八路抢答器电路的设计-王赫

八路抢答器设计报告
目录
一、设计的目的 (2)
二、设计任务和要求··································2-3
三、设计的方案的选择与论证··························3-5
四、电路设计计算与分析·····························5-19
1、基本功能电路的设计·····························5-17
1.1抢答电路的设计·····························5-11
1.2定时电路的设计····························11-14
1.3报警电路的设计····························14-17
1.4时序控制电路设计 (17)
2、扩展功能电路的设计·····························20-21
2.1六路彩灯循环电路的设计 (20)
2.2计分电路的设计 (21)
五、总结及心得 (22)
六、附录 (23)
七、参考文献 (24)
一、设计目的
（1）掌握抢答器电路的原理。

（2）了解数字集成电路的使用方法。

（3）进行电路原理设计，并学会运用PROTEL等电路设计及仿真软件。

（4）熟悉Multisim的基本使用方法，运用Mulsitim进行电路设计的仿真。

二、设计任务与要求
设计一个智力竞赛抢答器，可同时共8 名选手参加比赛，并具有定时抢答功能。

具体功能要求如下：
1.抢答器的基本功能：
（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8 名选手或8 个代表队参加比赛，他们的选号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。

（2）设置一个节目主持人控制开关，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到主持人将系统清零为止。

(4) 加入报警电路，当主持人选择开始时报警器报警，开始后有选手抢答此时报警电路报警，当设置的倒计时时间走完时报警电路报警。

（5）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）。

当节目主持人启动“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，声响持续时间 0.5 秒左右。

（6）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。

（7）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。

2.抢答器的扩展功能
(1) 实现选手的计分电路。

（2）六路彩灯循环电路。

当主持人控制开关开始时有六路彩灯循环闪烁，当在有效时间内有人抢答时彩灯循环终止。

三、设计的方案的选择与论证
制作抢答器有很多方法，可以用单片机来完成，它的功能强
大制作简单，且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，他的
制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术和数字电路联
合设计来实现，它的原理比较简单，与我们学完的<<数字电路>>
联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要
意义，用了一些成型电路，如用555定时器构成的多谐振荡器来
产生标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。

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。

并包含报警电路，当主持人选择开始时报警器报警，开始后有选手抢答此时报警电路报警，当设置的倒计时时间走完时报警电路报警并禁止选手抢答。

参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效。

如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。

扩展电路完成六路彩灯循环和选手的计分的功能。

图1 抢答器的总体框图
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。

并且在主持人宣布“抢答开始”时六路循环彩灯开始工作，
一直持续到在有效时间内有选手抢答或倒计时时间已到。

当抢答结束时主持人控制计分电路对抢答选手进行计分。

经Multisim 10 软件对该方案进行仿真后得出：该电路实现了8路抢答器所要求的基本功能，并实现了其扩展功能。

论证了该方案的可行性。

四、电路设计计算与分析
1、基本功能电路的设计
1.1抢答电路的设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用且能够显示抢答选手的编号；二是要使其他选手的按键操作无效。

即当有选手抢答时电路自动封锁禁止其他选手进行抢答。

选用优先编码器74LS148和DFF锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图2所示。

其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。

于是74LS48的清零端BI/IBO =0，显示器灭灯；74LS148D的选通输入端EI =0，74LS148D处于工作状态，此时锁存电路不工作。

当主持人开关拨到“开始”位置时，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1、2、3、4、5、6、7、8输入信号，当有选手将键按下时(如按下S8)，74LSl48的输出=000，GS=0输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警。

经RS锁存器后，CTR=l，BI/IBO=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=111，由74LS48的真值表可以看出经74LS48译码后，显示器显示出“7”，但是为了使显示器输出与选手的编号相对应在译码器74LS48之前加入一个加法器74LS238D使其输出加1，此
后经过74LS48译码器译码输出为“8”与选手编号相对应。

此外，CTR=1，使74LSl48D的使能端EI为高电平，74LSl48D处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入，并且此时抢答指示灯工作，直到主持人清零为止。

当按下的键松开后，74LSl48D的使能端EI 为高电平，但由于RS触发器具有记忆功能使CTR维持高电平不变，所以74LSl48D仍处于禁止工作状态，其它按键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问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。

由于选手抢答时触发开关只是一瞬间，时间特别短暂，如果这时出发信号还未起作用信号就已经小时，那么电路就会出现差错。

而RS触发器具有保持功能，可以使信号保持而不消失，所以为了解决这一问题使主电路能够稳定工作，在抢答电路的编码器74LS148D之前加入8个RS触发器，分别对应八个开关即对应8位选手，有RS触发器的特性及真值表可知，将这8个RS触发器的S端口均接为高电平使其无效，将R 端口分别接至8个开关，当选手抢答时RS触发器别出发，即使抢答开关在一瞬间关闭触发信号也会别RS触发器一直保持到主持人清零为止，这样就实现了主电路的稳定性。

