八人抢答器

摘要

学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。在我校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。为解决这个问题，就本次课程设计做一个成本低又能满足要求的八路数显抢答器。本设计是模电、数电以及应用软件如multisim、protel等的综合课程设计。

关键词:编码器、计数器、触发器、定时器

前言 (1)

第一章方案简介及其选择 (2)

第二章八路抢答器各部分的设计及其原理 (3)

抢答电路设计 (3)

定时电路设计 (6)

秒脉冲产生电路设计 (7)

报警电路设计 (7)

时序控制电路设计 (8)

抢答总体电路设计 (9)

第三章抢答器电路的仿真 (12)

秒脉冲产生电路的仿真 (12)

抢答电路的仿真 (13)

定时电路的仿真 (13)

结束语 (15)

参考文献 (15)

前言

本电路由主体电路和扩展电路组成，分别由集成编码器、计数器、触发器、定时器和必要的门电路等组成，其中主体电路的作用是完成主持人的控制系统清零与抢答开始功能以及完成参赛者的抢答并显示其编号的功能，扩展电路即控制电路，主要包括秒脉冲发生电路和定时电路。该抢答器实现了以上清零、抢答、数据锁存、自动计时等功能，可以保证8个参赛者或参赛队公平的抢答。

要求是:

1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定(如30秒)。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间秒左右。

5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止

6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。

第一章方案简介及其选择

此次设计的八路定时抢答器有两种设计方案，第一种方案的总体框图如图

所示

图方案一的总体设计框图

其原理是:主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能;如果没有人抢答， 30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。这种方案原理比较简单，但组装电路比较麻烦，控制电路部分要用几种芯片，相对繁琐。

第二种方案的总体框图如图2所示:该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。

图方案二的总体设计框图

相比之下，第二种方案更好些。它的优点表现在以下几个方面:主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路;更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时;用集成单稳态触发器代替了自己设计的控制电路，既减少了布线使整个电路更直观简单又降低了产生错误的可能性。所以以下的设计方案都是按照方案二进行的。

第二章八路抢答器各部分的设计及其原理

单元电路包括抢答电路、秒脉冲发生器电路、定时电路、报警电路和时序控制电路。下面将一一介绍。

抢答电路设计

抢答电路的功能有两个:一是选手抢答后锁存器进行数据锁存，禁止其它选手抢答，二是抢答后的电平信号由优先编码器判断选手编号，并经译码器译码再由显示器显示该编号。电路是由八D锁存器、优先编码器74148和七段译码器7448和七段数码显示器组成。

74LS373是常用的八D锁存器，它功能表如表1所示。

表1. 芯片74LS373的功能表输出控制端OC’ 使能端C D 输出L H H H

L H L L

L L × Q 0

H × × Z

表可知，只有当使能端为高电平时才能将输入信号输出，同时锁存，且此时由功能输出控制端为低电平。

74LS148是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74LS148的功能表如表2所示。

表2 74LS148的功能表

七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。共阴极数码显示器的功能表如表3所示

表3 共阴极数码显示器的功能表十进制 A3 A2 A1 A0 a b c d e f g

0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0

2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1

4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1

5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1

6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1

7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

9 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1

抢答器电路(图原理是:当任意一个选手按下抢答按钮后，74LS373开始工作，与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，再经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器

74LS148工作时输出使能端为高电平，将其连接到锁存器的控制端口，使其由低电平变为高电平，禁止它再工作，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出，也就是完成了锁存功能。

图抢答器电路图

定时电路设计

本次设计的要求中有一项是有定时抢答的功能，并且一次抢答的时间可以由主持人设定。这就要设计定时电路。

定时电路是由两片74LS192、7448和共阴极显示器组成的。其中7448和共阴极显示器共同构成数码显示功能电路在前面的抢答电路中已经介绍过了。两片74LS192是构成两位十进制递减计数器，以实现定时功能。

74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器，其功能表如表4所示:

表4 74192的功能表

由以上集成芯片设计的定时电路如图2示。

图2..2时间的定时电路图

定时电路(图2的工作原理是:首先主持人根据题的难易程度来确定抢答时间，并通过74LS192的置数端将时间输入，抢答开始时主持人将清零开关置低电平，计数器开始递减计数至00，产生报警，计数器停止工作。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。秒脉冲产生电路设计

为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。

如图所示为用555设计的秒脉冲产生电路因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是:

t1=R2×C1×ln2×=(R1+R2)×C×ln2(R1+R2)C.

