期末數(shù)電課程設(shè)計(jì)四路智力競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)

1、數(shù)字邏輯期末課程設(shè)計(jì)四路智力競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)算機(jī) 0791 學(xué)號(hào)： 12 日期 2009.6.12 指導(dǎo)老師 姓名： 陸超 成績(jī)多路智能搶答器設(shè)計(jì)前言關(guān)于這次設(shè)計(jì)的用于多人競(jìng)賽搶答的器件，在現(xiàn)實(shí)生活中很常見(jiàn)，尤其是在隨著各種智益電視節(jié)目的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的競(jìng)賽搶答器被用在了其中，這種搶答器的好處是不僅能夠鍛煉參賽選手的反應(yīng)能力，而且能增加節(jié)目現(xiàn)場(chǎng)的緊張、活躍氣氛，讓觀眾看得更有情趣?？梢?jiàn)搶答器在現(xiàn)實(shí)生活中確實(shí)很實(shí)用，運(yùn)用前景非常廣泛。在知識(shí)競(jìng)賽中，特別是做搶答題時(shí)，在搶答過(guò)程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要有一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。如果在搶答中，只靠人的視覺(jué)是很難判

2、斷出哪組先答題。這次設(shè)計(jì)就是用幾個(gè)觸發(fā)器以及三極管巧妙的設(shè)計(jì)搶答器，使以上問(wèn)題得以解決，即使兩組的搶答時(shí)間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本文主要介紹了搶答器的工作原理及設(shè)計(jì)，以及它的實(shí)際用途。 目錄1 前言.22 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求.33 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（設(shè)計(jì)方案的比較和選定）.44 電路工作原理(設(shè)計(jì)思路) .65 元電路設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及元器件選擇.106 完整電路圖.177 系統(tǒng)需要的元器件清單.188 總結(jié)與體會(huì).189 參考文獻(xiàn).18一 . 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求該電路的根本任務(wù)時(shí)準(zhǔn)確的判斷出第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。在得到第一信號(hào)后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即

3、使其他組再次發(fā)出搶答信號(hào)也無(wú)效。同時(shí)還必須注意，第一搶答信號(hào)應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二級(jí)管直接指示出組別。 1 . 基本功能(1)搶答器同時(shí)供4名選手或4個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用4個(gè)按鈕S0 S3表示。(2)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開(kāi)關(guān)S，該開(kāi)關(guān)由主持人控制。用來(lái)控制系統(tǒng)清零（編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開(kāi)始。(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即搶答開(kāi)始后，選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在編號(hào)顯示器上顯示該編號(hào)。同時(shí)封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止

4、。 2擴(kuò)展功能（選做）(1)搶答器具有定時(shí)搶答功能。要求定時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，并用定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。(2)參賽選手在設(shè)定時(shí)間（9秒，30）內(nèi)搶答，搶答有效，同時(shí)定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)，編號(hào)顯示器上顯示選手的編號(hào)，定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。(3)如果定時(shí)搶答時(shí)間已到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，本次搶答無(wú)效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報(bào)警（音響持續(xù)0.5秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器顯示0。 3 . 搶答器的組成框圖定時(shí)搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開(kāi)始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)

5、能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。圖1所示的定時(shí)搶答器的工作過(guò)程是：接通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開(kāi)關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說(shuō)一聲“搶答開(kāi)始”，同時(shí)將控制開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”位置，揚(yáng)聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，搶答器要完成以下四項(xiàng)工作： 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號(hào)； 揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人

6、注意； 控制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答； 控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余的搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問(wèn)題回答完畢，主持人操作控制開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。圖1 定時(shí)搶答器總體框圖4 本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在所提供的元器件范圍內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)4人搶答器，其功能要求如下：（1）能判別輸入量的優(yōu)先權(quán)；（2）具有鎖存優(yōu)先判別功能；（3）主持人開(kāi)關(guān)可以恢復(fù)下一輪搶答；（4）具有數(shù)字顯示和聲音提示。5 . 實(shí)驗(yàn)室可將數(shù)字顯示和輸入開(kāi)關(guān)電路板提供給學(xué)生，同學(xué)們只需將其與自己所設(shè)計(jì)并已接好的電路聯(lián)接在一起即可。二 . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

