智力競(jìng)賽搶答器邏輯電路設(shè)計(jì)

智力競(jìng)賽搶答器邏輯電路設(shè)計(jì)一、搶答器的簡(jiǎn)要智力競(jìng)賽是一種生動(dòng)活潑的教育形式和方法，通過(guò)搶答和必答兩種方式能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時(shí)間內(nèi)，使人們?cè)黾右恍┛茖W(xué)知識(shí)和生活知識(shí)。實(shí)際進(jìn)行智力競(jìng)賽時(shí)，一般分為假設(shè)干組，各組對(duì)主持人提出的問(wèn)題，分必答和搶答兩種。必答有時(shí)間限制，到時(shí)要告警，答復(fù)下列問(wèn)題正確與否，由主持人判別加分還是減分，成績(jī)?cè)u(píng)定結(jié)果要用電子裝置顯示。搶答時(shí)，要判定哪組優(yōu)先，并予以指示和鳴叫。二、搶答器的任務(wù)與要求設(shè)計(jì)要求：每組設(shè)置一個(gè)搶答器按鈕，供搶答者使用。電路具有第一搶答信號(hào)鑒別和鎖存功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并發(fā)出搶答指令后，假設(shè)搶答者按動(dòng)搶答開(kāi)關(guān)，那么該組指示燈亮并組別鑒別顯示電路顯示搶答者的組別，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出“嘀-嘟”的雙響，音響持續(xù)2-3S。電路具備自鎖功能，使別組的搶答器開(kāi)關(guān)不起作用。設(shè)計(jì)任務(wù)：此題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判別第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這功能可用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號(hào)后應(yīng)該將其電路的輸出封鎖，使其他組的搶答信號(hào)無(wú)效。同時(shí)還必須注意，第一搶答信號(hào)必須在主持人發(fā)出搶答命令后才有效，否那么應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)之后，LED顯示組電路顯示其組別。還可鑒別出的第一搶答信號(hào)控制一個(gè)具有兩種工作頻率交換變化的音頻振蕩器工作，使其推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出響音，表示該題搶答有效。三、設(shè)計(jì)方案用TTL或CMOS集成電路設(shè)計(jì)智力競(jìng)賽搶答器邏輯控制電路，具體要求如下：1.搶答組數(shù)為4組，輸入搶答信號(hào)的控制電路應(yīng)由無(wú)抖動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.判別選組電路。能迅速、準(zhǔn)確地判處搶答者，同時(shí)能排除其它組的干擾信號(hào)，閉鎖其它各路輸入使其它組再按開(kāi)關(guān)時(shí)失去作用，并能對(duì)搶中者有光、聲顯示和嗚叫指示。3.計(jì)數(shù)、顯示電路。每組有三位十進(jìn)制計(jì)分顯示電路，能進(jìn)行加/減計(jì)分。4.定時(shí)及音響。必答時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)燈亮，以示開(kāi)始，當(dāng)時(shí)間到要發(fā)出單音調(diào)“嘟”聲，并熄滅指示燈。搶答時(shí)，當(dāng)搶答開(kāi)始后，指示燈應(yīng)閃亮。當(dāng)有某組搶答時(shí)，指示燈滅，最先搶答一組的燈亮，并發(fā)出音響。也可以驅(qū)動(dòng)組別數(shù)字顯示〔用數(shù)碼管顯示〕。答復(fù)下列問(wèn)題的時(shí)間應(yīng)可調(diào)整，分別為10s、20s、50s、60s或稍長(zhǎng)些。4、主持人應(yīng)有復(fù)位按鈕。搶答和必答定時(shí)應(yīng)有手動(dòng)控制。搶答器電路原理框圖結(jié)構(gòu)門控多諧振蕩電路門控多諧振蕩電路聲音提示電路電源電路主持人開(kāi)關(guān)顯示電路控制電路搶答開(kāi)關(guān)組圖3.1搶答器原理框圖結(jié)構(gòu)框圖利用鎖存型D觸發(fā)器CD4042來(lái)完成的四路搶答器。如圖3-4所示，觸發(fā)器CD4042與非門CD4012等元器件組成搶答器的控制電路，Q1-Q4,LED1~LED4等元器件組成顯示電路，與非門CD4011等元器件組成聲音提示電路，SA1~SA4組成搶答按鈕，S5A復(fù)位按鈕，觸發(fā)器CD4042是電路的核心元件。