8路抢答器设计(含完整图)

数字电路课程设计报告
8路数字抢答器
1.概述
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。

另外设置系统清除开关一个，该开关由主持人控制。

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，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。

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零为止。

当主持人按下清除键后，参赛选手可以进行抢答，同时倒计时电路开始倒计时，抢答有效时，红灯亮，倒计时停止，显示器上显示选手的编号，并保持到主持人将系统清零为止。

2、8路数字抢答器各主要芯片介绍
2.1、74LS148
74LS148是一个8线—3线优先编码器。

74LS148外部管脚图、真值表如图所示：
图一 74ls148 真值表
由表不难看出，在0=S 电路正常工作状态下，允许70~I I 当中同时有几个输入端同时为低电平，即有编码输入信号。

7I 的优先权最高，0I 的优先权最低。

当07=I 时，无论其它输入端有无输入信号（表中以x 表示），输出端只给出7I 的编码，即000012=Y Y Y ，当
74LS148的功能表
输 入
输 出
S
0I 1I 2I 3I 4I 5I 6I 7I
2Y 1Y 0Y S Y EX Y
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x x x x x x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x 0 x x x x x x 0 1 x x x x x 0 1 1 x x x x 0 1 1 1 x x x 0 1 1 1 1 x x 0 1 1 1 1 1 x 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0
U CC Y EX Y S I 3 I 2 I 1 I 0 Y 0
I 4
I 5
I 6
I
7
S Y 2
Y 1
GND 图２ 74LS148管脚图
16 9 74LS148 1 8
0167==I I 、时，无论其它输入端有无输入信号，只对6I 编码，即输出为001012=Y Y Y 。

其余可以依次类推。

2.2、555定时器
555定时器有两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R 组成的分压器上，比较器的输出接到RS 触发器上。

此外还有输出级和放电管，输出级的驱动电流可达200mA 。

电路图如图３所示。

图３ 555定时器
比较器C1和C2的参考电压分别为UR1和UR2，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS 触发器的输出状态。

当复位端为低电平时，RS 触发器被强制复位。

若无需复位操作，复位端应接高电平。

由于三个电阻等值，所以当没有控制电压输入时，当控制电压外接时，如外接
,则
C A U U 2
1
= ;C B U U =
为防止干扰，控制电压端悬空时，应接一滤波电容到地。

555定时器的逻辑功能如表所示。

表一 555定时器的功能表
2.3、74LS48
74LS48是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换和消隐控制、七段译码及驱动功能的TTL电路,能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

图４74LS48 封装图
其功能如下：RBI：4脚是消隐输入控制端，当RBI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：3脚是测试输入端，当RBI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

BI/RBO：波纹隐藏式输出。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

逻辑功能见表：
表二 74LS48 真值表
8421 BCD 码对应的显示见下图：
选用共阴极数码管，对于 74LS48，它与数码管的基本连接方式如下图：
图５ ＬＥＤ数码管显示电路
2.4、74LS74
74LS74集成电路为双D 触发器，其管脚图如右图所示。

其中D 为触发器的输入端，Q 、
Q －
为两个输出端，S －
D 为预置端，R －
D 为清除端，CP 为时钟输入端。

真值表为：
输入
输出
S R
CP D Q Q
0 1 ⅹ ⅹ 1 0 1 0 ⅹ ⅹ 0
1
0 0 ⅹ ⅹ 不定
1 1 ↑ 1 1 0 1 1 ↑ 0 0 1
1
1
ⅹ
ⅹ
Q Q 表三 74LS74 功能表
封装图为：
图6 D 触发器封装电路
2.5、74LS192
74LS192是双时钟4位十进制加/减同步计数器。

其封装图及功能表如下图：
图7 74LS192封装图及管脚排列图
表四74LS192功能表
其中：TC U是加计数进位输出端，当加计数到最大数值时，TC U发出一个低电平信号（平时为高电平）；TC D为见计数借位输出端，当减计数到0时，TC D发出一个低电平信号（平时为高电平），TC U 和TC D 负脉冲宽度等于时钟低电平宽度。

