4人抢答器电路设计解析

电工学实验A （下）实验报告
4 人竞赛抢答器的设计
学院名称：材料科学与工程
班级：10 级4 班
姓名：XXX
学号：1810004XX
成绩：
2013 年1 月12 日
目录
第一篇实验设计任务介绍 (3)
1.1设计题目 (3)
1.2实验目的 (3)
1.3实验内容 (3)
1.4实验要求 (4)
第二篇设计背景 (5)
第三篇设计原理 (5)
3.1抢答器的主要功能简介 (5)
3.2抢答器工作原理 (7)
32174LS175 原理介绍 (7)
32274LS00 原理介绍 (9)
323.555原理介绍 (11)
第四篇设计电路图介绍 (13)
4.1电路设计图 (13)
4.2.元件清单 (14)
第五篇心得体会 (14)
第一篇实验设计任务介绍
1.1设计题目
数控增益放大器的设计
1.2实验目的
1、掌握面包板搭接电路技术；
2、学习调试系统电路，提高实验技能；
3、了解竞赛抢答器的工作原理及其结构。

1.3实验内容
1、设计任务：
设计制作一个可容纳四组参赛的数字式抢答器。

2、设计要求：
（1）每组设置一个抢答按钮，供抢答者使用；
（2）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能；
（3）在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若有参赛者按抢答开关，则提醒主持人（音频提示或信号灯亮），同时显示出抢答者的组别；
（4）同时电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用；
（5）要求电路主要选用中规模 TTL或CMO S集成电路。

3、设计要点 :
（ 1 ）抢答控制器：竞赛抢答器的核心，当任意一位参赛者按下开关时，抢答控制器立刻接受该信号，则提醒主持人（音频提示或信号灯亮），同时显示出抢答者的组别。

与此同时，封锁其他参赛者的输入信号，这就要求抢答器的分辨能力高（CP 为1MHZ）同时要求电路有4组输入和输出，电路可考虑用4个D触发器（74LS175）和与非门组成（74LS00和74LS20 ；
（2）抢答控制输入电路：有 4个开关组成， 4人各控制一个，按下开关使相应控制端信号为高电平或低电平；
（ 3）清零装置：供每次比赛前主持人使用，它保证每次抢答前使抢答器清零，避免电路误动作和抢答过程中的不公平。

采用由主持人控制开关，同时使每人的抢答电路同时清零的方式；
（4）抢答显示、提示电路：
抢答器显示电路可由数码管实现（ 4组共用），显示字形代表抢答组号（含编码---与非门，如 74LSO0 译码---74LS48、显示----CD4511）；
提示电路为 4组共用，只要有抢答者出现，都会发出提示（扬声器 ---555 电路或LED---三极管驱动）
1.4实验要求
1 ）画出电路原理图，并弄懂各部分的工作原理及作用；
2）按原理图接线，并认真检查电路；
3）按要求调试电路，实现各部分电路功能；
4）列出元件清单，给出芯片管脚；
5）分析调试中发现的问题及故障排除方法。

第二篇设计背景
随着我国经济和文化事业的发展，在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛、评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。

在很多竞争场要求有快速公正的竞争裁决，例如，证券、股票交易及各种智力竞赛等。

在现代社会生活中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众极大的兴趣。

但是、在竞赛
中往往是多个选手一起，分为几个小组参加比赛，针对主持人提出的问题各竞赛小组进行抢答，而抢答环节就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员功能、实现其比赛公平、公正的规则。

智能抢答器是一种应用十分广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它都能客观、迅速地判别出最先获得发言权的选手。

早期的抢答器只是由几个三极管、
可控叭发光管等器件组成的能通过发光管的指小辩认出选手号保现在大多数智能抢答器都由单片机或数字集成电路构成的，并且新增了许多功能，如选手号码显示，抢按前或抢按后的计时，选手得分显示等功能。

随着科技的发展，现在的抢答器向着数字化、智能化的方向发展，这就必然提高了智能抢答器的制造成本。

鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器肯定很有市场。

第三篇设计原理
3.1抢答器的主要功能简介
1、当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁
来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上；
2、此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显
示;
3、然后选手开始作答，作答的时间少于 2分钟，以倒数的方式进行，而且通过显示屏把时间显示出来。

；
4、用人妆下卄关所亡的显小艮「4狀釘忖啣妬状态以便进行卜放答题。

3.2抢答器工作原理
当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时， 并通过 译码器在显示器中显示。

报警电路给出声音提示。

当选手首先按某一开关键时， 可通过触发锁存电路被触发并锁存， 在输出端产生相应的开关电平信息， 同时为 防止其它开关随后触发而产生紊乱。

最先产生的输出电平变化又反过来将触发电 路锁定。

然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状 态。

最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。

若有多个开关同时按下时，
则
在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

如图3.1 :
枕脉冲产 生电賂 图3.1系统框图
3.2.1 74LS175 原理介绍
（1）74LS175的功能表内部结构及管脚图
HI
显示电殆
燉发髀 ―* 嶽存电舒
SYMBOL
Vcc = PIN 16 GND - PIN R
LOGIC DIAGRAM
回冋<D O O | Cz>
氏Qj 石仝口仝0口月厲>口°
曾QC =円阳
（JHIJ .= FIN B
O ■-PIN HUMBERS
图3.2 （ 1） 74SL175内部结构和管脚图
其中RD复位（清0端）接地，D1, D2, D3, D4分别是输入端，Q1,Q2,Q3,Q4.
分别位输出端。

