四路智力搶答器試驗報告

1、目錄前言2摘要3第 1章 設(shè)計內(nèi)容及要求41.1 設(shè)計目的41.2 設(shè)計要求4第 2章 設(shè)計思路方框圖52.1 設(shè)計思路52.2 設(shè)計原理方框圖5第 3章 單元電路圖及其原理說明63.1 方案一設(shè)計原理63.2 方案二設(shè)計原理93.3 方案的選擇13第四章 電路測試與仿真144.1 電路測試與仿真14第五章四路搶答器元器件清單165. 1 四路搶答器元器件清單 16 第六章焊接電路圖及元件資料176.1 元件資料176.2 焊接電路19第七章實驗總訓(xùn)20第八章參考文獻(xiàn)21前言進(jìn)入 21 世紀(jì)越來越來多的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的日常生活中， 例如企業(yè)、 學(xué)校 和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽 , 搶

2、答記分器是必要設(shè)備。過去在舉行的各種 競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判 斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。 人們于是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來規(guī)范比賽。因此，為了 克服這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計出很多的搶答器，從最初的 簡單搶答按鈕，到后來的顯示選手號的搶答器，再到現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在 一天的趨于完善不但可以用來倒計時搶答，還兼具報警，計分顯示等等功能，有了 這些更準(zhǔn)確地儀器使得我們的競賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正 的原則。今天隨著科技的不斷進(jìn)步搶答器的制作也

3、更加追求精益求精，人們擺脫了耗費 很多元件僅來實現(xiàn)用指示燈和一些電路來實現(xiàn)簡單的搶答功能，使第一個搶答的參 賽者的編號能通過指示燈顯示出來，避免不合理的現(xiàn)象發(fā)生。但這種電路不易于擴(kuò) 展，而且當(dāng)有更高要求是酒無法實現(xiàn)，例如參賽人數(shù)的增加。隨著數(shù)字電路的發(fā)展， 數(shù)字搶答器誕生了，它易于擴(kuò)展，可靠性好，集成度高，而且費用低，功能更加多 樣話，是一種高效能的產(chǎn)品。而如今在市場上銷售的搶答器大多采用可編程邏輯元 器件，或利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計， 本次設(shè)計主要利用常見的 74LS 系列集成電路芯 片和 555 芯片，并通過劃分功能模塊進(jìn)行各個部分的設(shè)計，最后完成了四路智力競 賽搶答器的設(shè)計。四路智力搶答器

4、摘要本設(shè)計是四路智力搶答器。設(shè)計電路是當(dāng)主持人按下復(fù)位開關(guān) K, 搶答開始， 按下清零開關(guān) , 搶答電路清零。利用邏輯電路的原理， 使搶答器具有第一個搶答信號的鑒別， 鎖存及顯示功能 既有搶答信號輸入時，鎖存相應(yīng)的編號，并在 LED數(shù)碼管上顯示出來，同時揚聲器 發(fā)出響聲。 此時再按其他任何一人搶答均無效， 優(yōu)先搶答選手的編號一直保持不變， 直到主持人清除為止。關(guān)鍵詞：四路搶答器 清零 鎖存 主持人第一章 設(shè)計目的及要求1.1設(shè)計目的 :本課程為電子、通信類專業(yè)的獨立實踐課，該課程設(shè)計建立在電路基礎(chǔ)、數(shù)電與模 電電子線路等課程的基礎(chǔ)上，主要讓學(xué)生加深對電子線路理論知識的掌握，使學(xué)生能把 學(xué)的知識

5、系統(tǒng)地、高效地貫穿到實踐中來，避免理論與實踐的脫離，同時提高學(xué)生的動 手能力，并在實踐中不斷完善理論基礎(chǔ)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。1）、學(xué)習(xí)數(shù)字電路中的優(yōu)先編碼器、鎖存器 、多諧振蕩器、譯碼器、數(shù)據(jù)顯示管的綜 合應(yīng)用。2）、熟悉搶答器的工作原理3）、了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，調(diào)試及故障排除方法。1.2設(shè)計要求 :設(shè)計一個搶答電路：1）可以容納四組參賽者，每組設(shè)置一個搶答按鈕，分別用 J1-J4 表示；2）設(shè)置一個系統(tǒng)清零的搶答控制開關(guān) J5 和復(fù)位開關(guān) K（開關(guān)由主持人控制） ，當(dāng)開關(guān) J5 按下時清零，當(dāng)開關(guān) K 被按下時，搶答開始。3）搶答器具有第一個搶答信號的鑒別 , 鎖存及顯示功能。即有搶答