如下图所示：
J1
R16
抢答电路电路图
上图表示为有选手抢答时的仿真结果，显示电路显示选手的
号码，同时发光二极管指示灯亮。

封锁信号产生短的仿真波形如下图所示，当有选手抢答时产生向上跳变的信号将74LS148D 封锁，并驱使发光二极管指示灯亮；当进行清零操作是产生下降沿信号：
U1374LS48D A 7
B 1
C 2D
6
OA
13OD 10
OE 9
OF 15
OC 11OB 12OG
14
~LT 3~RBI
5
~BI/RBO
4
U2A
74LS279D
1Q 1
4
1Q 2
7~1S 1
2~1S 2
3
~1R 1
1
~1S 3
6
~1R 2
5
U14
74LS148D
A 09A 17A 2
6
G S 14
D 313D 41D 52D 212D 111D 010D 74D 63
E I
5
E O
15
U15A
74LS00D
LED1
U18A
VCC
5V
XSC1
A
B
Ext T rig ++_
_+
_13
5VCC 6
4
3
7
封锁信号产生电路仿真
74LS148D的管脚图以及功能真值表为：
74LS148的输入端和输出端低电平有效。

0~7是输入信号,A2 ~A0为三位二进制编码输出信号，EI＝1时，编码器禁止编码，当EI＝0时，允许编码。

EO是技能输出端，只有在EI＝0，而0~7均无编码输入信号时为0。

GS为优先编码输出端，在EI＝0而0~7的其中之一有信号时，GS＝0。

0~7各输入端的优先顺序为：7级别最高，0级别最低。

如果7＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按7编码，输入端210＝000。

优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。

74LS279D RS触发器的管脚图与功能真值表：
1、保持状态。

当输入端接入S=R=1的电平时，如果基本SR触发器现态Q=1、Q=0，则触发器次态Q=1、Q=0；若基本SR触发器的现态Q=0、Q=1，则触发器次态Q=0、Q=1。

即S=R=1时，触发器保持原状态不变。

2、置0状态。

当S=1，R=0时，如果基本SR触发器现态为Q=1、Q=0，因R=0，会使Q=1，而Q=1与S=1共同作用使Q端翻转为0；如果基本SR触发器现态为Q=0、Q=1，同理会使Q=0，Q=1。

只要输入信号S=1，R=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。

3、置1状态。

当S=0、R=1时，如果触发器现态为Q=0、Q=1，
因S=0，会使G1输出端次态翻转为1，而Q=1和R=1使G2的输出端Q=0；同理当Q=1、Q=0，也会使触发器的次态输出为Q=1、Q=0；只要S=0、R=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。

4、不定状态。

当S=R=0时，无论触发器的原状态如何，均会使Q=1，Q=1。

当脉冲去掉后，S和R同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1和G2两个门翻转速度快慢，所以称S=R=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。

74LS48译码器的管脚图与真值表：
74LS48译码驱动器输出是高电平有效，配接的数码管须采用共阴极接法。

使用时，公阴极接地，7个阳极a~g由相应的BCD七段译码器来驱动。

1.2 定时电路的设计
原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路（多谐振荡器）、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、2个数码管等相关电路组成。

具体电路如图3所示。

由于4管脚数码显示管DCD_HEX本身含有译码电路，所以在定时电路中直接使用4管脚显示管省去了74LS48译码器，使电路简化。

两块74LS192实现减法计数，输出接到数码显示管显示时间。

其时钟信号由时钟产生电路提供。

74LS192D的预置数控制端实现预置数，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，如果要设置为30S，就可以在计数器的预置数控制端输入00110000。

时钟脉冲由秒脉冲电路提供。

按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

具体电路如下图所示。

定时电路电路图
秒脉冲产生电路：秒脉冲由NE555提供，它的的3端输出的脉冲的频率为fo＝ 1.43／［（RI＋2R2）C］，结合我们的实际经验，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。

其仿真结果为:
秒脉冲电路波形图
下图所示为定时电路走到00是刻的借位端B0的输出信号仿真波形，该结果说明当定时器走到00时产生低电平信号来驱动报警电路报警，同时产生封锁信号将74LS148D 封锁，禁止选手抢答。

A 15
B 1
C 10D
9
U P 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7
D O W N
4
~L O A D 11~B O 13~C O
12C L R
14
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
U1
DCD_HEX
19
18
VCC
1716
1514
1.3报警电路的设计
由555定时器和三极管构成报警电路。

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。

控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。

其电路图如下图所示：
报警电路电路图
为了实现电路所要求的报警功能需要在报警电路之前加入时序电路来实现对报警电路的有效控制该时序电路为74LS121电路，如上图所示。