當(dāng)6腳輸出高電平時(shí)，觸發(fā)器CD4042的輸出狀態(tài)由輸入的時(shí)鐘脈沖的的高的電平來(lái)決定，CP=O時(shí)鎖存數(shù)據(jù)，CP=1時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。三、各單元電路設(shè)計(jì)〔1〕控制電路的設(shè)計(jì)控制電路是由鎖存型的D觸發(fā)器CD4042和與非門CD4012等組成〔如圖3－8〕；CD4042含有四組具有共同單位控制儲(chǔ)存指揮輸入.控制極性是可以選擇的。如POL輸入為低電平電位及STORE輸入亦為低電平,送至D輸入之?dāng)?shù)據(jù)將在其個(gè)別真的及互補(bǔ)的輸出端出現(xiàn)當(dāng)STORE輸入電位升高,在此輸入之?dāng)?shù)據(jù)于正過(guò)度時(shí)即儲(chǔ)存于內(nèi)部并以真值形式出現(xiàn)Q輸出端及其互補(bǔ)出現(xiàn)于輸出端；CD4012為雙4輸入端與非門兩組正邏輯皆可單獨(dú)使用。當(dāng)任一閘之一或一個(gè)以上之輸入端電位低時(shí)，將使輸出端電位升高。如四個(gè)輸入端皆為高電平時(shí)，那么輸出端之電位降低。A系列元件會(huì)產(chǎn)生極壞之一面倒的反響?？墒褂肂系列元件，但非臨界之應(yīng)用。在沒(méi)有任何電平輸入時(shí)，CD4042的4個(gè)輸入端經(jīng)過(guò)電阻上拉為高電平，根據(jù)其功能表可知其四個(gè)Q輸出端為高電平，輸出端為低電平LED不顯示，此時(shí)與非門CD4012輸出為低電平使多諧振蕩電路停振，從而控制整個(gè)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之，當(dāng)CD4042輸入高電平時(shí)，其輸出端Q與分別輸出低電平和高電平，CD4012輸出低電平使多諧振蕩電路起振，從而控制整個(gè)電路進(jìn)行正常的工作?？刂齐娐肥钦麄€(gè)電路的核心局部，當(dāng)輸入的CP＝1時(shí)CD4042進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)輸入的CP＝0時(shí)CD4042進(jìn)行數(shù)據(jù)所存〔判別第一個(gè)搶答者的信號(hào)〕。CD4042的好壞，決定了整個(gè)電路的整體性能。、上圖是集成D鎖存器CD4042的邏輯圖和功能表。芯片中含有4個(gè)D鎖存器單元，共用一個(gè)時(shí)鐘脈沖，CP為時(shí)鐘端，POL為極性控制信號(hào)。CD4042功能見(jiàn)圖，它的功能為：當(dāng)極性控制信號(hào)POL=0時(shí)，假設(shè)CP=0觸發(fā)器接收D信號(hào)，并在CP上升沿到來(lái)時(shí)，鎖存D信號(hào)，CP=1期間自鎖D信號(hào)；當(dāng)POL=1時(shí)，那么CP=1時(shí)，觸發(fā)接收D信號(hào)，CP下降沿到來(lái)時(shí)鎖存D信號(hào)，CP=0期間自鎖。圖3-6控制電路〔2〕聲響電路的設(shè)計(jì)聲響電路用一個(gè)音頻振蕩器去推動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器(蜂鳴器)工作即可。為求電路簡(jiǎn)單,聲響電路所示一般聲響電路都由集成音樂(lè)芯片或簡(jiǎn)單的分立元件構(gòu)成。圖3-7聲響電路電路本聲響電路的設(shè)計(jì)主要采用多諧振蕩器和Q1等元件組成〔如圖3－9〕；當(dāng)CD4012在輸出低電平時(shí)多諧振蕩電路不工作；聲響提示電路處于穩(wěn)定狀態(tài)〔不工作〕。當(dāng)CD4012在輸出高電平時(shí)多諧振蕩電路起振；驅(qū)動(dòng)三極管工作從而帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。聲響提示電路處于工作狀態(tài)〕。當(dāng)有信號(hào)從振蕩電路輸出時(shí)，電流經(jīng)R15形成一電壓壓降在Q1的基極，此時(shí)Q1導(dǎo)通,電流從VCC經(jīng)蜂鳴器到地，從而蜂鳴器發(fā)聲。該裝置中，直流電源提供12V電壓，足夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，所以不需要接入74LS244驅(qū)動(dòng)。〔3〕顯示電路顯示電路一般由LED為發(fā)光二極管或數(shù)碼顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)碼顯示電路一般都需要顯示驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)比擬復(fù)雜。而LED為發(fā)光二極管主要加上適當(dāng)?shù)恼螂妷?，該管即可發(fā)光，LED內(nèi)接法有兩種：即共陽(yáng)極和共陰極接法，要使其對(duì)方的發(fā)光二極管發(fā)光，前種接法使其相應(yīng)的極為低電平，后種接法使其相應(yīng)極為高電平。