数字电子电路课程设计-74系列数字抢答器

数字抢答器
一、摘要：数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在数码管上显示，抢答器电路和主持人复位键组成主体电路。

通过定时电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能和计分电路，共同构成扩展电路。

利用面包板经过排版、布线、调试等工作后数字抢答器成形。

关键字：抢答器倒计时电路计分器
二、设计要求
1、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。

2、主持人将开关置于“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。

3、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。

4、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。

5、设计一个计分器，实现选手得分，由主持人控制加减，设置清除功能。

三、功能介绍
1、基本功能
(1)设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参赛，他们的选号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号对应分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7.
(2)给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。

（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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持主持人将系统清零为止。

2、扩展功能
（4）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。

当节目支持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响。

（5）参加选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（6）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。

（7）本次设计还设计了一选手计分器，由主持人控制。

四、设计思路
本设计包括：抢答器电路、倒计时电路、计分器、秒脉冲电路。

设计框图如图1所示：
图1 数字抢答器设计框图
1、抢答器电路
该数字抢答器电路实现了用显示译码电路将抢答队号显示在数码管上，选用74LS48作为显示译码器，选用LED数码管作为显示单元电路。

一个74LS48和一个LED数码管连接成一个74LS48驱动电路，数码管可从0---9显示，以次来检查数码管的好坏。

74LS48是一个用
于驱动共阴极 LED数码管显示器的七段译码器。

1、2、6、7为8421BCD码输入端。

9-15脚为译码输出端，输出为高电平1有效。

74LS48引脚图如图2所示，功能表如表1所示：
表1 74LS48 七段译码器功能表
抢答器电路完成两个功能：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；优先编码器既在同一时间内，当有多个输入信号请求编码时，只对优先级别高的信号进行编码的逻辑电路，称为优先编码器，本设计选用74LS148优先编码器。

二是禁止其他选手按键操作无效。

工作过程：开关"清除"按下时，使LED数码管不显示，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（S0—S7），经74LS148译码LED数码管显示0-7。

此外，ST’＝１，使数字锁住，处于禁止状态，封锁其他按键的输入，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为优先译码器，功能表如表2所示，引脚图如图3所示，抢答器电路原理图如附录所示：
表2 74LS148真值表
图3 74LS148优先编码器
2、秒脉冲电路
本设计的秒脉冲由NE555多谐振荡器输出的方波提供，根据T=（R1+2R2）CLn2改变R和C的值，就能改变脉冲的周期，可以实现输出周期为1秒的脉冲。

555引脚图如图4所示，秒脉冲电路如图5所示：
图4 555引脚图图5 秒脉冲电路
3、倒计时控制电路
由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答时间可为0-99秒，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。

74LS192是同步可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。

D0-D3为并行数据输入端，Q0-Q3为数据输出端，CU是加法计数脉冲输入端，CD为减法计数脉冲输入端，LD~为置数控制端，C~为进位输出端（低电平有效）B~为借位输出端（低电平有效）。

74LS192计数器功能表如表3所示，引脚图如图6所示，倒计时电路原理图如附录所示：
4、计分器
本设计还设计了扩展电路计分器电路，同样采用74LS192计数器计数，设计由主持人手动控制，提供脉冲使得计分器加减，由74LS48驱动显示器显示分数。

设计三个主持人控制键，S1控制减分数，S3控制加分数，S2为复位键。

计分器电路如图7所示：
图7 计分器原理图
五、电路调试与故障排除
1、电路安装
在组装过程中我们遇到了很多的问题，首先是对软件不熟悉，这是我第一次接触multisim软件，感觉它比Protel更灵活易用，熟练以后十分顺手。

其次由于面包板的问题，电源正负极没有接好，使整个电路无法工作。

第三是整体电路的布局问题，由于整个面包板面积有限，而本次设计所用的芯片比较多，占用的面积比较大，而且芯片所接的线比较多，必
须考虑怎样放置芯片才能使版面整体看上去比较有空间布线，然后芯片的管脚也必须注意，不能接错了管脚，在插拔芯片的时候尤其要注意不能把管脚给弄坏了。

2、电路调试
调试时主要用到的仪表是直流稳压电源和万用表，开始时由于有个电容的正负极的管脚长短正好被接反了，所以装的时候，震荡电路不起振，调换之后就好了。

为了增加报警功能，把蜂鸣器接优先编码器EI脚以后就能正常报警。

3、故障排除
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.
六、电路改进
1、在数字抢答器中，将序号为0的组号，在七段显示器上改为显示8。

在四个输入端接一个4输入或非门，改进电路如图8所示：
图8 显示1-8 抢答器
2、其它改进及扩展：（1）可在计时器和计分器的74LS192置位端分别接拨码开关，用以实现根据不同的情况设置不同的倒计时时间和分数。

（2）可以为定时抢答器设计一个报警电路，用以克服蜂鸣器声音小的缺点。

（3）可以给每个选手的设计一个答题器，答题器设有若干个按钮（如4个，A、B、C、D）来作为答题选手的答题键，设计显示器将每个选手的选择答案显示在主持人界面上。

七、元器件清单
1、抢答器电路：面包板、LED七段数码管、74LS48、74LS148、74LS279、按键开关9个、10KΩ电阻9个、1KΩ电阻1个、发光二极管、蜂鸣器1个；
2、倒计时电路：LED七段数码管、74LS48、74LS192、74LS00、74LS04、74LS11、NE555、1KΩ、82KΩ、33KΩ电阻各1个、102、10u电容各1个、发光二极管；
3、计分器电路：LED七段数码管、74LS48、74LS192、按键开关3个、10KΩ电阻3个；
八、心得体会
这样的课程设计真的很有意义，自己真真切切的动手设计制作产品，感觉自己学会了很多，成长了很多，让我找回了往日奋斗的激情，这样的机会在大学很少，我会深深的记住这次，记住这次饱含我汗水的数电课程设计。

这次也发现了自身很多的不足，许多的基本电路
都不是很熟悉，在画原理图的时候就不停的找以前的教材，以后还得多看看教材，牢记一些基本的电路。

最后在这里忠心的感谢老师安排了这次数电课程设计，感谢指导老师的辛勤付出。

九、参考文献
[1] 数字电子技术基础、阎石、清华大学电子学教研组、高等教育出版社、2008.1
[2] Protel DXP 2004 SP2原理图与PCB设计、刘刚、电子工业出版社、2008.9
[3]电子线路设计与实践、吴慎山、电子工业出版社、2005.9
[4]电子技术基础、康华光、高等教育出版社、 2006.1
附录一：数字抢答器电路原理图（multisim）
附录二：数字抢答器电路原理图（protel DXP）
10。