智力竞赛抢答装置的设计

“三性实验”报告册

课程名称：电子技术实验（模电、数电）

实验项目名称：智力竞赛抢答装置的设计

学院：电子科学与技术

专业：电子科学与技术

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智力竞赛抢答装置的设计

一、实验目的

1、掌握组合逻辑电路的设计与测试方法，熟悉常用数字集成电路的使用。

2、掌握数字逻辑电路的设计方法，训练自身综合运用数字电路基本知识设计、调试电路的能力。

二、具体要求

设计一个4 人抢答逻辑电路。

（1）竞赛主持人有一个按钮，主持人宣布“抢答开始”，电路复位，计时器开始计时，无人抢答30 秒蜂鸣器发出声音报警，取消抢答权。

（2）每个参赛者控制一个按钮，参赛选手按动按钮发出抢答信号。

（3）竞赛开始后，先按动按钮者将对应的一个发光二极管点亮，此时其他3 人按动按钮对电路不起作用。

三、设计方案

1、总体设计原理图

图3·1整体抢答器原理图

如图3·1所示，整体抢答器原理图（仿真通过）

其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清零"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；主持人将开关置“开始”状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时。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。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"清零"和"开始"状态开关。

2、设计思路

1. 将整个实验分为五大块——主控部分、高平脉冲输出部分和秒脉冲产生部分、计数部分、报警部分、扩展部分。

2. 分步实现各部分的功能。

3. 进行各部分的连接。

4. 调试整体连接后的电路。

5. 焊接扩展部分并调试。

3、各模块的工作原理与调试

1>、主控部分

1.1主控部分原理图

图3.2 主控部分原理图

图3.2为抢答器的主控部分，该部分由开关、同步D触发器（74LS175）、四路与非门（74LS20N）、二路与非门（74LS00N）和四个LED灯组成。

1.2主控部分原理分析

首先，介绍74LS175的工作方式。它是由四个D触发器构成的芯片，共有8个管脚。其管脚图如图3.3所示。

图3·3 74LS175管脚图

芯片的各个管脚功能如图中所示（PIN NAMES），这里不再累述。

图3·4 74LS175内部结果图

如图3.4所示，为74LS175内部结果图，再次图中可以清楚的看到该芯片的工作原理，当CLK 有效是（低电平有效）输出全部为零。当置位端（低电平有效）无效且清零端有效时，输出Q=D。

主控部分原理总体阐述：抢答开始时（清零端、置位端均无效），主持人清除信号（按下开关J5），74LS175 的输出Q1～Q2 全为0，所有发光二极管LED 均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后（J5断开），选手作出判断（按下开关J1~J4），对应的LED灯亮，同时信号通过两个74LS00N，一个74LS20N和高平脉冲输出，实现锁存信号。

下面介绍74LS00N和74LS20N：

图3.5 74LS00N内部结构图

如图3.5所示，为74LS00N内部结构图，其旁边为真值表。

1.3主控部分的调试

电路板焊接完成后，进行了相应的电路调试，调试过程如下：

①到了试验箱，试验箱给出高平脉冲和提供置位，清零所需要的电平。

②用导线将电路板和试验箱进行连接，所需输出信号接到试验箱的LED灯上，观察并电平

变化，调试以焊接的电路，直到工作正常。

74LS20N：

如图3.6 74LS20N内部结构图

如图3.6所示，为74LS20N内部结构图，其旁边为真值表。

2>、高平脉冲部分和秒脉冲部分

2·1高平脉冲部分的工作原理图

图3·7高平脉冲部分原理图 图3.8 秒脉冲部分原理图 图3.7高平脉冲部分是有555定时器构成多谐振荡器，其可以输出脉冲频率为1KHZ 。以下是555定时器构成多谐振荡器的工作原理介绍。

如图3·9，由555定时器和外接元件R 1、R 2、C 构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电

路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R 1、R 2向C 充电，以及C 通过R 2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C 在和之间

充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。

图3·9·1 555构成多谐振荡器 图3.9·2 多谐振荡器的波形图

输出信号的时间参数是： T=

=0.7（R 1+R 2）C

=0.7R 2C

其中，为V C 由上升到所需的时间，为电容C 放电所需的时间。

555电路要求R1与R2均应不小于1K Ω，但两者之和应不大于3.3M Ω。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精

度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。

在此简要的对555定时器做一介绍

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、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器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3

图3·10 555定时器内部方框图

555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比

较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1

和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输

入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

2·2秒脉冲部分的工作原理图

如图3.8 所示秒脉冲部分原理图，也是有555定时器构成，其具体工作原理如下：

直流电震荡后升压,比如说1个小功率电棍,利用6V-12V直流电源可产生一种高压脉冲。电路中三极管Q1、Q2构成了一振荡器，产生频率为3Hz的直流脉冲电压，并输入变压器比为6V：240V升压器的初级线圈，在每个脉冲结束时，相应地在变压器的次级线圈产生一高电