2.6、74LS00
74LS00是通用数字电路：四2输入与非门。

其管脚图如下图所示：
图8 ７４ＬＳ００管脚排列图
2.7、74LS08
74LS08是通用数字电路：四2输入与门。

其管脚图如下图所示：
图9 74LS08管脚排列图
3、8路数字抢答器实现原理与电路
3.1、数字抢答器总体方框图
如图1所示为总体方框图。

其工作原理为：接通电源后，主持人按下清零状态开关，同时宣布"开始"，编号显示器显示“空值”，开始倒计时，抢答器工作。

选手开始抢答，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，禁止二次抢答。

如果再次抢答必须由主持人再次操作清零状态开关。

3.2、电路原理图：
图11 系统原理图
4．单元电路设计
4.1抢答器电路设计
抢答电路的功能有两个：一是分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。

选用优先编码器74LS148和D触发器可以完成上述功能，其电路组成如图12所示。

图12 抢答电路
工作原理是：当主持人控制开关按下时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。

于是74LS148的BI/RBO=0,显示器灭灯：74LS148的选通输入端EI=0,74LS148处于工作状态。

当主持人开关松开后优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7 ~ I0输入信号，当有选手将按钮按下时（按下S5）,74LS148的输出Y2Y1Y0 =010, Y GS =0,经RS锁存器后，CTR=1，BI/RBO=1，74LS74处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后，显示器上显示出“5”。

此外，CTR=1, 使74LS148的EI为高电平，74LS 148处于禁止工作状态，封锁其他按钮的输入。

当选手按下的按钮松开后，74LS148上的Y GS为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按钮的输入信号不会被接收。

这就保证了抢答者的优先
性以及抢答电路的准确性。

当优先抢答者回答完为题后，主持人只需再次按下清除按钮，便可以进行下轮抢答。

4.2 定时电路设计
节目主持人跟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，选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。

具体电路如图13所示：
图13 定时电路
4.3 报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如图14所示。

其中，555构成多谐振荡器，振荡频率为：
f o =
121(2)ln 2R R C +≈
121.43
(2)R R C
+ 其输出信号经三极管推动扬声器。

RST 为控制信号，当RST 为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。

图14 报警电路
4.4 时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，他要完成以下三项功能。

（1）主持人按下控制开关后，扬声器发声，抢答器和定时电路进入正常工作抢答状态。

（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发生，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，扬声器发生，同时抢答电路和定时电路停止工作。

根据上面功能要求以及图12和图13，设计的时序控制电路如图15所示。

图中，门G 1,G 2的作用是控制时钟信号CP 的放行与禁止，门G 3的作用是控制74LS148的输入使能端EI 。

图15（a ）所示电路的工作原理是：主持人控制开关按下时，来自于图12所示的74LS74的输出CTR=0，经G 4 反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP 能加到74LS192的CP D 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，来自于图13所示的借位输出端D TC =1,门G 3的输出EI =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按钮时，CTR=1经G 4反相A=0，封锁CP 信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G 3的输出EI =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现
TC=0，EI=1，74LS148处于禁止功能（2）的要求。

到定时时间到时，来自74LS192的D
工作状态，禁止选手进行抢答，同时G1处于关门状态，封锁CP信号，是定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。

图15（b）所示电路用于控制报警电路。

（a）（b）
图15 时序控制电路
（a）抢答与定时电路的时序控制电路（b）报警电路的时序控制电路
5. 电路调试
5.1调试步骤
（1）、电路性能检测；
①在PCB板上焊接电路元件前，先仔细检查一下PCB板是否有短路或断路的情况，并加以修正。