半導(dǎo)體二極管的優(yōu)點(diǎn)是體積小、工作可靠、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顏色豐富、缺點(diǎn)是功耗較大。在本電路的設(shè)計(jì)中主要采用Q1-Q4和LED1～LED5等元器件組成顯示電路〔如圖3－10〕，用來(lái)顯示搶答者的組別。CD4042的端輸出低電平時(shí)LED不發(fā)光。CD4042的輸出高電平時(shí)LED發(fā)光,顯示搶答者的組別。圖3－8顯示電路〔4〕門控多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路,它在接通電源后不需要外加觸發(fā)信號(hào),電路狀態(tài)能夠自動(dòng)地不斷變換,產(chǎn)生矩形波的輸出.由于矩形波中的諧波分量很多,因此這種振蕩器冠以”多諧”二字。在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中常常使用555多諧振蕩電路、施密特振蕩電路或者由簡(jiǎn)單的門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于555多諧振蕩電路、施密特振蕩電路應(yīng)用于對(duì)于電路精度要比擬高的電路設(shè)計(jì)中。與普通的門電路相比門電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)。而在本電路的設(shè)計(jì)中門控多諧振蕩電路由CD4011門電路和R14、C1等組成。它主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)Q5使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。開(kāi)關(guān)按下與非門輸出高電平，門控多諧振蕩器起振。揚(yáng)聲器發(fā)聲。門控多諧振蕩器頻率由R14、C1來(lái)決定，振蕩器頻率約為800HZ。CD4011、CD4012的邏輯圖和實(shí)現(xiàn)的功能如下表3－1名稱邏輯圖實(shí)現(xiàn)的功能CD40114二輸入與非門〔1/4〕所有這四組正邏輯反和閘皆可單獨(dú)使用之。當(dāng)任一閘之間或兩輸入端電位低時(shí)，那么輸出端之電位升高；兩輸入端同時(shí)電位高時(shí)，輸出端之電位降低。CD4012雙4輸入與非門〔1/2〕當(dāng)任一閘之一或一個(gè)以上之輸入端電位低時(shí)，將使輸出端電位升高。如四個(gè)輸入端皆為高電平時(shí)，那么輸出端之電位降低。表3－1CD4011、CD4012的邏輯圖系統(tǒng)電路工作過(guò)程如圖〔3－3〕所示搶答器由控制電路、顯示電路和聲音提示電路3局部組成。鎖存型D觸發(fā)器CD4042、與非門IC2-1CD4042等元器件組成搶答控制電路；Q1—Q4、LED1~LED4等元器件組成顯示電路；與非門IC3CD4011等元器件組成聲音提示電路。J1A—J4A是搶答按鈕，J5A位按鈕。四位鎖存器D觸發(fā)器CD4042是整個(gè)電路的核心器件，當(dāng)POL6腳接高電平時(shí)，D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)由輸入時(shí)鐘脈沖的極性決定，即CP=1時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)，CP=0時(shí)鎖存數(shù)據(jù)。當(dāng)Q1—Q4沒(méi)有按下時(shí)，CD4042的個(gè)輸入端D1~D4經(jīng)過(guò)電阻R1~R4上拉為高電平，因此其輸出端Q1~Q4均輸出高電平，1-4輸出為低電平，Q1—Q4均截止，發(fā)光二極管LED1~LED4均不亮。此時(shí)與非門IC2-1CD4012輸出低電平，由U4A、U6ACD4011等元器件組成的門控多諧振蕩器處于停振狀態(tài)，提示音電路不工作。同時(shí)與非門U3ACD4042輸出低電平，使得U5ACD4011輸出高電平，即CP=1，D觸發(fā)器處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。假設(shè)SA1被按下，此時(shí)D1=0，Q1=0，使得U2A4042輸出為高電平，U5ACD4011為低電平，即CP=0，D觸發(fā)器轉(zhuǎn)入鎖存狀態(tài)，再按下其他按鈕，電路不再響應(yīng)。同時(shí)CD4042的1=1，VY1接通，LED1點(diǎn)亮，顯示第一路搶答。在按下S1A的同時(shí)，與非門U3A輸出高電平，門控多諧振蕩器起振，由Q5驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出提示音。門控振蕩器的振蕩頻率由R14、C1的參數(shù)決定，振蕩頻率約為800HZ。