有74LS121电路的功能真值表可以看出，如果要求主持人选择“开始”时电路实现报警，那么B输入端需为高电平于此同时A1、A2输入端必须有一个为低电平。

由此可知，可以加入单稳
态电路，在清零时信号变为低电平并且在“开始”时该信号并不立刻回到高电平，而是经过短暂时间延时后自动回到高电平，延时时间的长短可以根据实际情况来调整电路中的R 、C 的大小来调整。

如果在延时的这段时间“开始”那么就可以实现“开始”时电路报警的功能。

下图为单稳态电路的仿真电路：
U17
LMC555CM
GND
1
DIS 7
OUT
3
RST 4
VCC
8THR 6CON
5TRI 2
VCC
5V
R18
500ΩC7
10uF
C8
10nF
21
20
VCC
XSC1
A
B
Ext T rig
+
+
_
_
+
_
VCC 5V
J1
Key = Space 0
VCC
2U1A 74LS04D
1
3
单稳态电路电路图及仿真图
下图为在时序电路被触发后，由555定时器构成的多谐振荡器经二极管放大，再经过R、C积分电路后产生的脉冲来驱动报警器发出响声。

1.4 时序控制电路设计
抢答器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入正常抢答工作状态。

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，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

根据上述功能要求，由此设计如下图所示的控制电路：
定时信号
定时信号
74LS121电路的电路图与功能真值表为：
74LS121电路图
74LS121电路图
由74LS121电路的功能真值表可以看出当输入端B为上升跳变沿时，A1、A2只要有一个为低电平就可以使输出端Q产生一个正脉冲，根据此特性可以实现在抢答和定时器走到00时触发报警电路使其报警。

由Multisin软件仿真可知在74LS121电路在正常条件下A1、A2均处于高电平，在前面提到单稳态电路可以实现由暂态到稳态的自动跳变，在此也可以加入单稳态电路，在选手抢答和定时器走到00时触发单稳态电路使其产生一个低电平信号来驱动报警电路，在暂态（即低电平信号）经过一段时间后自动回到高平，从而实现了电路的报警功能，并使其能够正常工作。

其工作原理同前面所讲到的“开始”时报警大致相同，在此就不再附仿真图。

其电路图见原理图。

2、扩展功能电路的设计 2.1六路彩灯循环电路的设计
此电路由加法器74LS192D 和译码器74LS138D 来实现。

每当给加法器输入一个脉冲时，加法器进行加一操作，经由译码器译码后连接发光二级管产生的现象就为彩灯的循环闪烁。

74LS192D
A 15
B 1
C 10
D 9UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN
4
~LOAD 11~BO 13~CO
12
CLR 1474LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3G16~G2A 4~G2B
5
300Ω
300Ω300Ω300Ω
300Ω300Ω
5V
六路彩灯电路电路图
74LS192同步十进制科可逆计数器的管脚图与功能真值表:
74LS192功能真值表 2.2计分电路的设计
该电路的设计由两片十进制加法器74LS160D 来完成。

每给电路一个脉冲电路就完成加计数的功能就相当于选手的加分。

另外电路还附加有清零电路在新一轮比赛时可以进行分数清零操作。

Key = C
74LS160D
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
5V
5V
DCD_HEX
10kΩ
74LS160D
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
计分电路电路图
五、总结及心得
这次课程设计的电路是比较复杂的。

感觉multisim软件比Protel 更灵活易用，熟练以后十分顺手。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通过多次对电路的改进，上机仿真以及调试，终于使整个电路可稳定工作。

设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。

因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。

所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。

这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。

这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。

总之，通过这次练习我有了很多收获。

在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。

在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。

在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

六、附录
所用元器件列表：
元器件名称（型号）数量/个元器件名称（型号）数量/个5V共阴数码管1个8Ω电阻 2个
四管脚数码管 3 个500Ω电阻2个
译码器74LS48 1个 1 kΩ电阻1个
RS触发器 74LS279 6个 2 kΩ电阻1个
优先编码器74LS148 1个10 kΩ电阻2个
优先编码器74LS138D 1个15 kΩ电阻1个
可逆计数器74LS192 3个68 KΩ电阻1个
可逆计数器74LS283D 1 个发光二极管7个
十进制加法器
74LS160D 2个触点开关10个555定时器5个单刀双掷开关1个
2输入与非门74LS00D 1个10μF电容2个
3输入与非门74LS12D 1个6μF电容1个
2输入或非门74LS02D 1个220 nF电容 1个
非门74LS14D 3个10 nF电容5个
导线若干
七、参考文献
[1]阎石·数字电子计数基础（第四版）[M]·北京：高等教育出版社
[2]从宏涛，程卫群，李绍铭·Multisim 8仿真与应用实例开发[M]·北京：清华大学出版社
[3]张新喜许军王新忠杨雨迎·Multisim 10 电路仿真及应用[M]·北京：机械工业出版社
[4]关静·数字电路应用设计[M]·北京：科学出版社
[5]薛鹏骞梁秀荣·电子设计自动化技术实用教程[M]·徐州：中国矿业大学出版社。