华北科技学院

电子课程设计报告

题目名称： 九人智力抢答器

专 业： 电子信息工程类

班 级： 14级电信4班

学 号：

姓 名：

指导教师：

电气信息工程学院

2016年12月25日

摘要

本报告设计的九人智力抢答器电路主要采由74系列常用集成电路组成，涉及到触发器、编码器、译码器、计数器、555定时器和RC电路组成的多谐振荡电路。该抢答器具有基本的抢答功能，通过共阴极数码管显示选手的号码。当一轮抢答开始后，首先抢答的人由触发器保持状态并阻止其他任何选手输入状态，此次设计的抢答器在选手输入信号后先经过优先编码器编码，再经过D触发器，所有选手没有优先级之分，真正做到比赛的公平公正性。编码后的信号经过加法器后输出合适的的二进制码，再经过显示译码器的作用，驱动共阴极数码管显示抢答选手的编号。主持人可以通过控制按钮结束本轮的抢答并可以重新开始下一轮抢答。

本次设计的抢答器运用74HC175上升沿D触发器记录第一个抢答人的状态；运用74LS20控制触发器的工作，从而使第一个抢答者的状态保持，而其他人无法再抢答；运用优先编码器74LS148编码；输出合适的二进制数；最后采用BCD-显示译码器74LS48驱动数码管显示选手编号。电路中需要的时钟信号由555多谐振荡电路实现。

关键词: 抢答器 触发器 编码器 计数器 显示译码器 555时钟信号发生器

目录

前言 3

第1章 设计思路和总体框架图 4

1.1 系统总体框图 4

1.2 设计思路 4

1.3 方案设计 4

1.3.1 方案一 4

1.3.1 方案二 5

1.3.1 方案确定 5

第2章 单元电路设计 6

2.1抢答电路设计 6

2.1.1电路简介 6

2.1.2工作原理 7

2.1.3集成电路逻辑功能分析 8

2.2数码管显示电路设计 10

2.2.1电路设计分析 10

2.2.2 显示电路 13

2.3时钟信号发生电路设计 13

2.3.1 设计分析 13

2.3.2 工作原理 14

第3章 总结 17

附录 18

元器件清单 18

完整原理图 19

参考文献 20

前言

目前无论是国内还是国外，智力抢答类的娱乐节目以其知识的普及性和娱乐宣传性，一直受到广大电视观众的喜好和好评，是全家老少皆宜的电视类节目。说到这类电视节目，就不得不提到节目中的抢答的环节，多位选手在主持人一声令下开始抢答，抢答时间有限，先按抢答器者独占先机，这种情况总是扣人心弦，让观众和选手都心动不已。激动之后，大家有没有想过节目中抢答用的电路时如何实现的吗？选手限时抢答，谁先抢答就会在其前面的LED屏上限时，同时其他较晚的人再按键是没有任何效果的。当一轮抢答结束后，主持人操作手中的控制器就可将先前维持住的抢答状态复位清零。这种抢答方式有效地提高了竞赛的公平和公正性，避免了一些不合理现象的发生。当今社会发展迅速，应用于此类抢答节目的智能抢答器早就问世。其功能的实现方式多种多样，并逐渐趋向于易于扩展、可靠性好、集成度高、制造费用低、功能更加多样话的一种高效能的产品。本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了九人智力抢答器设计，同时制作出了简易的实物以供实践演示。

第1章 设计思路和总体框架图

1.1 系统总体框图

1.2 设计思路

本次设计的抢答器运用74HC175上升沿D触发器记录第一个抢答人的状态；运用十三输入与非门74HC133控制触发器的工作，从而使第一个抢答者的状态保持，而其他人无法再抢答；运用优先编码器74LS148编码；输出合适的二进制数；最后采用BCD-显示译码器74LS48驱动数码管显示选手编号。电路中需要的时钟信号由555多谐振荡电路实现。

如框图所示，当选手进行抢答时，触发器会将最先按抢答器的选手信号锁存起来，不会受其他选手的影响。然后通过编码器编码，显示译码器，正确的显示出选手的编号。主持人可以通过控制触发器“清零”从而使整个系统初始化。

1.3 方案设计

1.3.1 方案一

电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。

1.3.1 方案二

电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高，所以用其产生的脉冲信号更加稳定，同时在显示更能接近预定的值，受外界环境的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。

1.3.1 方案确定

选择结果：方案一。原因一：系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。原因二：虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高，但由于前者设计方便，操作简单，成为了设计时的首选。

第2章 单元电路设计

2.1抢答电路设计

2.1.1电路简介

图2.1.1所示为最小抢答电路，拥有抢答和清零的基本功能。S0按钮为主持人控制开关，一端接地，另一端连接触发器74HC175的清零端，当S0按下后CLR端接地为低电平，触发器复位清零。J1~J9为九位抢答选手对应的抢答按钮，选手们可以按下开关进行抢答。

