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智力竞赛抢答器的设计
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图１（原理框图）
如电路原理框图，当主持人清零后，指示灯不亮，这时抢答无效．只有当主持人开关按下，处于抢答状态，指示灯发亮,这时当有一个选手抢答后，抢答信号通过优先编码器输送到译码驱动器,再送到显示器,这样七段LED数码显示器就会显示出其号码．这时锁存电路工作，以至于其它的选手再抢答时就无效了．当抢答成功后，报警电路就会发出抢答成功的声音，持续一秒，且频率为1.2KHz．当主持人清零后,指示灯灭, 七段LED数码显示器显示为0.
设计内容及要求
１．最多可以容纳６名选手参赛，编号分别为１，２，３，４，５，６．各队用一个按钮抢答，主持人用一按钮清零．
２．抢答具有数据锁存功能，并将锁存数据用LED数码显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响，持续时间为１秒．主持人清零后，声音提示停止．
３．抢答先后的分辨率为５ms．
比较和选择设计系统方案
１．方案一．
电路原理图２．接上电源后，主持人开关打开，电路处于清零状态，指示灯不亮．各个触发器的Q端输出都为１，假设芯片编码器74148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和１，与非门（１）被封锁，输出为高电平，而与非门（２）打开，输出与cp脉冲源的状态相反，并将cp信号送到各个JK触发器．当主持人把开关合上，指示灯亮，各触发器处于工作状态，整个电路处于抢答状态，这时只要六名选手中有一位选手合上开关，其所控制的触发器在cp脉冲为下降沿时触发翻转，其Q端输出为０，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号．在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为１和０．这样与非门（１）打开，并输出为低电平．由５５５连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由５５５连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响．只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制喇叭发声的时间频率．而与非门（２）由于GS为０而被封锁，cp脉冲就无法通过．这样就算其它选手再合上开关，因为没有下降沿其相应的触发器则无法触发．当主持人打开开关后，电路就再一次处于清零状态．在这个电路中，只要我们使用频率足够高的cp脉冲，精度还是比较高的．

指示灯

（１）

单稳态

多谐
振荡器

（２）
图２（方案一电路原理图）
２．方案二
电路原理图如图３．当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态．当主持人开关打开时，电路处于清零状态．此时，各个触发器的Q端输出都为１，假设芯片编码器74148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和１，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁．GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平．也就是说，只要有触发信号来并且R端为１时，各触发器就会被触发翻转．当主持人开关合上，指示灯亮，此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把开关合上，其相应的触发器cp 端就相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转．其Q端输出为０，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号．在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为１和０．这样与非门打开，并输出为低电平．由５５５连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由５５５连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响．同样地，只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制喇叭发声的时间频率．而此时因为GS输出为０，各触发器的JK端也就为０，就算此时其它选手再把开关合上，其对应的触发器也不会再触发翻转，仍然会保持原来的状态．当主持人把开关断开时，电路又被清零．

图３（方案二电路原理图）

３．两种方案的优缺点的比较
从上面分析的两个方案来看，我们可以知道方案一是同步时序电路，而方案二是异步时序电路．比较起来两个方案主要有以下不同点，方案一中，选手是通过控制触发器的J端输入信号来使触发器翻转的，这样就会存在一个问题，如果有两个或是多个选手都在cp脉冲的非下降沿时抢答，就会发生两个触发器同时翻转的情况，这样就会发生错误．在方案二中，就不存这样的问题，因为其选手控制的是触发器的CP输入端．这样的话精度会高一些．再者，在方案一中，因为需要CP脉冲源，所以在电路中要多用一个５５５连接的多谐振荡器来产生CP脉冲．由电路原理图我们也可以看到，方案二明显要比较方案一简单得多，所用的器件和元件也相应的少一些．经比较可知，方案二明显要比方案好．
单元电路设计，参数计算及元件器件选择
１．锁存电路分析