6、信號輸入（開關(guān) J1-J4 中的任意一個開關(guān)被按下）時，鎖存相應(yīng)的編號，并在 LED數(shù)碼管上顯示出來，同時 揚聲器發(fā)出響聲。此時再按其他任何一個搶答開關(guān)均無效，優(yōu)先搶答選手的編號一直 保持不變，直到主持人將系統(tǒng)清除為止 。第二章 設(shè)計思路及原理方框圖2.1 設(shè)計思路 :數(shù)字式智力搶答器一般包括門控電路、搶答編碼電路、譯碼電路、優(yōu)先鎖存電路、 數(shù)顯電路、聲響報警電路。其中，門控電路、搶答編碼電路、譯碼電路是核心，用于 完成各組搶答信號的識別、判斷；數(shù)顯電路、聲響報警電路用于顯示搶答的組號并同 時用揚聲器提醒；優(yōu)先鎖存電路用于判斷、鎖存參賽者的第一個搶答信號并使其他搶 答信號無效。功能要求電路設(shè)置

7、系統(tǒng)清零和控制開關(guān)，因此需要一個門控電路。2.2 工作原理框如圖 2-1 所示：圖 2-1第三章 單元電路圖及方案的選擇3.1 方案一的設(shè)計：1. 鎖存電路：主要用到 74ls373 1).1 腳是輸出使能 (OE),是低電平有效 ,當(dāng) 1 腳是高電平時 , 不管輸入 3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管 11腳(鎖存控制端 ,G)如何,輸出 2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài) (或 者叫浮空狀態(tài) );.當(dāng)1腳是低電平時 ,只要11腳(鎖存控制端 ,G)上出現(xiàn)一個下降沿 ,輸出 2(Q0)、5(Q

8、1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈現(xiàn)輸入腳 3、 4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài) .鎖存端 LE 由高變低時，輸出端 8 位信息被鎖存， 直到 LE 端再次有效。 當(dāng)三態(tài)門使能信號 OE 為低電平時，三態(tài)門導(dǎo)通，允許 Q0Q7 輸出，OE為高電平時，輸出懸空。當(dāng) 74LS373用作地址鎖存器時，應(yīng)使 OE 為低電 平，此時鎖存使能端 C 為高電平時，輸出 Q0Q7 狀態(tài)與輸入端 D1D7 狀態(tài)相同； 當(dāng) C 發(fā)生負(fù)的跳變時，輸入端 D0D7 數(shù)據(jù)鎖入 Q0Q7。51 單片機(jī)的 ALE 信號可 以直接與 74LS373的 C連接。

9、電路如圖 3-1所示：圖 3-12. 優(yōu)先編碼器如圖 3-2 所示;圖 3-274LS138 真值表如表 3-1輸入輸出EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001100xxxxx011010100xxxx0111011100xxx01111100100xx011111101100x01111111101000111111111110表 3-174ls148 優(yōu)先編碼器管腳功能介紹 :為 16 腳的集成芯片，電源是 VCC(16) GND(8),I0 I7 為輸入 信號， A

10、2,A1,A0 為三位二進(jìn)制編碼輸出信號， IE 是使能輸入端， OE 是使能輸出端， GS 為片優(yōu) 先編碼輸出端。使能端 OE( 芯片是否啟用 )的邏輯方程：OE =I0 I1 I2 I3 I4 I5 67 IE當(dāng) OE 輸入 IE=1 時，禁止編碼、輸出 （反碼 ）： A2,A1,A0 為全 1 。當(dāng) OE 輸入 IE=0 時，允許編碼，在 I0 I7 輸入中，輸入 I7 優(yōu)先級最高，其余依次為： I6,I5,I4,I3,I2,I0 ，I0 等級排列。 從以上的的功能表中可以得出， 74ls148 輸入端優(yōu)先級別的次序 依次為 I7，I6， ，I0 。當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級