SA5是復(fù)位按鈕，按下J5A，可使與非門U5ACD4011的一個(gè)輸入端置零，其輸出變?yōu)楦唠娖剑碈P=1，電路又回到Q1~Q4=1，Q1~Q4=0的初始狀態(tài)，為下一輪搶答做好準(zhǔn)備，其他3路的工作原理與之相同?！?〕總電路仿真分析四、電路的安裝與調(diào)試數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后，一個(gè)重要的步驟是安裝調(diào)試。這一步是對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的檢驗(yàn)，也是設(shè)計(jì)修改的實(shí)踐過(guò)程，是理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)綜合應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。安裝調(diào)試的目標(biāo)是使設(shè)計(jì)電路滿足設(shè)計(jì)的功能和性能指標(biāo)，并且具有系統(tǒng)要求的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力。這里簡(jiǎn)要表達(dá)安裝調(diào)試數(shù)字電路的幾個(gè)步驟。檢測(cè)電路元件最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測(cè)方法是用儀器測(cè)量、用電路實(shí)驗(yàn)或用替代方法接入的電路中。集成電路的檢測(cè)儀器主要用集成電路測(cè)試儀，還可用數(shù)字電壓表作簡(jiǎn)易測(cè)量。實(shí)驗(yàn)電路那么模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境測(cè)試集成芯片的功能。替代法測(cè)試必須具備已有的完好工作電路，將待測(cè)元件替代原有器件后觀察工作情況。除集成電路芯片外，還應(yīng)檢測(cè)各種準(zhǔn)備接入的其他各種元件，如三極管、電阻、電容、開(kāi)關(guān)、指示燈、數(shù)碼管等。應(yīng)確信元件的功能正確、可靠才能裝入電路安裝。電路安裝數(shù)字電路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)調(diào)試中，往往是先用面包板進(jìn)行試裝，只有試裝成功，經(jīng)調(diào)試確定各種待調(diào)整的參數(shù)適宜后，才考慮設(shè)計(jì)成印制電路。試裝中，首先要選用質(zhì)量較好的面包板，使各接插點(diǎn)和接插線之間松緊適度。安裝中的問(wèn)題往往集中在接插線的可靠性上，特別需要引起注意。安裝的順序一般是按照信號(hào)流向的順序，先單元后系統(tǒng)、邊安裝邊測(cè)試的原那么進(jìn)行。先安裝調(diào)試單元電路或子系統(tǒng)，在確定各單元電路或子系統(tǒng)成功的根底上，逐步擴(kuò)大電路的規(guī)模。各單元電路的信號(hào)連接線最好有標(biāo)記，如用特別顏色的線，以便能方便斷開(kāi)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試試將安裝測(cè)試成功的各單元連接起來(lái)，加上輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題那么先對(duì)故障進(jìn)行定位，找出問(wèn)題所在的單元電路。一般采用故障現(xiàn)象估測(cè)法〔根據(jù)故障情況估計(jì)問(wèn)題所在位置〕、對(duì)分法〔將故障大致所在局部的電路對(duì)分成兩局部，逐一查找〕、比照法〔將類型相同的電路局部進(jìn)行比照或?qū)Q位置〕等。系統(tǒng)測(cè)試一般分靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試時(shí)，在各輸入端參加不同電平值，加高電平〔一般接1千歐以上電阻到電源〕、低電平〔一般接地〕后，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電路各主要點(diǎn)的電位，分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，在各輸入端接入規(guī)定的脈沖信號(hào)，用示波器觀察各點(diǎn)的波形，分析它們之間的邏輯關(guān)系和延時(shí)。除了調(diào)試電路的正常工作狀態(tài)外，另外特別要注意調(diào)試初始狀態(tài)、系統(tǒng)清零、預(yù)置等功能，檢查相應(yīng)的開(kāi)關(guān)、按鍵、撥盤是否可靠，手感是否正常。五、總結(jié)與體會(huì)1、結(jié)果分析：當(dāng)在主持人將開(kāi)關(guān)S5A清零宣布搶答開(kāi)始命令后，S1A、S2A、S3A先后將開(kāi)關(guān)閉合后后