图４（锁存电路原理图）
如图４所示，锁存电路是由六个由下降沿触发的触发器和一个74148优先编码器组成的．（优先编码器74148功能表如图５所示）．清零后，各触发器输入都为低电平，其反向输出为高电平，且都输送到74148中，这时，74148的输出使能端GS为高电平，并且高电平信号都送到各触发器的JK端，根据JK触发器的工作原理可知，JK同时为高电平且处于工作状态时，只要CP端有触发信号时就会触翻转．当清零端输入高电平时，所有的触发器处于工作状态，这时如果有一个触发器触发翻转，其输出就为１，反向输出端则为０．低电平输送到74148，编码器编码，其GS输出为低电平，输送到各触发器的JK端，此时，即使其它触发器再有触发信号，也不会发生翻转．
在有的设计方案中,主要的锁存是通过一个六输入的与非门实现的.就是把各触发器的Q非端连到一个六输入的与非门中,因为清零后,各Q非端的输出都是高电平,经与非门后,输出就为低电平,再令其反向,就成了高电平,输送到各触发器的JK端,当有一抢答后,其Q非端就会由高电平翻转为低电平,由与非门的逻辑功能可知,有一端输入为零,其输出就为1,再经反相器后就变为零,这样同样也实现的锁存功能.
比较而言,我们用74148的输出使能端GS的输出信号进行锁存,可以节省一块芯片,而且连接电路也较简单,这就体现出了设计电路的节省与简洁的优点.所以在这里我们选择用74148的输出使能端GS的输出信号进行锁存.

图５（优先编码器74148功能表）

(74148引脚图)
２．显示电路

图６（显示电路）
显示电路主要是由一个优先编码器74148，一个七段LED译码驱动器7448和一个七段LED数码显示器组成．优先编码器74148的功能表在图５中已经列出．七段LED译码驱动器7448的功能表如图７所示．在显示电路中，74148的０和７输入是悬空的，只从１～６输入端输入信号，只要有一个信号输入，就会输出其相应的二进码，这个二进码送到7448中．在7448中，D端是接地的，只从CBA三端输入，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出来．

图７（七段LED译码驱动器7448功能表）

３．报警电路
图８（５５５定时器原理图）

在整个抢答器设计中，要求抢答成功后有声音提示，而且提示声持续１S，频率为1.2KHz，在设计报警电路时这里用到了５５５定时器．下面先对５５５定时器作简要的介绍．
５５５定时器的原理图和功能表分别如图８和图９所示．它是由３个阻值为５K欧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 TD以及缓冲器G4组成.定时器的主要功能取决于比较器,比较器的输出控制RS触发器和放电TD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.由图可知,当5脚悬空时,比较器C1和C2和比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc.
由功能表可知.
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TD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输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管TD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,电路亦保持原状态不变.

图９（５５５定时器功能表）

用555定时器可以组成单稳态触发器和多谐振荡电路.

图10(单稳态触发器电路图)
由555组成的单稳态触发器的电路图如图10所示. 将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器。电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。这个单稳态触发器是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。5号脚悬空时，输出脉冲宽度为。5号脚接控制电压时，输出脉冲宽度为。
在这里,单稳触发器主要是用于控制喇叭声响的时长,这就要通过控制触发器的输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为1秒.经计算得到在单稳触发器中的各参数如下:
C=0.01微法
Rp=91M欧

图11(多谐振荡电路)
由555组成的多谐振荡电路如图11所示. 电阻和电容构成一个积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是，先用555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。与555定时器内部的放电管构成了一个反相器。逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。我们看到，电阻和电容构成了积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接积分电路的输入端，积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。
多谐振荡器用在报警电路中,主要是用于控制喇叭声响频率.这里要求为1.2KHz.在方案一中,还用到了多谐振荡器来产生CP脉冲.经计算得到多谐振荡器各参数如下:
R1=0.6K欧
R2=2.4K欧
C1=0.22微法
C2=0.01微法
报警电路主要就是由以上所介绍的一个单稳触发器,一个多谐振荡器,再加一个扬声器组成的.其组成原理图如图12所示.