2.1.2工作原理

抢答器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。为实现抢答的要求，即当第一个选手抢答后其他选手再按抢答器对其不影响。当接通电源时，节目主持人将开关置于“接地（清除）”位置时，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器显示0，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“Vcc（开始）”位置，抢答器处于工作状态，蜂鸣器LS1发出短暂的响声提示选手答题，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警灯x2亮，蜂鸣器LS1报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答本次设计的抢答电路巧妙地利用了触发器的工作原理：没有一定频率的时钟信号输入D触发器74HC175就不能正常工作。电路中将触发器输出的九个结果同时钟信号一同接入与非门74LS20中，与非门出来当做74HC175的时钟脉冲。当选手们没进行抢答时蜂鸣器不响，此时74LS20输出端与时钟信号同步，一旦有人抢答时，九个人有一个按下开关，74LS20一输入端变成低电平，使输出端变为“1”，时钟信号输入无效，相应的触发器不能继续正常工作，断绝了其他人抢答的机会，同时，74HC175把抢答选手的编号锁住，显示其编号至主持人系统清零为止。

九人抢答电路中，当抢答完毕后，支持人将开关波置“接地”时，74HC175的CLR端接地（有效），会将输出端置零，从而实现无输入时候的清零功能。如果需要继续做下一轮的比赛，支持人可以直接将开关接到“Vcc”端即可立即开始下一轮的比赛。我们将启动功能和清零功能结合在一起，减少了按键操作次数，大大简化了电路还有按键操作次数，这是本设计的一大亮点。

2.1.3集成电路逻辑功能分析

2.1.3.1触发器

为达到项目要求的抢答功能，由抢答器相关功能列的的真值表如下表2.1.3所示。

表2.1.3 抢答器真值表

分析逻辑功能可知，八个输入状态没有优先级之分，而且输出高低电平要保存下来。这里就要用到触发器。由上面的真值表分析可知选用D触发器74HC175可以满足要求。 74HC175的相应逻辑电路图和功能表如下图2.1.3所示。

2.1.3.2 十三与非门

接下来是关于13输入与非门74HC133如何控制时钟信号的作用的分析。当电路中没有抢答信号时，十三输入与非门74HC133的选手信号输入端都为高电平。时钟信号输入端为1Hz ~500HZ的方波，有效电压为5V。多余的三个输入端连接5V电源，作为闲置端。

如下波形图2.1.5所示，时钟信号波形为Clk，当没有抢答信号时：

Q=（Q1'Q2'Q3'Q4'Q5'Q6'Q7'Q8'（Clk））'=Clk

在t' 时刻加入抢答信号后输出波形为Q*。例如当一号选手第一个抢答时，Q1'=0：

Q*=（Q1'Q2'Q3'Q4'Q5'Q6'Q7'Q8'（Clk））'= 1。

这样就会给由555定时器构成的单稳态电路一个脉冲，然后蜂鸣器就会响起，达到报警的作用，由此可见此集成电路在设计中起到非常重要的的逻辑功能。

2.2数码管显示电路设计

2.2.1电路设计分析

为了将锁存的信号显示在数码管上，需要将8个高低电平信号编译成二进制码，在通过显示译码器驱动数码管显示。考虑到经过触发器后信号不受优先级的影响，可以利用优先编码器74LS148对Q'1~Q'8进行编码。74LS148的功能表如下表2.2.1所示：

本单元电路选用显示译码器74LS48作为数码管驱动，相应的真值表如下表2.2.1所示，A~D为二进制译码输入端，Ya~Yg为译码输出端，直接连接共阴极数码管的对应管脚。 一旦输入和输出对应不上，就不发正确的显示选手的编号。〈74ls148引脚图〉74ls148优先编码器管脚功能介绍:为16脚的集成芯片，电源是VCC(16) GND(8),I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。

EI端上是使能端，作用是控制148工作，低电平有效，即:若该端输入高电平，则148不工作；若该端输入低电平，则148正常工作。GS是用来判断148输入端是否有输入，只要有输入，则输出低电平，的、若没有输入，则出书高电平。EO是用来148之间的级联用的，拓展为16位或更高编码器。如高优先位没有输入，则EO输出低电平，接低优先位的EI端，就控制了低优先位工作，若高优先位有输入，那EO端输出高电平，使下一片148的EI位高，不工作。

〈74ls148逻辑表达式〉
使能端OE(芯片是否启用)的逻辑方程： 
OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE 
当OE输入IE=1时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0为全1。
当OE输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

实际上带有进位端的编码器74LS148编码出的二进制码与译码器74LS48的输入相差1 但是们可以用两片级联的方式进行九路的输入，我为了方便，就直接用的是1~9的。这样就不用加法器进行做加法运算了，就可以直接用74LS48译码器进行译码了，减少了资源。另外如果想要增加选手人数，两片74LS148级联的方式，很容易拓展开来，直接加一些电阻开关就可以了，但需要注意输出端译码器、显示电路也需要更换。

下面介绍一下74LS48译码器的功能，管脚图如图2.2.1所示：

工作电压:5V 74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能：

（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1)在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。

（2）消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时,无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。

（3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。

（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1） 此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。 DCBA≠0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。

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