四人智力競(jìng)賽搶答器

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

課 題：智力競(jìng)賽搶答器學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院專 業(yè)：班 級(jí)：組 長(zhǎng)：組 員：

指導(dǎo)教師：

時(shí) 間：

自動(dòng)化 100303

王金玉 20100846

齊兆舉 20100841

侯 楠 20100832 劉婧瑤 20100836

蒲春華

2013.1.7—2013.1.11

設(shè)計(jì)題目十 智力競(jìng)賽搶答器

搶答器是競(jìng)賽問(wèn)答中的一種常用的必備裝置，從原理上講，它也是一種典型的數(shù)字電路，包括了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。

一、設(shè)計(jì)目的

1. 掌握搶答器的設(shè)計(jì)方法。 2. 熟悉鎖存器的應(yīng)用。

3. 了解學(xué)習(xí)觸摸開(kāi)關(guān)和發(fā)聲元件。 二、設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.可供四組搶答，有人搶答時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)優(yōu)先搶答者對(duì)應(yīng)的指示燈亮，而后搶答者對(duì)應(yīng)的指示燈不亮。

2.主持人具有將搶答器復(fù)原的功能。

3.搶答者和主持人的按鈕開(kāi)關(guān)采用觸摸按鈕，蜂鳴器用壓電陶瓷蜂鳴器作發(fā)聲元件。

三、設(shè)計(jì)方案

智力競(jìng)賽搶答器是用來(lái)判斷哪一個(gè)預(yù)定狀態(tài)首先發(fā)生的電路。選手通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)電路發(fā)出搶答信號(hào)，先按動(dòng)者，搶答成功，保持與封鎖電路將該信息保持下來(lái)，同時(shí)封鎖其他選手的輸入。搶答成功后對(duì)應(yīng)燈亮，并啟動(dòng)聲響電路發(fā)出搶答成功提示。主持人按鍵電路發(fā)出復(fù)位信號(hào)使保持與封鎖電路的各輸出清零。所以主要由開(kāi)關(guān)陣列電路、觸發(fā)鎖存電路、脈沖產(chǎn)生電路、顯示電路幾部分構(gòu)成。

（1）開(kāi)關(guān)陣列電路是由多路開(kāi)關(guān)組成，競(jìng)賽者與開(kāi)關(guān)相對(duì)應(yīng)。

（2）保持與封鎖電路是當(dāng)某一開(kāi)關(guān)首先按下時(shí)，觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電平信息，同時(shí)為防止其它開(kāi)關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂。

（3）時(shí)鐘脈沖源為鎖存器提供時(shí)鐘脈沖。

（4）顯示電路即按鈕開(kāi)關(guān)按下時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈亮。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)，該裝置的原理框圖如下：

四、具體分析 1.觸摸按鈕

下圖為兩種自制的觸摸按鈕的原理圖。觸摸開(kāi)關(guān)是兩塊距離約為1mm彼此絕緣的小導(dǎo)體（如銅片），也可用兩根距離約為1mm的裸導(dǎo)線組成。圖（a）示所示電路，原始狀態(tài)時(shí)非門G輸出為高電平，當(dāng)有人用手指觸及兩個(gè)銅片時(shí)，相當(dāng)于兩塊銅片間串接一個(gè)等效電阻，使非門輸出變?yōu)榈碗娖�；圖（b）所示電路，原始狀態(tài)時(shí)非門G輸出為低電平，當(dāng)人用手指觸及兩塊銅片時(shí)，非門輸出變?yōu)楦唠娖�，為保護(hù)電路選用較大電阻。

2.按鍵保持與封鎖電路

下圖為4D觸發(fā)器74LS175D，搶答前74LS175D四個(gè)搶答者的按鈕均未按下，鎖存器的輸入端D1~D4全為0，所有顯示電路無(wú)反應(yīng)，當(dāng)主持人宣布“搶答開(kāi)始”之前，脈沖源信號(hào)進(jìn)入CLK端此時(shí)搶答開(kāi)關(guān)均為啟動(dòng)，輸入均為0，觸發(fā)器狀態(tài)不變。開(kāi)始后，有一個(gè)搶答

信號(hào)發(fā)出，Dn和Qn均為1，相應(yīng)顯示電路二極管發(fā)亮，Qn變?yōu)?，同時(shí)通過(guò)與非門送出信號(hào)，

鎖住其余三個(gè)搶答者的電路，不再接受其他信號(hào)，知道主持人再次清除信號(hào)為止。

顯示電路

開(kāi)關(guān)列陣電路

4D觸發(fā)器74LS175介紹如下：

3.脈沖產(chǎn)生電路

該電路是由555定時(shí)器接成的多諧振蕩器，由555定時(shí)器和外接元件R1,,,R2 C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號(hào)，

1

2

利用電源通過(guò)R1,,,R2 向C充電和放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在3Vcc 和3Vcc之間充電和放電，其波形是方波。其產(chǎn)生的方波為鎖存器提供CLK脈沖。

由555定時(shí)器的特性參數(shù)可知，555電路要求R1和R2均應(yīng)大于或等于1K歐姆，但R1+R2應(yīng)小于或等于3.3M歐姆。

當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，在100mA的輸出電流下輸出的電壓的典型值為3.3V所以取VCC=5V可以滿足對(duì)輸出脈沖幅度的要求。由于對(duì)輸出脈沖的占空比要求不高，為便于計(jì)算，令占空比D=