所以555的3端输出的频率为:

f=1/(t1+t2)[(2R1+R2)C] 我们采用的电阻和电容值分别是:

R1=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲

图秒脉冲产生电路

报警电路设计

报警电路是由555定时器组成的，电路如图所示

图中555定时器用来构成多谐振荡器，震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端就可以了。

图报警电路图

时序控制电路设计

控制电路包括控制扬声器发声时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路

因为扬声器的发声时间要控制在秒，所以要控制报警电路的输入脉冲的脉宽，也就是脉冲周期。可以选用不可重复触发单稳态触发器74LS121，它的功能表如表5所示。

表5 74121的功能表

由功能表可知，当三个输入端的状态不变时输出是低电平，低电平接至报警电路的输入端是不会有报警信号的，只有当输入端有上升延或是下降延(具体如表)时，输出端才会有单次脉冲，将高电平接至报警电路时就会产生报警信号了。

这部分控制电路的电路图如图所示:

图控制部分电路图

图中的电阻和电容的值可以决定脉冲宽度: Tw。要求报警时间为秒，所以我们选择电阻R=10 kΩ，电容C=71μF 。

整机电路设计

各部分电路都已经的设计完毕，现在介绍一下总体电路。在部分电路图上已经表示出了它们之间的联系。相同编号的输出端和输入端是要连接在一起的，例，依此类推，把各个电路连如，输出端1要接输入端1，输出端2要接输入端2

接起来就是总体电路图了。开关K是主持人控制的，开始时接高电平，清零时接低电平。同时还有主持人的置数开关和选手的抢答开关，分别在定时电路和抢答电路中。图中“1”表示要接高电平+5V,“0”表示接低电平，即接地。

下面介绍本次设计的抢答器的使用原理。

首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、

S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。

然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为三路:一路与74LS148的E0端与非后变为高电平输出到74373的使能端C，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零;另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据;三是与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有报警信号。

接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行(例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的

74LS192的D、C、B、A都置于0)。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有三路方向:一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能;另一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数;还有一路输出到锁存器的C端;

当任意一个选手抢答时，例如2号抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端2Q输出低电平，则锁存器输出的八位电平经8,3八位优先编码器74LS148编码输出的A2,A0成为与输入信号相对应的三位二进制码001，而74LS148的管脚15(E0)的输出电平由低变高，输出到七段译码显示器

74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号1。此时，74LS48的RI/RBO端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过与非门输出低电平，经过与门还是低电平输出到锁存器74LS373的C端，起到

所存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，，即实现了抢答功能;同时，由于74LS148的E0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能;同时，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能;

若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示;若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出高电平，将此输出高电平输入到单稳态触发器

74LS121的B端口，使其产生周期为的脉冲刺激报警路发声提示;

综上所述，这次设计的电路完全可以实现要求中的所有功能。

下图是整机图:

34U15J935VCC74LS48N036Key = Space375V38VCC39

400VCC465V11045VCC442115VVCCVCC615VCC97165V032817VCC5VVCC 5VVCC

U1174LS30D49Q1U10U8AR174748

1kΩ74LS04D02N2222ASONALERT5%VCC200 Hz 0U4A5V

74LS32D

R2R1R3R4R5R6R7R8

10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ5%5%5%5%5%5%5%5%

1~OC11ENG

321D1Q 452D2QU1763D3Q894D4Q

13125D5Q74LS148D14156D6Q17167D7Q 18198D8Q

1kΩR9LEDX15%74LS373N

1kΩR10LED1015X25%D0EO1114D1GS1kΩ12D2R11LED13X35%D3

19D4A01kΩ27D5A1R12LED36D6A2X45%4D71kΩR13LED5EIX55%

1kΩR14LEDX65%1kΩR1510LEDA1X75%8

A21kΩ39A3S1R1616LEDA4S2U3X85%2S31115B1S47B2

414B3C416B4J1413~BI/RBOC0U6Key = A J2513~RBIOA 312~LTOBKey = A J311OC710AODKey = A J419BOE215COFU5Key = A 74LS83DJ5614DOG Key = A J6Key = A J7Key = A J8 Key = A