7、（設(shè)計(jì)方案的比較和選定）2.1 方案比較：以下設(shè)計(jì)的是智力搶答器的方案流程圖：秒脈沖計(jì)時(shí)控制顯示搶答控制器聲光提示倒計(jì)時(shí)顯示主持人控制計(jì)分器 圖2.1 方案一流程圖 搶答器主要是由四個(gè)三極管、和四個(gè)D觸發(fā)器以及四個(gè)或非門(mén)構(gòu)成，其中三極管是與主持人一起配合使用，用來(lái)控制是否開(kāi)始搶答，當(dāng)主持人將開(kāi)關(guān)接地時(shí)，三極管截至，此時(shí)三極管可以當(dāng)作一個(gè)二極管使用當(dāng)有選手搶答時(shí)就通過(guò)三極管將信號(hào)傳送給D觸發(fā)器，D觸發(fā)器在將信號(hào)傳送給或非門(mén)并將其他選手鎖存，同時(shí)將信號(hào)送給發(fā)光二極管與喇叭。其工作原理是當(dāng)主持人按下?lián)尨痖_(kāi)關(guān)時(shí)，選手能進(jìn)行搶答。當(dāng)有選手搶時(shí)，搶答信號(hào)就通過(guò)三極管傳入D觸發(fā)器，并且最先收到搶答信息的D觸

8、發(fā)器送出一個(gè)反饋信號(hào)將其余三位選手的信號(hào)封鎖。當(dāng)選手回答完畢問(wèn)題時(shí)，主持人啟動(dòng)計(jì)分器，并且給該選手加上或減去分?jǐn)?shù)。計(jì)分器通過(guò)譯碼器將信號(hào)傳送給一數(shù)碼管顯示出來(lái)。選手搶答按鍵主持人控制搶答控制器定時(shí)器倒計(jì)時(shí)器聲光提示顯示時(shí)間圖2.2 方案二流程圖方案二的搶答器則主要是由四個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)74LS48以及一個(gè)優(yōu)先編碼器74LS148構(gòu)成，其中四個(gè)RS觸發(fā)器的輸出接74LS48，74LS48在接數(shù)碼管，R端接5V電源其如圖RSQQRSRSQRSQ5v.主持人.10kR圖2.3 RS觸發(fā)器S端接74LS48連接選手的輸入信號(hào)，當(dāng)主持人將開(kāi)關(guān)接通時(shí)，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端也全部為低電，選手不

9、能搶答。當(dāng)斷開(kāi)時(shí)，RS觸發(fā)器處于工作狀態(tài)中，當(dāng)有選手搶答時(shí)，信號(hào)輸入S端，并且鎖定其他選手。方案論證及選擇通過(guò)以上兩種方案的比較可知，方案一的設(shè)計(jì)是每當(dāng)有選手搶答成功時(shí)，都會(huì)有聲光伴隨，而且是具體到每一位，給人直觀的感覺(jué)。方案二的設(shè)計(jì)則是用一個(gè)數(shù)碼顯示器顯示搶答成功者的號(hào)碼，與第一個(gè)相比顯得不能讓人一下就反映過(guò)來(lái)誰(shuí)是搶答成功者；另外方案一更加的簡(jiǎn)潔、易行，而且使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件比如：555，74LS148以及開(kāi)關(guān) 二極管 電容 電的電路與方案二比較顯得更簡(jiǎn)單、明了。這樣就是就選擇第一種方案。三 . 電路工作原理(設(shè)計(jì)思路) 1、搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分

10、辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無(wú)效。選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能。查看優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279的功能表和引腳圖等使用資料。也可以選用其他的器件完成此功能。工作過(guò)程：開(kāi)關(guān)S置于"清除"端時(shí)，RS觸發(fā)器的 端均為，個(gè)觸發(fā)器輸出置，使74LS148的 ，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于"開(kāi)始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q=1, =1,74LS48處于工作狀態(tài)，QQQ

11、=101,經(jīng)譯碼顯示為""。此外，1，使74LS148 ，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開(kāi)即按下時(shí)，74LS148的 此時(shí)由于仍為，使 ，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將開(kāi)關(guān)重新置"清除"然后再進(jìn)行下一輪搶答。表、74LS148的功能真值表2、定時(shí)電路設(shè)計(jì)節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)間，通過(guò)預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，可以選用十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LSl92進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。器構(gòu)成圖如下：四 . 單元電路設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)

12、算及元器件選擇1 . 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面我就給大家介紹一下這個(gè)元件的一些參數(shù)與應(yīng)用技術(shù)等資料。2 . 74LS279中文資料.:54/74279四/R-/S 鎖存器簡(jiǎn)要說(shuō)明:279為四個(gè)/R-/S 鎖存器，共有 54/74279 和 54/74LS279 兩種線路結(jié)構(gòu)型式,其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):型號(hào) tPD PD54279/74279 12ns 90mW54LS279/74LS279 12ns 19mW四個(gè)鎖存器中有 2 個(gè)具有 2 個(gè)置位端（/SA,/SB）。當(dāng)/S 為低電平，/R