②元件焊接完成后，再仔细检查一下焊盘是否有漏焊的地方，电路板是否有短路的情况。

（2）、上电，检测电路各级直流状态，排除故障后，并记录特殊节点的电位数值；
①接+5V电源，检测各级电路直流状态：
U1:
GND TRIG OUT RST CVOLT THR DISC VCC
L 609Hz H
BI/RBO RBI LT A0 A1 A2 A3 GND a b c d e f g VCC
H H H H H H L L H H H L L L L H
U3:
CLR(A) D(A) CLK(A) PR(A) Q(A) Q(A)GND CLR(B) D(B) CLK(B) PR(B) Q(B) Q(B)VCC H L L H H L L H L L H H L H
U4:
CLR(A) D(A) CLK(A) PR(A) Q(A) Q(A)GND CLR(B) D(B) CLK(B) PR(B) Q(B) Q(B)VCC
H L L H H L L H L L H H L H
U5:
I0I1I2I3I4I5I6I7GND EO GS A0A1A2EI VCC
H H H H H H H H L H H H H H H H
U6:
BI/RBO RBI LT A0 A1 A2 A3 GND a b c d e f g VCC
H H H H H L L L H H H H H L L H
U7:
BI/RBO RBI LT A0 A1 A2 A3 GND a b c d e f g VCC
H H H H L L L L L H H L L L L H
LD RST UP DWN P0 P1 P2 P3 GND Q0 Q1 Q2 Q3 TCU TCD VCC H L H H H H L L L H H L L H H H U9:
LD RST UP DWN P0 P1 P2 P3 GND Q0 Q1 Q2 Q3 TCU TCD VCC H L H H L L L L L H L L L H H H U10:
GND TRIG OUT RST CVOLT THR DISC VCC
L 1Hz H
U11:
1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y VCC H H H L H L L L 1Hz L H
U12:
A1 B1 Y1 A2 B2 Y2 GND A3 B3 Y3 A4 B4 Y4 VCC
H H L H H H L H L H H
②特殊节点检测：
在电路图中观测以下特殊节点的电平变化情况：
节点GS(U8) CLR EI(U8) RST(U1) DWN(U9)
按S8前H H H L L
按下S8 L L L H H
S8松开后L L L L H 规定时间内按下抢答键H H H L L 倒计时结束H H H H L （3）、交流状态观测
①本系统激励状态观测，排除故障，并记录数据电平波形。

②若上步骤无法实现时，采用代替法（外激励法），割裂系统电路，逐级单元电路调试，剔出故障；排除故障后恢复电路系统，再测试并记录数据或电平波形。

电路接+5V电压，观测U1,U10的3（OUT）输出电平波形：
U1的输出波形如下图：
U10的输出波形如下图：
在设计过程中发现的问题和所做的改进:
在完成电路的焊接，进入调试阶段时，抢答器显示电路出现了不稳定的问题。

主要表现在数码管部分笔画不能显示。

开始我以为是芯片或数码管出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。

我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。

我对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了正常。

6、组装与调试
6.1 使用的主要仪器、仪表
①5V直流稳压电源；
②万用表；
6.2 电路调试
6.2.1 静态调试
使用万能表测试引脚连接情况，注意有没有错误连线，引脚之间有没有误连。

6.2.2 动态调试
接上5V直流电源，将系统清除按键按下。

74LS192的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。

1Q为0，使74LS148的使能端EN=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端BI=0，数码管无显示。

这时抢答器处于准备抢
答状态。

当将系统清除按键放开时，抢答器处于等待状态。

当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，
亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出GS为0，使1Q=1，即BI=1，
74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。

同时1Q=1，使74LS148的EN=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。

此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使EN=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。

7、总结
本设计详细介绍了抢答器的设计方案，功能及在设计过程中所做的改进。

这种抢答器主要是基于74系列集成芯片，成本较低，且基本能够使用于学校的一些活动中。

改进设想及建议：
（1）我们设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。

有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。

我们的想法是根据单片机原理及相关知识对我们的设计进行一些改进。

（2）选手号码的显示问题：在设计过程中，我发现按下抢答按钮后，我希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我一般的思维，而按照我一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表（见表3）后，发现解决此问题只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。