图12(报警电路原理图)

由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时,第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平,处于稳定状态,这时,右边的多谐振荡器的复位输入为低电平,所以其输出也为低电平.扬声器不发音.当信号输入为低电平时,单稳态触发器被触发,处于暂稳态,此时其输出为高电平,输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡工作,输出为频率为1.2KHz的脉冲波形.这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响.
选定一种方案
因为方案二比方案一有电路简单,所用器件少,精度高等优点,在这里我们就选定方案二作详细的分析.
图13为方案二的完整电路图.这个电路主要是由锁存电路,显示电路和报警电路组成的.其工作原理为, 当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态．当主持人开关打开时，电路处于清零状态．此时，各个触发器的输出都为１，反相输入端输入为0.芯片编码器74148处于工作状态，此时，1~6端口输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和１，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁．GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平．也就是说，只要有触发信号来并且清零端为１时，各触发器就会被触发翻转．当主持人开关合上，指示灯亮，各触发器的清零端就为1了.此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把进行抢答，其相应的触发器cp 端就由高电平变为低电平,这相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转．其反相端输出为０，信号输入到优先编码器74148中，经编码输送到7448七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号．在此时，74148的两个输出使能端EO和GS分别输出为１和０．这样与非门打开，并输出为低电平．报警系统就等到有效的信号输入,喇叭发出抢答成功的声响．而此时因为GS输出为０，各触发器的JK端也就为０，由锁存电路的锁存功能可知,其它选手如果再进行抢答时已经无效了.

图13(方案二的完整电路图)
组装调试
1.检测与查阅器件
用数字即成电路测试仪检测所用的集成电路。通过查阅集成电路手册，标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。
2.连接电路
按电路图连接电路。先在电路板上插好各种器件。在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时要保证各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。指示灯的正、负极不能接反。在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。
3.电路调试
首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。
1).显示电路的调试
显示电路主要是由一块74148和一块7448芯片以一个七段LED数码显示器组成的.在调试时,可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常.
2)锁存电路的调试
在调试锁存电路时,我们可以在各触发器的Q端接各接上一个发光二极管,接上电源,主持人开关打开,任意按下一路抢答开关,看其对应的发光二极管是否亮,然后再按其它开关,这时其它的二极管应该不发亮才算正常.
3)清零电路调试
清零是由主持人控制的.这个电路比较简单,只有一个指示灯,当主持人开关断开时,指示灯通过接地连接到各触发器的清零端,这时七段LED数码显示器应显示为0,如果不为零则电路不正常.
4)报警电路调试
调试本电路时,可以借助示波器来进行.把由555组成的单稳触发器和多谐振荡器的信号输出端分别接到示波器的两个通道上,接上电源,由示波器的波形来判断报警电路是否工作正常.
总结设计电路的特点和方案的优缺点，课题的核心及应用价值，改进意见和展望
在这里采用了两种不同的方案,方案一是同步电路,方案二是异步电路,而且还就方案二的原理作了详细的分析.这个方案的主要优点在于其电路比较简单,用到的元器件少,而且精度高.在这两个方案中,它们的核心部分都是一样的,主要是锁存电路,报警电路和显示电路.
在现在这种信息化的时代里,我们日常中会经常举行一些有意义的知识竞赛或是一些娱乐活动,在这其中,我们就会用到这里所设计的抢答器.在没有抢答器之前,我们都是通过其它一些方法进行抢答的,比如举手等等.这些方法都是通过人的观察来判断谁抢到的,比如有两个以上的选手同时举手时,主持人就不能分辨出到底谁是第一个抢答的了.这种情况显然会给活动或竞赛带来不便.然而当我们有了抢答器以后,就不用担心这个问题了,我们的抢答器就是为这个而服务的.它让同时出现两个以上选手同时抢答成功成为了”不可能”.
当然,我们这抢答器同样还存在一些令人不太满意的地方.这里设计的是数字电路的抢答器,我们还可以设计出模拟电路和单片机的抢答器,可以用软编程实现,这样的话精度就会更高.而且易于修改.我们只需对程序作必要的修改就可以应用于不同的场合,实用性更强
所需元器件清单
本次设计所用到的元器件清单如下(以方案二的为主)
元器件名称 数量 元器件名称 数量 元器件名称 数量
边沿JK触发器 6 灯 泡 1 七段LED数码显示器 1
开 关 7 二输入与非门 1 电 容 4
74148编码器 1 555定时器 2 电 阻 4
7448译码器 1 扬声器 1