CP是脉冲输入端。

74LS1T5的功能表
图3.2（ 2）74LS175的功能表L代表低电平，H代表高电平
（2）74LS175在抢答器中应用
图3.2（3）所示为四人参加智力竞赛的抢答部分参考电路，电路中的主要器件是
74LS175型四上升沿D触发器（如图2所示），它的清零端R D和时钟脉冲 CP是四个D触
发器共用的。

抢答前先清零，Q1~Q4匀为0,相应的发光二极管LED 都不亮；Q 1~Q4均为 1,与非门G1输出为0。

同时，G2输出为1,将G3开通，时钟脉冲CP 可以经过 G3进入D 触发器的CP 端。

此时，由于S1~S4均未按下，D1~D4均为0,所以触 发器的状态不变。

抢答开始，若 S1首先按下，D1和Q1均变为1,相应的发光二 极管亮；Q1变为0, G1的输出为1, G2输出为0,将G3关断，时钟脉冲CP 便不 能经过G3进入D 触发器，由于没有时钟脉冲，因此再接着按其他按钮，就不起 作用了，触发器的状态不会改变。

抢答判决完毕，清零，准备下次抢答用。

-nnni
c 尸
图 3.2 （ 3）
3.2.2 74LS00 原理介绍
74LS00的逻辑引脚图与功能表如下:
MQ
74LS175
LED
匕 300 Q
才
6
<4*1
p ............................................................. |» p
<1 ・■VI Al tz ¥J G«0
图3.3 74LS00的逻辑引脚图
1.1A— 4A
2.1B— 4B输入端
3.1Y— 4Y输出端
4.GND接地端
5.VCC接电源端
表1 74LS00O输入、输出关系
输入输出
A B Y
0 1 1
1 1 0
1 0 1
0 0 1
74LS00是两输入四与非门集成电路。

当输入端中有一个或一个以上输入低电平时，输出端为高电平；当输入全部为高电平时，输入为低电平。

显然、与非门是“与”逻辑的非运
算，即“有 0出1,全1出0”
74LS00在本设计中充分发挥与非门的作用，将上一级的输入信号传入到一级，真正运用与非门“有0出1,全1出0”，为本设计提供方便。

323.555原理介绍
图3.4 555 的逻辑引脚图
R D 555的逻辑引脚图与其内部结构图如下:
1-
14
图3.5 555内部结构示意图
555定时器是一咱模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

555定时器成 本低、性能可靠，只需外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触 发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪 表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器电路主要由分压器、比较器、RS 触发器、M0黃关管和输出缓冲 器等几个部分组成。

555定时器工作原理：
定时器工作状态取决于电压比较器 C1、C2,它们的输出控制着RS 触发器和 放电管T 的状态，当高触发器TH 的电压高于2VDD/3这个上门限电平的阀值电压 时，上比较器C1输出为高电平，使RS 触发器置“ 0”即Q=Q "Q =1，放电 管T 导通；当低触发端TR 的电压低于VDD/3这个下门限电平的阀值电压时， 下比较器C2输出为高电平，使RS 触发器置“ 1”即Q=1, -Q =0，放电管T 截止。

若TH 端电压高于2VDD/3或 TR 端电压低于VDD/3时，两个比较器C1和 C2的输出均为“ 0”放电管T 和定时器输出端将保持原状态不变。

1. Vss —接公共端或低电位端
2. TR —低触发输入端
5
I 绻
岛）；6 比一- （TR ） |
5kQ
G?
4
8 5kQ
C2
+
3.OU—输出端
4.R —直接清零端
5.CO-电压控制端，通过其输入不同的电压值改变比较器的基准电压。

不用时，要经0.01uF的电容器接地。

6.TH-高触发输入端
7.D—放电端。

外接电容器，当 T导通时，电容器由D经T放电
8.VDD-正电源端
综上所述：由555构成的多谐振荡电路，其输出信号经三极管推动扬声器。

该电路实际上是把555定时器组成双稳态触发器并接 RC积分电路而构成的，其输出脉冲信号频率为f=1.4X 1/ ( R+12R2 C
Key
J J1
R9
1k Q
J5
Key = 4.1电路设计图
Key = A
A Key = A
K :ey = A
J3 J4
c J2 I 1
U15
R1 1k Q MHz
R3
1k Q
R4
1k Q
第四篇设计电路图介绍
VCC
5V
15
- 1
1
9
1
1/i
1
5
4
,1D VCC
2D
，3D 1Q
,4D ~1Q
2Q
~CLR ~2Q
、3Q ~3Q
4Q
,GND ~4Q
16
A
12
13
2
U2A
7400N
7
1
2
6
II II
U10A
7400N
U7A
7420N
U9A
7420N
U3B
7400N
U14
Hz
OA
OB
OC
OD
OE
~LT OF
~RBI OG
~BI/RB
U4
7448N
13
12
10
9
15
14
U13
R5
「
1k Q
A QA
B QB
C QC
D QD
~LOAD ~BO
CLR ~CO
> UP
、DOWN
U6
74192N
3
2
6
7
「U8B
7420N
■6
P U
____ I U11A
400N
~LT ~RBI
~BI/RBO
A1
U16
ONALERT
U5
7448N
U
OA
OB
OC
OD
OE
OF
OG
C1
.1 F
R —1
■10k Q D
555 VI
S
R W Z
U12
4.2.元件清单
第五篇心得体会
本次实验基本上实现了。

不过由于最近期末考试，这次实验设计时间有点匆忙，虽然大部分的功能都实现了，但是对于电路的电路的改进没有做深入的探讨。

从这次实验过和中，我认识到实验更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了设计电路的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但通过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。

同时，在设计实验过程中，也应用了 Multisim12软件进行了全真模拟，让我也学了一个新的软件，这也是很重要的。

这次课程设计收获不少，但是如果时间能够再充分一点，我
相信自己能够做得更好。