四路智力竞赛抢答器设计

吉林建筑大学

电气与电子信息工程学院数字电子技术课程设计报告

设计题目：四路竞赛抢答电路

专业班级：信工131班

学生姓名：

学号：

指导老师：

设计时间：

前言

关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非抢答器的设计与制作智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短时间内，使人们增加一些科学知识和生活常识。常广泛。

在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。

目录

前言 (4)

一 . 课程设计目的 (5)

二 . 课程设计题目与内容 (5)

三 . 系统设计方案 (7)

四 . 电路工作原理 (8)

五 . 单元电路设计参数计算及元器件选择 (11)

六 . 完整电路图 (16)

七 .需要的元器件清单： (17)

八 . 总结与体会 (18)

九 . 参考文献 (20)

一、课程设计目的：

数字电子技术课程设计是数字电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成的，训练学生综合运用学过的数字电子技术的基本知识，独立设计比较复杂的数字电路的能力。

通过数字电路课程设计使学生做到：

1、综合运用电子设计课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。

2、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。

3、了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。

4、学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法。掌握常用电子仪器的使用方法。

5、学会撰写课程设计总结报告。

二、课程设计题目与内容

四路竞赛抢答电路

设计任务:

（1）4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮用S0---S4表示。按钮的编号与选手的编号对应。

（2）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始控制开关S。

（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

课程设计要求:

抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。该电路的根本任务时准确的判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可用触发器和锁存器等。在得到第一信号后应立即将电路的输入封锁，即使其他组再次发出抢答信号也无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二级管直接指示组别

该电路的根本任务时准确的判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可用触发器和锁存器等。在得到第一信号后应立即将电路的输入封锁，即使其他组再次发出抢答信号也无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二级管直接指示出组别。

1 . 基本功能

(1)抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S0 ~ S3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。用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。

(3)抢答器具有锁存与显示功能。即抢答开始后，选手按动按钮，锁存相应的编号，并在编号显示器上显示该编号。同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

2 . 抢答器的组成框图

定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。图1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：

①优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由

译码显示电路显示编号；

②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；

③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；

④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

三.系统设计方案

抢答器主要是由四个三极管、和四个D触发器以及四个或非门构成，其中三极管是与主持人一起配合使用，用来控制是否开始抢答，当主持人将开关接地时，三极管截至，此时三极管可以当作一个二极管使用当有选手抢答时就通过三极管将信号传送给D触发器，D触发器在将信号传送给或非门并将其他选手锁存，同时将信号送给发光二极管与喇叭。

其工作原理是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答。当有选手抢

时，抢答信号就通过三极管传入D触发器，并且最先收到抢答信息D触发器送出一个反馈信号将其余三位选手的信号封锁。当选手回答完毕问题时，主持人启动计分器，并且给该选手加上或减去分数。计分器通过译码器将信号传送给一数码管显示出来。

四 . 电路工作原理

1、抢答电路设计

数字抢答器：

工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置?quot;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

2．单元电路设计

(1) 抢答器电路

参考电路如图所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于"清除"端时，RS触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝０，使之处于工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，Q1=1, =1,74LS48处于工作状态，Q4Q3Q2=101,经译码显示为"５"。此外，Q1＝１，使74LS148 ＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为Q1＝１，使＝１，所以74LS148

仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置;清除"然后再进行下一轮抢答。74LS148为８线－３线优先编码器，表11、1为其功能表。

数字抢答电路

表１０、１74LS148的功能真值表

(2)定时电路

定时电路

由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图所示。

（3）报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

报警电路

（4）时序控制电路

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。

②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声不发声。

根据上面的功能要求以及图 11、2，设计的时序控制。图中，门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。图11、4的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0， =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间，其工作原理请读者自行分析。

五 . 单元电路设计参数计算及元器件选择

1 . 74LS48芯片：

是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。

2 . 74LS279中文资料:

54/74279四/R-/S 锁存器

简要说明:

279为四个/R-/S 锁存器，共有 54/74279 和 54/74LS279 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):

型号：tPD PD

54279/74279 12ns 90mW

54LS279/74LS279 12ns 19mW

四个锁存器中有 2 个具有 2 个置位端（/SA,/SB）。

当/S 为低电平，/R 为高电平时，输出端 Q 为高电平。当/S 为高电平，/R 为低电平时，Q 为低电平。当/S 和/R 均为高电平时，Q 被锁存在已建立的电平。当/S 和/R 均为低电平时，Q 为不稳定的高电平状态。

对/SA和/SB，/S的低电平表示/SA和/SB只要有一个为低电平，/S的高电平表示/SA和/SB均为高电平。

引出端符号：

1Q~4Q 输出端

/1S~/4S 置位端（低电平有效）

/1R~/4R 复位端（低电平有效）

3 . 74LS148

在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74148是一个八线-三线优先级编码器。

如图所示的是八线-三线编码器74148的惯用符号及管脚图引脚图。

74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中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。

由74148真值表可列输出逻辑方程为：

A2 = (I4+I5+I6+I7)IE

A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+I7)·IE

A0=(I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)

使能输出端OE的逻辑方程为：

OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE

当使能输入IE=1时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0为全1。(如表5.1.2第一行所示。)当使能输入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。

OE为使能输出端，它只在允许编码(IE=0)，而本片又没有编码输入时为0。

扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为：

GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)·IE

GS为片优先编码输出端，它在允许编码(IE=0)，且有编码输入信号时为0(如表5.1.2中第三至第十行)；若允许编码而无编码输入信号时为1(如表5.1.2第二行)；在不允许编码(IE=1)时，它也为1(如表5.1.2第一行)。

GS = 0表示“电路工作，而且有编码输入”

74148优先编码器真值表：

4 . 十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

图3-4 74LS192的引脚排列及逻辑符号

（a）引脚排列 (b) 逻辑符号

图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位

输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如下：

输入输出

MR P

3 P

2

P

1

P

Q

3

Q

2

Q

1

Q

1 ×××××××0 0 0 0

0 0 ×× d c b a d c b a

0 1 1 ××××加计数

0 1 1 ××××减计数

74LS192的功能表

5 . 555定时器

555定时器，它基本原理是，由于电容C的两端的电压不能突变，定时器的2

端电压低触发端为低电平，输出端3为高电平。电源经过R

1、R

2

给电容C充电，

当电容的电压充到电源电压的2/3时，555内部的MOS管导通，输出为低电平。接着电容通过R

2

和已经导通的MOS管放电，当电容的两端电压下降到低于1/3

的电源电压时，MOS管截止电容放电停止，此时电源通过R

1、R

2

再次向电容充电，

如此反复，形成震荡，从而在3端得到时钟脉冲源输出，根据公式：

周期T=（R1+2R2）×C×ln2=0.7（R1+2R2）C 。

它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS 触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。

定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。

图4.4 555结构原理图

由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。

当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低

电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。

当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。

六、完整电路图

七 .需要的元器件清单：

1.集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。

2. 电阻 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. 电容 0.1uF 1只，10uf 1只。

4.三极管3DG12 1只。

5. 其它：发光二极管2只，共阴极显示器1只。

八 . 总结与体会

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团

队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

此次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

九 . 参考文献

1.康华光《电子技术基础（数字部分）》高等教育出版社 1999

2.林时昌《数字逻辑电路与实验》高等教育出版社 2004

3.王楚《数字逻辑电路高等教育出版社》 1999

4.刘守义《数字电子技术》西安电子科技大学出版社 2001

5.邓元庆《数字电路与逻辑设计》电子工业出版社 2001