收获和体会
此次课程设计可以使得我们把平时课堂上学的理论知识运用到实中,通过课程设计的独立完成,可以加深我们对的理论知识理解.为以后下一步的学习打下的基础.组装与调试中就会让我们学到更多的知识.无论理论上电路是画得多好,但在组装时都会碰到或多或少的问题,我们学会调试和检测,只有这样我们才会发现问题,才能对问题进行分析,从而解决问题.
在组装过程中,我们也知道,这是一个非常考验人耐性的过程,那些芯片的管脚会让人眼花缭乱,只要一不留神就会接错线,等知道错以后,查起来是多么的麻烦.
在设计中,还学习应用了电脑模拟仿真,我觉得这也是一个学习的关键要点.在平时的学习中都是学习书上的理论知识,但我们对某个电路的实际工作情况以及其正确与否就从来没有见到过没有验证过.在设计的时候,我们以理论为基础,可以运用一些电脑模拟软件,如EWB,Protel等,在电脑上先连好电路图进行模拟,这样可以检测出里面存在的问题,然后我们加以改正.到真正组装和调试时就能做到事半功倍了.在本报告最后附有一个本设计电路的在EWB上模拟电路图.本电路已在EWB上模拟通过.
参考文献
<<电子技术基础>> 数字部分(第四版) 华中理工大学电子学教研室编.
高等教育出版社 主编:康华光.
<<数字电子电路实验>> 武汉理工大学教材中心 苏芷莉 编
<> Charles K.Alexander Matthew N.O.Sadiku

通信0306班　　金明坤　　学号：0905030623
课题名称
六路智力竞赛抢答器．
内容摘要
电路原理框图如下：

八路抢答器
该八路抢答器用于8人及8人以下的抢答比赛中，本抢答器实用可靠，采用数码显示器显示抢答编号，具有数码锁存,优先抢答及规定时间内抢答有效的功能。

电路原理框图

将抢答中先按下按钮的编号用锁存器锁存，其它按钮无效，然后送入专用频道数显译码电路，直接驱动数码管显示抢答编码。

二、电路各功能模块分析
（1）输入电路
利用8个常开接钮开关S1～S8和8只电阻R1～R8,组成抢答器的输入电路。S1～S8为自复式常开按钮开关，分别作为8位抢答按钮，与它相连的8只电阻为下拉电阻，以保证按钮未按下时，锁存器的输入端为低电平。
(2) 定时电路
由555定时器，三极管T1、T2，非极性电容C3，C4，二极管D，时间继电器KT，电阻R13～R16组成。当电路接通（S0按下），三极管T1经R16分压后导通，555定时器二脚电位拉低，3脚输出高电平，开始定时（设定为30S）三极管T2导通，继电器KT线圈得电，其常开开关闭合电路自锁。
(3) 8线一8线锁存优先编码器
由带公共时钟和复位端的编码器74LS273组成。编码器的逻辑功能就是把输入的每一个高、低电平信号编成一个对应的二进制代码。优先编码器中，允许同时输入两个以上的编码信号。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，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。
(4) 译码显示电路
由专用频道数显译码器CH233，电阻R10，数码显示管LT5547组成。译码器的逻辑功能是将每一个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号，是编码器的反操作。数码管可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动，所以使用译码器将BCD编码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD编码表示的数值。
(5)音响提示电路
由两部分组成，喇叭B1组成提示开始抢答提示电路；KD型“叮咚”音乐集成电路，喇叭B2，极性电容C2，电阻R9组成抢答提示电路。
(6)电复位清零电路
由二极管VD9,电阻R11,极性电容C1组成。555定时器的定时时间到，电路失电，电复位清零电路将锁存器清零复位，锁存器输出为低电平。