由表3可以看出，将7448的A3端置1，其他位置0。

我们通过观察表3看出，只有在字形（见表3）为0时，A2、A1、A0=1，其他均为0。

于是我们就将A2、A1、A0 三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。

（3）增加定时电路、报警电路等。

8、后感
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。

第一，接到任务以后进行选题。

选题是课程设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。

好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。

否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。

因此，选题时一定要考虑好了。

第二，题目确定后就是找资料了。

查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。

总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。

第四，有了研究方向，就应该动手实现了。

其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。

通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。

在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的
学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过
程中的探索的艰难和成功的喜悦。

虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的
东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献：
【1】阎石. 数字电子电路. 北京：高等教育出版社. 2007
【2】康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2000 【3】任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社.1992
附录
实验的电路板A面
实验的电路板B面
运用multisim 仿真实际电路：
U1
74LS48N
A
7
B 1
C 2
D 6OA 13OD 10O
E 9O
F 15OC 11OB 12O
G 14~LT
3~RBI 5~BI/RBO
4GND 8VCC
16
U2
74LS48N
A
7
B 1
C 2
D 6OA 13OD 10O
E 9O
F 15OC 11OB 12O
G 14~LT
3~RBI 5~BI/RBO
4GND 8VCC
16
U3
74LS192N
A
15
B 1
C 10
D 9UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN 4~LOAD
11~BO 13~CO 12CLR 14GND 8VCC
16
U4
74LS192N
A
15
B 1
C 10
D 9UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN 4~LOAD
11~BO 13~CO 12CLR 14GND 8VCC
16
U7
LM555CM
G N D
1
D I S
7
O U T
3
R S T
4
V C C
8
T H R
6
C O N
5
T R I
2
U11
74LS48N A
7
B 1
C 2
D 6OA 13OD 10O
E 9
OF 15OC 11OB 12OG 14~LT
3~RBI 5~BI/RBO
4GND 8VCC
16
U14
74LS148N
A09A17A26GS 14D313D41D52D212D111D010D74D63EI 5EO
15
GND
8
VCC 16U15B 74LS08N
U15C 74LS08N
R3100kΩ
R220kΩ
C110uF
C2100nF
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC 5V
VCC
5V VCC
5V
VCC
5V
U8A
74LS00N
U8B 74LS00N
U8C 74LS00N
U9A
74LS74N 1D 21Q
5~1Q
6
~1CLR
11CLK
3
~1PR 4
U9B
74LS74N 1D 2
1Q
5~1Q
6
~1CLR
11CLK
3
~1PR 4
U16A
74LS74N 1D 2
1Q
5~1Q
6
~1CLR
11CLK
3
~1PR 4
U16B
74LS74N 1D 2
1Q
5~1Q
6
~1CLR
11CLK
3
~1PR 4
R410kΩ
R5
10kΩR610kΩ
R710kΩR810kΩ
R910kΩR1010kΩR1110kΩ
J1
Key = A J2Key = A J3Key = A
J4Key = A J5Key = A J6Key = A J7Key = A J8Key = A
R1210kΩ
J9Key = A
R13412Ω
LED2
U5
A B C D E F G
C K
U6A B C D E F G
C K
U10
A B C D E F G
C K
XSC1
Tektronix
1234
T
G
P R1412Ω
LED1
R15
100 Ω
R P A C K 7
R16
100 Ω
R P A C K 7
R17
100 Ω
R P A C K 7
U12A 74LS08D
U13
LM555CM
G N D
1
D I S
7
O U T
3
R S T
4
V C C
8
T H R
6
C O N
5
T R I
2
R141kΩ
R1820kΩ
C347nF
C4100nF
U17
BUZZER 200 Hz 0
127
129
128
125
124
123122121120119118117
116115114113112111110
109108107106105104103
10210110099989796
95949392919089
8887868584830
VCC
67
82
4872
818079
7877
76757473
71
7066
VCC
VCC
VCC
69
VCC
VCC
68
64
63
62
61
6059
58
57
VCC
56
55
54
53
52
51
50
49
47
XSC2
Tektronix
1234
T
G
P 131
VCC
1
126
65
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