R1?R2R1?2R2

?23

，故得到R1=R2，令f=1Hz,則T=0.7（R1+2R2）C=1。若取C=0.1uF，得R1=R2=48k

Ω。

4.顯示電路

（1）發(fā)光電路由一個(gè)發(fā)光二極管與一個(gè)電阻串聯(lián)組成。 （2）單音頻音響電路

下圖是用壓電陶瓷蜂鳴器作發(fā)聲元件的單音頻音響電路。壓電陶瓷蜂鳴器再適當(dāng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下能夠發(fā)聲，兩個(gè)CMOS門電路與R1、R2和C組成振蕩器，當(dāng)控制端電壓UA為高電平時(shí)，振蕩器產(chǎn)生振蕩，輸出的高頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲；UA為低電平時(shí)，振蕩器停振，蜂鳴器不發(fā)聲。

6.總電路圖

7.創(chuàng)新方面

本次設(shè)計(jì)在題目要求的基礎(chǔ)上又另加了一個(gè)震蕩電路使得在裁判按下開(kāi)關(guān)之后搶答的過(guò)程中LED5是一直閃爍的。

http://www.msguai.com/news/55B80803AE6D96F6.html 五、器件清單

元件名 電位器

蜂鳴器 發(fā)光管 實(shí)驗(yàn)板

型號(hào) 200歐 10K歐 5V 紅

數(shù)量 1 1 2 10 2 元件清單

單價(jià)(元) 2 2 1 0.15 5

總價(jià)（元） 2 2 2 1.5 10

電阻 獨(dú)石電容 按鍵 開(kāi)關(guān)

底座

瓷片電容 銅柱 74LS175 74LS74 74LS00 74LS20 74LS04 555 總計(jì)

8腳 14腳 16腳

30 5 10 1 4 4 10 2 4 8 2 1 3 1 1 1

0.015 0.3 0.2 0.5 1.5 0.1 0.16 0.16 0.05 0.5 2 1 1 1 1 1

0.45 1.5 2 0.5 6 0.4 1.6 0.32 0.2 4 4 1 3 1 1 1

45.47

六、調(diào)試過(guò)程及現(xiàn)象

1.調(diào)試芯片74LS175 此四D觸發(fā)器，各輸入管腳均接入二極管，控制開(kāi)關(guān)，檢查4個(gè)二極管是否均正常發(fā)光。

2.先用數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的連續(xù)脈沖源對(duì)四D觸發(fā)器的脈沖信號(hào)端即CP端提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)，以代替用定時(shí)器提供的脈沖源，觀察整個(gè)搶答裝置產(chǎn)生的現(xiàn)象。

（1）搶答開(kāi)始前，開(kāi)關(guān)K1，K2，K3，K4均置“0”，準(zhǔn)備搶答，將開(kāi)關(guān)S置“0”，發(fā)光二極管全熄滅，再將S置“1”。搶答開(kāi)始，K1，K2，K3，K4某一開(kāi)關(guān)置“1”，觀察發(fā)光二極管的亮滅情況，然后再將其他三個(gè)開(kāi)關(guān)中任意一個(gè)置“1”，觀察發(fā)光二極管的亮滅是否有改變。

（2）重復(fù)（1）的內(nèi)容，改變K1，K2，K3，K4任意一個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，觀察搶答器的工作情況。

3.調(diào)試555脈沖源，用示波器觀察其輸出的脈沖波形，并結(jié)合實(shí)際電路調(diào)整其輸出脈沖頻率，待用。

4.斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置上的連續(xù)脈沖源，接入設(shè)計(jì)出的555脈沖源，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 5.組裝各器件，進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。

6.按下四個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕中的任一個(gè)，與其編號(hào)對(duì)應(yīng)的LED被點(diǎn)亮，其他不亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響。

7.確認(rèn)在按下?lián)尨鸢粹o中的任一個(gè)之后，即使按下其他開(kāi)關(guān)，其他LED也不亮。

8.將電路復(fù)位，觀察現(xiàn)象。(由于連接實(shí)物失敗，此調(diào)試過(guò)程均為理論過(guò)程） 七、總結(jié)

1.設(shè)計(jì)電路的優(yōu)缺點(diǎn)

此電路結(jié)構(gòu)清晰，連線簡(jiǎn)易，器件大眾化，易購(gòu)。容易控制，快捷方便。

555多諧振蕩器不易調(diào)試。所設(shè)計(jì)的搶答器電路采用組合邏輯和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)，無(wú)需編程語(yǔ)言，具有電路簡(jiǎn)單，成本低廉，操作方便，靈敏可靠。易于制作等優(yōu)點(diǎn)，而且在實(shí)際生活中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2.收獲與體會(huì)

本次設(shè)計(jì)數(shù)字搶答器，用到數(shù)字電子技術(shù)方面知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，對(duì)集成電路的了解加深，課本上的知識(shí)更深的掌握。利用Multisim 10對(duì)4路競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路設(shè)計(jì)合理，具有比較可靠的工作方式和更強(qiáng)的適用性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求。通過(guò)本次設(shè)計(jì)體會(huì)到邏輯思維和團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

八、參考文獻(xiàn)

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）》 閻石 主編 《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》吉林大學(xué)出版社

九、集成芯片資料（另附）

74S175芯片資料：

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