基于Multisim10的4路抢答器

——《硬件实训》实验报告

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一、设计题目

四路智力竞赛抢答器

二、课程设计目的

1、培养数字电路的设计能力。

2、掌握抢答器电脑设计方法。

三、设计内容和要求

3.1 设计内容

⒈设计一个智力竞赛抢答器，可同时供4名选手或4个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、4，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S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。

⒉给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。

⒊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，相应选手的灯亮。封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的信号灯一直亮到主持人将系统清零为止。

4.用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路，画出各单元电路图和总体逻辑框图，正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图以及写出设计总结报告。

3.2 设计要求

⒈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。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。

⒉参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，相应选手的灯亮，显示器上显示抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

⒊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。

四、基本设计原理

4路智力竞赛抢答器，当有人按下按钮后，代表他这一组的发光二极管就亮了，同时，别组成员按下按钮时，则不会使自己这一组的灯亮。要想实现这个目的，我们可以用锁存器或者触发器来实现，因为它们都能存储一位二进制数字。主持人有一个开始键，当这个键按下时，才会使抢答器正常工作；当这个键弹起时，无论4个选手如何按按钮，他们各自所对的发光二极管都不会亮。这个开关我们可以用芯片上的清零端或者使能端来实现。当然，既然是抢答器，就会有时间限制，我们需要一个倒计时器，并且需要将时间显示，我们可以用相关的芯片实现这一功能，具体设计在下面的设计中会有详细的叙述。每次抢答完后，主持人都会将时间重新置数，这一功能也可以通过芯片上的相应端口来实现。

5、总体设计框图

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，能使代表该选手的发光二极管发光，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以及将时间显示出来。

六、单元电路设计方案和原理说明

智力抢答器包括抢答电路，发光二极管显示电路，主持人控制开关电路，控制电路，秒脉冲产生电路，定时、译码、显示电路。下面对各部分进行详细叙述。

6.1抢答电路

抢答电路的功能有两个：1、能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供显示电路使用；2、使其他选手的按钮操作无效。抢答电路包括集成D触发器74LS374和4个开关。374为具有三态输出的四 D 边沿触发器，且是上跳沿触发的。当一个脉冲的上升沿到来时，输出Q端的值为相应D端的值。OC端为使能端，低电平有效，当OC接高电平时，处于高阻状态，OC端接低电平时，芯片能够正常工作。4个D端接4个开关，开关另一端接高电平。CLK端接脉冲信号。下图即是抢答电路电路图。

图为抢答电路

6.2 发光二极管显示电路

发光二极管显示电路是由4个发光二极管组成，由于在仿真时要观察灯的亮与熄灭，所以用灯来代替一下。4个灯的一端分别接在74LS374的4个Q端，另一端分别接地。当Q端输出为高电平时，灯就会被点亮，否则就会熄灭。下图即为发光二极管显示电路。

图为发光二极管显示电路

6.3 主持人控制开关电路

主持人控制开关有很多作用，当这个开关弹起时，74LS374将不工作，并且可以控制译码显示电路的清零和置数功能。我们先来介绍一下计数器74LS192的功能。下图为74LS192功能表。

从以上两个图可知，CR端为清零端，当CR端为高电平时，输出为低电平；CR端为低电平时，芯片可以进行别的功能。在CR端为低电平的情况下，LD端为低电平时，输出为4个D端上的值，这就是我们所说的置数功能。在CR为低电平，LD为高电平的情况下，CPU接脉冲信号，CPD接高电平，此时芯片处于加计数状态；CPU接高电平，CPD接脉冲信号，此时芯片处于减计数状态；CPU和CPD均接高电平，芯片处于保持的状态。基于对74LS192的了解，我们可以将清零端和置数端作为主持人控制开关电路的一部分。我们将CR端和LD端分别接两个单刀双掷开关，开关一端接高电平，一端接低电平。下图即为主持人控制开关电路。

6.4 控制电路、报警电路和秒脉冲产生电路

控制电路是由4个或门组成的。74LS374的4个输出端分别接在4个两输入或门的输入端上，每两组的输出有分别接在另一个或门的输出端，最后输出端和脉冲信号接在一个或门的输入端，输出端接在74LS374的脉冲输入端和74LS192的CPD端。当有一人按下了抢答开关后，所对应的Q端输出为高电平，经过几个或门后，最后输入74LS374和74LS192的脉冲输入端的信号固定为高电平，则我们将脉冲信号锁住了，无论别的抢答开关按下与否，都不会影响结果。这就起到了控制电路的作用。报警电路中，使用灯来表示，当无人抢答时，指示灯亮。秒脉冲信号产生电路可以通过555定时器得以实现，但在此次设计中，我们为了简便，直接用方波电源来实现，将其周期改为1秒即可。