11、別高的輸入端 沒有低電平輸入時，輸出端才輸出相應(yīng)該輸入端的代碼。例如： I5=0 且 I6=I7=1（I6 、 I7 優(yōu)先級別高于 I5） 則此時輸出代碼 010 （為（5）10=（101）2的反碼 ）這就是優(yōu)先編碼器 的工作原理。圖 3-33. 顯示電路如圖 3-4 所示：圖 3-4將 CD 4511的七段譯碼輸出端分別與數(shù)碼管的 7 個端口連接，由于 CD4511輸出端的電壓為 5V，而數(shù)碼管的前向?qū)妷簽?1.66V，這時 CD4511與數(shù)碼管連接時中間 需要加限流電阻，通過計算，我們?nèi)?R=300 。連接后的譯碼、數(shù)顯電路如圖所示：4. 報警電路要求在搶答后顯示編號的同時，揚聲器發(fā)生

12、聲響，以示搶答成功，即只有數(shù)碼管 顯示“1”、“2”、“3”、“4”時給揚聲器一個高電平使之報警，其他情況均不響。分析 CD4511的真值表可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管熄滅、顯示“ 0”時， CD4511的 c、e 端口輸出同時 為“ 0”或“ 1”，因此可以將這兩個端口作為異或門的輸入，異或門的輸出接揚聲器輸 入端。報警電路如圖 3-5 所示：圖 3-55 完整電路如圖 3-6 所示：圖 3-63.2 方案二的設(shè)計：1 譯碼、數(shù)顯電路由于需要用 LED數(shù)碼管顯示搶答的相應(yīng)編號，因此選用常見的 BCD-七段數(shù)碼管 和驅(qū)動集成電路 CD4511。其工作的邏輯真值表如表 3-1 所示：輸入輸出LEBILTDC

13、BAabcdefg顯示XX0XXXX1111111日X01XXXX0000000熄滅01100001111110001100010110001101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011110601101111110001701110001111111801110011110010901110100000000熄滅01110110000000熄滅01111000000000熄滅01111010000000熄滅01111100000000熄滅01111110000000熄滅111XXXX鎖存表 3

14、-1將 CD 4511的七段譯碼輸出端分別與數(shù)碼管的 7 個端口連接，由于 CD4511輸出 端的電壓為 5V，而數(shù)碼管的前向?qū)妷簽?1.66V，這時 CD4511與數(shù)碼管連接時中間 需要加限流電阻，通過計算，我們?nèi)?R=300。連接后的譯碼、數(shù)顯電路圖如圖 3-7 所示：圖 3-72 搶答編碼電路J1-J4 組成 1-4 路搶答器，任一搶答鍵按下都需編成 BCD碼，將高電平加到 CD4511 的 A、 B、C、 D4 個 BCD碼輸入端。分析 CD4511的邏輯真值表，要在數(shù)碼管上顯示 4 個 十進(jìn)制編號“ 1”“2”“3”“4”，所對應(yīng)輸入的 BCD碼應(yīng)為“ 0001”、“0010”、

15、“0011”、 “0100”，4 個二進(jìn)制位從左到右分別對應(yīng) CD4511的 D、C、B、A4 個編碼輸入端。顯示 “1”、“2”、“4”比較容易實現(xiàn)，只需要通過按鍵接通電源將高電平加到相應(yīng)的端口即 可。顯示“ 3”則必須在 A、B 端口加高電平，這可以通過編碼二極管來實現(xiàn)，按鍵同 時接在兩個二級管的正極，二極管的負(fù)極分別接在CD4511的 A、B 端，只要按鍵接通電源就可同時給兩個端口加高電平，以實現(xiàn)編碼。按下第幾號搶答鍵，輸入的BCD碼就是鍵的號碼并自動由 CD4511內(nèi)部電路譯碼為十進(jìn)制數(shù)在數(shù)碼管上顯示出來。四路搶 答器編碼、譯碼、數(shù)顯電路如圖 3-8 所示：圖 3-83 優(yōu)先鎖存、門控