13、 為高電平時(shí)，輸出端 Q 為高電平。當(dāng)/S 為高電平，/R為低電平時(shí)，Q 為低電平。當(dāng)/S 和/R 均為高電平時(shí)，Q 被鎖存在已建立的電平。當(dāng)/S 和/R 均為低電平時(shí)，Q 為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。對(duì)/SA和/SB，/S的低電平表示/SA和/SB只要有一個(gè)為低電平，/S的高電平表示/SA和/SB均為高電平。引出端符號(hào)：1Q4Q 輸出端/1S/4S 置位端（低電平有效）/1R/4R 復(fù)位端（低電平有效）外部管腿圖：邏輯圖：真值表：3 . 74LS148 在優(yōu)先編碼器電路中，允許同時(shí)輸入兩個(gè)以上編碼信號(hào)。不過(guò)在設(shè)計(jì)優(yōu)先編碼器時(shí)，已經(jīng)將所有的輸入信號(hào)按優(yōu)先順序排了隊(duì)。在同時(shí)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上輸入信號(hào)時(shí)

14、，優(yōu)先編碼器只按優(yōu)先級(jí)高的輸入信號(hào)編碼，優(yōu)先級(jí)低的信號(hào)則不起作用。74148是一個(gè)八線-三線優(yōu)先級(jí)編碼器。如圖所示的是八線-三線編碼器74148的慣用符號(hào)及管腳圖引腳圖。74148優(yōu)先編碼器為16腳的集成芯片，除電源腳VCC(16)和GND(8)外，其余輸入、輸出腳的作用和腳號(hào)如圖中所標(biāo)。其中I0I7為輸入信號(hào)，A2,A1,A0為三位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)，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。由74148真值表可列輸出邏輯方程為：A2 = (I4+I5+I6+I7)IEA1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7)·IEA0 = (I1I2I4I6+I3I4I

15、6+I5I6+I7)·IE使能輸出端OE的邏輯方程為： OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE 當(dāng)使能輸入IE=1時(shí)，禁止編碼、輸出(反碼)： A2,A1,A0為全1。(如表第一行所示。)當(dāng)使能輸入IE=0時(shí)，允許編碼，在I0I7輸入中，輸入I7優(yōu)先級(jí)最高，其余依次為：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等級(jí)排列。OE為使能輸出端，它只在允許編碼(IE=0)， 而本片又沒(méi)有編碼輸入時(shí)為0。如表中第二行所示)。擴(kuò)展片優(yōu)先編碼輸出端GS的邏輯方程為： GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+

16、I6+I7)·IE GS為片優(yōu)先編碼輸出端，它在允許編碼(IE=0)，且有編碼輸入信號(hào)時(shí)為0(如表中第三至第十行)；若允許編碼而無(wú)編碼輸入信號(hào)時(shí)為1(如表5.1.2第二行)；在不允許編碼(IE=1)時(shí)，它也為1(如表5.1.2第一行)。GS = 0表示“電路工作，而且有編碼輸入”74148優(yōu)先編碼器真值表用兩片74148優(yōu)先編碼器擴(kuò)展為十六線-四線優(yōu)先編碼器的連線圖4 . 十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS192引腳圖管腳及功能表74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：圖5-4 74LS192的引腳排列及邏輯符號(hào) （a）引腳

17、排列 (b) 邏輯符號(hào)圖中：為置數(shù)端，為加計(jì)數(shù)端，為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如下： 輸入 輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1×××××××0000 0 0××dcbadcba 0 1 1×××× 加計(jì)數(shù) 0 1 1×××× 減計(jì)數(shù) 74LS192的功能表5 . 555定時(shí)器 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)

18、化原理圖如下，它由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT以及緩沖器G 組成。定時(shí)器的主要功能取決于比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJT T的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Vo為低電平。因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。圖3.4 555結(jié)構(gòu)原理圖由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。當(dāng)VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端Vo為低電平。當(dāng)VI1&l

19、t;2/3Vcc，VI2<1/3Vcc時(shí)，比較器C1輸出高電平,比較器C2輸出輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管截止，輸出端Vo為高電平。當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，基本RS觸發(fā)器R=1、S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路以保持原狀態(tài)不變。表3.2 555功能表輸入輸出閥值輸入（VI1）R出發(fā)輸入（VI2）S復(fù)位（Rd）輸出（Vo ）放電管T××00導(dǎo)通<2/3Vcc1<1/3Vcc011截止>2/3Vcc0>1/3Vcc110導(dǎo)通<2/3Vcc1>1/3Vcc11不變不變五 . 完整電路圖六 . 系統(tǒng)需要