</p><p>　　當(dāng)V

36、I1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端Vo為低電平。</p><p>　　當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc時，比較器C1輸出高電平,比較器C2輸出輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管截止，輸出端Vo為高電平。</p><p>　　當(dāng)VI1<2/3

37、Vcc，VI2>1/3Vcc時，基本RS觸發(fā)器R=1、S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路以保持原狀態(tài)不變。</p><p>　　表3.2 555功能表</p><p><b>　　五 . 完整電路圖</b></p><p>　　六 . 系統(tǒng)需要的元器件清單： </p><p>　　集成電路74LS148 1片，74L

38、S279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。 2. 電阻 510Ω 2只，1KΩ 9只，4.7kΩ l只，5.1kΩ l只，100kΩ l只，10kΩ 1只， 15kΩ 1只， 68kΩ l只。 3. 電容 0.1uF 1只，10uf 1只。 4. 三極管 3DG12 1只。 5. 其它：發(fā)光二極管2只，共陰極顯示器2只。</

39、p><p><b>　　七 . 總結(jié)與體會</b></p><p>　　本系統(tǒng)是一個可供4人搶答的搶答器,當(dāng)主持人按下禁止搶答的開關(guān)時,搶答被禁止.如果在此期間選手將不能搶答;當(dāng)控制開關(guān)斷開時搶答允許,此時若有人搶答,數(shù)碼顯示器將顯示搶答者的組數(shù),提示主持人搶答已經(jīng)完成.</p><p>　　本次設(shè)計是本人第一次運(yùn)用數(shù)字電路模擬實際的東西。因而在許

40、多方面都還不熟練,不如說對一些元器件的功能還不完全了解，不能熟練運(yùn)用，因而不能完全的一次性設(shè)計好該電路。不過通過本次的課程設(shè)計我學(xué)到了學(xué)多的知識，學(xué)會了Multisim的一些基本使用方法，培養(yǎng)了我們獨立思考問題解決問題的能力，加深了我們對數(shù)電、模電知識的理解，鞏固了我們的學(xué)習(xí)知識，有助于我們今后的學(xué)習(xí)。</p><p>　　總之，在這次的課程設(shè)計過程中，我收獲了很多，即為我的以后學(xué)習(xí)設(shè)計有很大的幫助，也為將來的人

41、生之路做好了一個很好的鋪墊。</p><p><b>　　八 . 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 .《數(shù)字邏輯》 毛法堯 高等教育出版社 2008年5月</p><p>　　2 .《數(shù)字邏輯基礎(chǔ)》 陳光夢 復(fù)旦大學(xué)出版社 2003年6月<