16、電路：門控電路用來實現(xiàn)允許搶答和清零復(fù)位的功能，由一個開關(guān)K 連入電路實現(xiàn)。分析 CD4511的邏輯真值表可知，只需要給 CD4511的端口 LE 加高電平就能實現(xiàn)這一鎖存功能。功能要求在搶答的準(zhǔn)備階段，主持人按下開關(guān)K 后，數(shù)顯為“ 0”，LE端口應(yīng)為低電平，只有當(dāng)?shù)谝粋€在搶答鍵按下時，數(shù)碼管顯示相應(yīng)的編號，并且給LE一個高電平，鎖存此時的編號，觀察 CD4511的邏輯真值表發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管顯示“ 0”時與數(shù)碼管 顯示“1”、“2”、“3”、“4”時， CD4511的輸出端 e、f 有不同的特性，顯“ 0”時兩個 端口與非可以給 LE端一個低電平，顯“ 1”、“2”、“ 3”、“4”時兩個端口與

17、非可以給 LE 端一個高電平，但此電平不能直接加在 LE 端，因為如果開關(guān) K斷開， BI 為低電平，此 時數(shù)碼管熄滅，給 LE 的是高電平，將始終鎖存這個熄滅狀態(tài)。因此與非門的輸出端應(yīng) 和門控電路的開關(guān) K輸出相與加在 LE端，這樣 LE 端只有在開關(guān)接通時才有效。 四路搶答器鎖存、編碼、譯碼、數(shù)顯電路圖如圖 3-9 所示：圖 3-94 報警電路 要求在搶答后顯示編號的同時，揚聲器發(fā)生聲響，以示搶答成功，即只有數(shù)碼管 顯示“1”、“2”、“3”、“4”時給揚聲器一個高電平使之報警，其他情況均不響。分析 CD4511的真值表可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管熄滅、顯示“ 0”時， CD4511的 c、e 端口輸

18、出同時 為“ 0”或“ 1”，因此可以將這兩個端口作為異或門的輸入，異或門的輸出接揚聲器的 輸入端。報警電路如圖 3-10 所示圖 3-105 完整電路圖如圖 3-11 所示：圖 3-113.3 方案的選擇 通過以上分析我們可以看出，這兩種方案所用的元器件數(shù)量差不多，所以從價格和 焊接難易程度上說沒什么不同。但我們可以發(fā)現(xiàn)方案一的設(shè)計更巧妙，其鎖存功能 用 4511 芯片非常簡單，所以我們選擇方案一。第四章 電路測試與仿真5.1 啟動仿真電路，可觀察到按鍵 K 沒有按下時，數(shù)碼管處于熄滅狀態(tài)。5.2 將按鍵 K 按下，搶答處于開始狀態(tài)，數(shù)碼管此時顯示“ 0”。仿真如圖 4-1 所示;5.3 按

19、 J1 鍵，數(shù)碼管立即顯示“ 1”，揚聲器發(fā)出“嘟嘟”聲響，再有其他鍵按下時數(shù) 碼管未發(fā)生改變，保持“ 1”不變，說明編碼、譯碼、鎖存及數(shù)顯、聲響電路正確。仿真如圖 4-2 所示 ;圖 4-25.4 當(dāng)主持人打開按鍵 K 時，復(fù)位，數(shù)碼管熄滅。此時按任一鍵都改變不了此狀態(tài)，門 控電路正常。5.5 如此循環(huán)，按下其他鍵測試。5.6 完成測試，仿真成功第五章 四路搶答器元器件清單器材數(shù)量（個）單刀單擲開關(guān)1按鈕開關(guān)5二極管（ 1N4148）2三極管（ 9013）20.02K 電阻10.3K 電阻80.33K 電阻112K電阻15.1K 電阻1蜂鳴器（ SPEAKE）R1555 芯片（ NE555）11 微法電容10.01 微法電容1與非門（ 74LS00）1與門（ 74LS08）1異或門 (74LS86)1陰極數(shù)碼管（ 7SEG-COM-CATHO）DE1芯片底座（ 16 引腳）4芯片底座（ 8 引腳）1CD4511芯片1導(dǎo)線及焊錫絲若干第六章 焊接電路圖及元件資料6.1 各芯片引腳圖：CD4511引腳圖74LS08引腳圖74LS00引腳圖N