HGFEDCBA 74LS247D

CK DOWN4UP5CLR~CO1412~LOAD~BO1113

ABCDEFGDQD71397AOACQC112106BOBBQB21112COCAQA610153DODV CCRST9R18

OEU17315~LTOF0DIS51474LS192D~RBIOGU7X915kΩ4~BI/RBOTHRLED5 %TRI

CKCONR19DOWNR214VCCU12UPGNDVCC5VCC34kΩ555_TIMER_RATED1 kΩCLR~CO

OUT14125%~LOAD~BO11135V5%ABCDEFGDQD713R2097AOACQC11210 6BOBBQB2859606COC34kΩ

AQA610153DOD95%OEU18315~LTOF51474LS192D~RBIOGU9U13AU14A4 ~BI/RBOU16 C1C25274LS48N10uF100nF74LS04D74F11N84VCC

5V&VCCVCC第三章抢答器电路的仿真

777681 为检验试验设计的正确与否，要EWB或MULTISIM按电路图选择芯片并连79

82VCC00线进行仿真，通过仿真图上数码显示管的显示数字或者示波器上的波形等可观察78

VCC805V的现象来判断部分电路是否正确。下面介绍各部分电路的仿真。

秒脉冲产生电路的仿真

图 555秒脉冲产生电路仿真图

图 555秒脉冲产生电路产生的脉冲波

如图是秒脉冲产生电路的仿真图，图是按动仿真开关后示波器上显示的秒脉冲图

由图可知按照电路图可以产生波形，所以这部分电路也是正确的。

抢答电路的仿真

按照前面的电路图，在MULTISIM软件上选择对应的芯片74LS148和四输入的数码显示管，连接电路。因为无法演示动态的抢答过程，所以假设第一个抢答的是3号选手，则代表三号的按钮S3接低电平，其它按钮都接高电平。得到如图所示的仿真图。因为图中显示管上显示的是3，所以可得抢答电路的设计是成功的。

图抢答电路的仿真图定时电路的仿真

同上，先按照电路图在MULTISIM软件上选择对应的芯片74LS192和四输入端的数码显示管，按图连接电路，各个控制端接能使定时电路正常递减计时的电平信号。按动仿真开关后可以看到显示器上递减计时，并且改变置数端的电平信号，则开始递减的时间不同，即可以按照设定的时间减计时，可见定时电路的设计是正确的。如图17时设定30秒定时的定时电路的仿真图:

图定时电路的仿真及仿真结果图

通过前面对抢答部分、定时部分、和秒脉冲部分电路的正确仿真结果可得，本次的设计原理是合理的，设计图是正确的，所以本次设计基本可以说是成功的。

结束语

我觉得通过这次的设计，我不仅学会了很多原来没有掌握的理论教科书上的知识，更多是学到了一些理论书上没有的，如设计各种功能电路的方法、修改电路等。在平时的学习中基本不会遇到错误的电路，但现在是自己设计，还要自己发现错误，再自己修改，所以这需要很好的知识基础。

很高兴有这样一个锻炼、提高自己的机会。

参考文献

[1]康华光电子技术基础[M] 北京:高等教育出版社，2005

[2]彭介华电子技术课程设计指导[M]. 北京:高等教育出版社，1997

[3]欧阳星明数字逻辑[M] 武汉:华中科技大学出版社，2004

[4] 李海 74系列芯片手册[M] 重庆:重庆大学出版社，1999