下图为控制电路和秒脉冲产生电路电路图。

6.5 定时、译码、显示电路

定时、译码、显示电路是由74LS44译码器，74LS192计数器和七段数码管构成的。在仿真时我们用的是将译码器和七段数码管集成之后的一个数码管，这样可以使我们在仿真时稍微简单一些。我们将74LS192的四个输入端DCBA端分别接上高电平，低电平，低电平，高电平，则通过译码器在七段数码管上显示9，然后通过减计数，依次减一，当抢答按钮按下时，控制电路将会锁住脉冲信号，因此数码管应该显示当前数字不变。直至下一次抢答时，主持人通过置数重新将其置为9。下图为定时、译码、显示电路。

6.6 完整电路图

7、元件清单

十进制加减计数器 74LS192×1

D触发器 74LS374×1

电阻器包 (RPACK1*4SIP)×1

开关 DSWPK_4*1,TD_SW1×3

灯 LAMP5v_1w×9

或门 74HC32D_4V×9

示波器 XSC1×1

时钟电压源 CLOCK_VOLTAGE×1

非门 7404N×1

数码管 DCD_HEX_YELLOW

四、电路仿真

1、当主持人开关电路的按钮弹起时，即使别的抢答按钮按下时，发光二极管也不会亮。下图是这种情况的仿真结果

由上图可知，J12弹起时，虽然J1中的开关3闭合，但是发光二极管仍然是熄灭的，这也证明了上文的结论。

2、当主持人控制开关闭合时，如果有一组已经先将抢答开关按下后，其余的组再将抢答开关按下时，他们所对应的发光二极管也不会亮。

在J1中的开关4先按下的情况下，虽然后面的开关1、6、7也按下了，但是也只有由开关4控制的灯X4亮，而别的灯都没有亮。这也就证明前文结论的正确。

3、当开始正常抢答后，计数器开始倒计时，当无人抢答时，报警指示灯X9亮，数码管显示当前抢答剩余时间。

4、当开始正常抢答后，计数器开始倒计时，当有人抢答后，数码管上应该显示当前的数字不变，直到主持人在下一个问题时将其重新置数。

J1中开关5按下了，他所对应的灯X5也亮了，而此时数码管显示为5，并且不再变化了，这也证明了前文结论的正确。

九、心得体会

这一次的课程设计老师，没有限定我们用什么仿真软件，给了我们一定的空间。常用的仿真软件有三个，分别是pespice，protel和matlab，这三个软件都各有利弊：pespice的仿真功能比protel强，protel主要是焊制电路板的，matlab的画图功能很强悍（在做信号与系统实验里有深刻体验）。在这一次课程设计中，我选择Multisim仿真软件。

对于Multisim仿真软件，在没用之前，我感觉很难。首先，这个软件是全英文的，大部分的专业词汇都是我们不认识的，这也增加了我们学习软件的难度，虽然它有汉化的，但很多重要的设置是无法汉化的，自己所需要用的全凭自学。因此，第一次接触它时说它不难那是假的。但是，当我们开始用它时，发现他并没有想象中的那么难，其实，我们只需要怎么画图和仿真就行了，至于别的，我们不需要怎么会用，以后有时间自己再学习就可以了。

我到图书馆找了相关的书籍。经过一番努力地寻找，我终于找到了一本书。但是，回来一看，我发现这本书所讲的和我用的软件不是一个版本的。我想啊，虽然不是一个版本，但也应该差不多的，最起码基本功能应该一样。果然，和我想的一致。经过一段时间的摸索，我终于学会了画图。我做的题目是4路智力竞赛抢答器，经过一段时间的准备，我终于在软件上画出了相应的图，其中最麻烦的是不知如何接七段数码管，因为接上这个的话，在做仿真时就会出现问题，最后，我决定用四角的数码管来做仿真，这个四脚的是译码器和七段数码管集成的，因此连线方面倒省了我不少事。就这样，我做出了仿真。

在此我要感谢老师的谆谆教导和同学们的帮助，我相信这十几天的不懈努力会给我未来的学习带来很多的启发,我会在以后的工作生活中更好的理论联系实际,证明自己的能力。

十、参考文献

[1] 《电子技术基础》（数字部分） 康华光主编 高等教育出版社

[2] 《电子技术基础实验》（数字部分） 祁存荣主编 武汉理工大学出版社

[3] 《数字逻辑》 欧阳星明主编 华中科技大学出版社

[4] 《数字电子技术》 张惠敏主编 化学工业出版社

[5] 《74系列芯片手册》 李海主编 重庆大学出版社

基于Multisim10的8路智力竞赛抢答器