《数字电子技术》四路智力竞赛抢答器

第一章系统方案的设计1.1 设计的基本思路制作抢答器可以用很多的方法，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并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技术来制作；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，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NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。

1.2 系统方案的比较和论证方案一:采用数字电路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。

扩展电路完成定时抢答的功能。

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。

当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：①优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

方案二：采用单片机此电路完成的功能如图2所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。

此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。

（图2）方案三：采用PLC此电路的功能如图3所示，当主持人打开启动开关后，在设定时间TO 内，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路①发出声响，指示灯LI亮，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;如果在时间TO内，无人应答，则驱动音效电路②发出声响，指示灯L2亮，表示抢答者均放弃该题;在抢答成功后，主持人打开限时开关SW2，启动计时器，在设定的时间TI 内回答有效，当到达设定时间TI时，驱动音效电路③，指示灯L3亮，表示答题时间到。

（图3）通过上面的方案比较，数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，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，所以我选择采用第一种方案来完成抢答器电路。

1.3系统组成经过方案比较和论证，最终确定智力竞赛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。

扩展电路完成定时抢答的功能。

（图4）第二章 单元电路设计2.1 元件简介2.1.1 74ls148简介74LS148是8线3线输出的二进制编码器（简称8-3线二进制编码器），其作用是将输入0I 到7I 这8个状态分别编成8个二进制码输出。

从功能表中可看出74LS148的输入为低有效。

优先级别从7I 到0I 递降。

另外，它有输入使能ST ，输出使能EX Y 。

1．ST 允许编码=0，ST =1禁止编码，输出2Y 1Y 0Y =111。

2．s Y 主要用于多个编码器电路的级联控制，即/Y S 总是接在优先级别低的相邻编码器的ST 端，当优先级别高的编码器允许编码，而无输入申请时，s Y =0，从而允许优先级别的相邻编码器工作；反之，当优先先级别高的编码器有编码时，s Y =1，禁止相邻级别的编码器工作。

3．EX Y =0表示2Y 1Y 0Y 是编码输出，EX Y =1表示2Y 1Y 0Y 不是编码输出，EXY 为输出标志位。

表2.1 74ls148芯片功能表图2.2 74LS148内部结构2.1.2 74ls279简介74LS279RS 锁存器，当R=1，S=0时，输出为；当R=1S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。

表2.2 74LS279 锁存器功能表 图2.3 74LS279锁存器引脚图 2.1.3 74ls48简介74LS48被称为集成显示译码器，用来驱动各种显示器件，从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号翻译成人们习惯的形式直观地显示出来的电路，称为显示译码器，其引脚图如图2.4所示。

1): 3、4、5是信号的控制端；2): A 、B 、C 、D 分别是译码器的输入端，它于74LS90的A Q 、B Q 、C Q 、DQ 端相连接；3):a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 是译码器的输出端，它于锁存器相连；图2.4 74LS48芯片引脚七段显示译码器74LS48功能表如表2.4所示。

LT——测试灯输入端。

LT =0（低电平有效）且BI =1时，Ya-Yg 输出均为1，显示器七段应全亮，否则说明显示器件有故障。

正常译码显示时，LT 应处于高电平，即LT =1。

RBO BI /——双重功能端。

此端可作为输入信号端又可以作为输出信号端。

作为输入端时是熄灭信号输入端BI ，利用BI 端可按照需要控制数码管显示或不显示。

当BI =0时（低电平有效），无论A 3A 2A 1A 0状态如何，a Y -g Y 均为0，数码管不显示。

当该端作为输出端时是灭零输出端RBO ，当RBI =0，且A 3A 2A 1A 0=0000时，RBO =0。

RBI ——灭零输入端。

该端的作用是将数码管显示的数字O 熄灭。

当RBI =0（低电平有效）、1 LT 且A 3A 2A 1A 0=0000时，a Y -g Y 均输出0，数码管不显示。

表2.4七段显示译码器74LS48功能表•CPU——加法计数CP输入；•CPD——减法计数CP输入；•CO——进位输出端；•BO——借位输出端；74LS192是一种双时钟4位加法/减法同步计数器，它是十进制计数器，可以预置初值进行计时。

CO是加计数进位输出端，当加计数到最大计数值时，CO 发出一个低电平信号（平时为高电平）；BO为减计数借位输出端，当减计数到0时，BO发出一个低电平信号（平时为高电平），BO和CO负脉冲宽度等于时钟脉冲低电平宽度。

如表2.5即为74LS192的功能表表2.5 74LS192功能表2.1.5 NE555简介555芯片引脚如图3-1所示图2.5 555芯片1): 1脚是接地端；2): 2脚和6脚是信号的输入端；3): 3脚是555定时器的输出端，输出的波形是矩形波； 5): 5脚是控制端，常对地接一个0.01uF 的滤波电容； 6): 7脚是放电端，也是控制波形的周期； 7): 8脚是cc V 端。

555定时器的功能表2.5 定时器5G555的功能表设TH 和TR 端的输入电压分别为11u 和12u ，5G555定时器的工作情况如下： 当11u > 1R u 、12u > 2R u 时，比较器C 1和C 2的输出1c u =0、2c u =1，基本RS 触发器被置0，Q=0、Q =1，输出0U =0，同时V 导通。

当11u <1R u 、12u < 2R u 时，两个比较器输出1c u =1、2c u =0，基本RS 触发器被置1，Q=1、Q =0，输出Uo=1，同时V 导通。

当11u <1R u 、12u >2R u 时，1c u =1、2c u =1，基本RS 触发器置保持原状态不变。

综上所述，5G555定时器的功能如表2.5所示。

2.1.6 74ls121简介74LS121芯片是一种常用的非重触发单稳态触发器，他采用了施密特触发输入结构，这使得74LS121的抗干扰能力大大的加强,下面是管脚图和逻辑符号。

图2.6 74LS121引脚图74ls121功能表表2.6 74121功能表2.1.7 数码显示器LED 显示器引脚图通常所说的LED显示器如图3-4所示，由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器。

图2.7 LED显示器此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管(在图中以dp表示)，用于显示小数点。

通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。

1): a、b、c、d、e、f、g、dp是数码管的输入端；2): 9脚是接高电平，因为是共阳数码管。

LED功能表如图2.8所示：图2.8 LED功能表2.2 电路组成及工作原理2.2.1 抢答器的电路设计及工作原理 1.主要功能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；二是要使其他选手的按键操作无效。

选用优先编码器74148和DFF 锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图4所示。

2.电路原理图（图5）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74LS148的BI =0，显示器灭灯；74148的选通输入端ST =0，74LS148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 7I ...0I 输入信号，当有选手将键按下时(如按下5S )，74LSl48的输出2Y 1Y 0Y =010，EX Y =0，经RS 锁存器后，CTR=l ，BI =1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。

此外，CTR=1，使74LSl48的ST 端为高电平，74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。

当按下的键松开后，74LSl48的EX Y 为高电平，但由于CTR 维持高电平不变，所以74LSl48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。

2.2.2 定时电路设计及工作原理 1.主要功能节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间（30s ），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。