三、电路中所使用的元件
编 号 名 称 数 量 编 号 名 称 数 量
S0~S8 复 位 开 关 9 LT5547 数码显示管 1
R1~R8 下 拉 电 阻 8 VD1~VD9 二极管 9
R9~R14 电 阻 6 C1,C2 极性电容 2
R15,R16 分 压 电 阻 2 C3,C4 非极性电容 2
IC1 74LS2733 锁存编码器 1 VD 单向可控硅 1
IC2 CH233 数显译码器 1 V 二极管 1
IC3 KD 音乐集成电路 1 T1,T2 三极管 2
555 定时器 1 B1,B2 喇叭 2
KT 时间继电器 1
附图1 八路抢答器所选材料清单

电路原理总图
开关S0为主持人发出抢答命令时用的自复位常开式按钮开关。按下S0后，开始抢答提示喇叭B1响，可以开始抢答。这时由以555定时器为核心的定时电路开始开作。三极管T1导通， 555定时器触发计时。时间继电器线圈KT得电，延时（设定为1秒）后，常开触头闭合，电路自锁。这时主持人松开S0,喇叭B1不再响。
如果1号抢答成功，此时锁存器输出端Q1变为高电平，同时VD1～VD8组成的或门输出高电平，给晶闸管控制端一个脉冲，晶闸答VD导通，锁存器处于锁存状态，所以输出端的数据保持不变，输出端Q1一直是高电平，经译码器各脚（a–g）输出高、低电平，由数码管显示出“1”，与此同时由可控硅导通时产生的触发信号送到提示电路触发音乐集成电路工作，使扬声器B2发出提示音响，为了区别开始抢答提示音，使用“叮咚”型的音乐集成芯片。此后无论谁再按钮，都不能使锁存器的数据发生变化，音响提示电路也不会产生音响。
当抢答计时到时，无论有人抢答过还是无人抢答，都将使三极管T2无触发高电平，时间继电器KT线圈失电，闭合的常开触头断开，电路失电，再抢答也无效，即具有规定时间抢答有效的功能。经VD9、R11、C1复位清零，锁存器输出为低电平，不再锁存。
到下一题时，再由主持人按下开始抢答按钮S0，由B发出抢答提示音。

附图2 八路抢答器原理图

五、设计心得
在设计之前，参考了许多相关的资料，从网络上下载了原理图。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。
但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了8线-8线的74LS273，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接和74LS273相连，数码显示管需要由TTL或CMOS集成电路驱动，所以在TTL还是CMOS集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了专用频道数显译码器CH233，用它将74LS273输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在定时电路中，555定时器的类型也很多，根据设计需要选择了555定时器低电平触发。
在一些设计原理上也遇到了许多新问题。刚开始设计时，电路中并未采用单向可控硅VD，认为电信号给三极管直接触发音乐集成电路IC3就行了，后来才发现当电源接通后，无论有无人按按钮都会使音乐集成电路通电发出声响，所以就加上了单向可控硅，由它来触发音乐集成电路。在做在规定时间内抢答有效时，经同学指证，发现三极管T1、T2的额定电压小，所以串接电阻R16，R15分压后导通。而时间继电器的KT的使用是在发现开始抢答提示喇叭B1会一直响不停时，决定采用短去B1的方法，但何时短去，为避免手动采用了1S延时的时间继电器，由它的常开触点所在支路来短去B1，实现短时提示。
通过这次八路抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。

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