电子抢答器设计
目录
第一章抢答器设计目的及要求 (1)
一、设计目的 (1)
二、设计要求 (1)
第二章抢答器设计原理 (2)
一、总体设计原理分析 (2)
二、单元电路的工作原理 (3)
1、抢答电路设计 (3)
2、定时电路设计 (4)
3、时序控制电路的设计 (4)
第三章器件选用及功能 (5)
一、器件说明 (5)
二、主要器件的引脚和功能表 (6)
1、74190N功能 (6)
2、触发器74LS175N (8)
3、秒脉冲发生器 (9)
4、蜂鸣器 (10)
三、倒计时及数字显示模块 (10)
1、原理 (10)
2、原器件的选择及参数 (10)
四、综合逻辑电路图 (12)
第四章仿真调试过程 (13)
一、仿真图 (13)
二、问题解决 (17)
第五章设计心得体会 (18)
第六章参考文献 (20)
第一章抢答器设计目的及要求
一、设计目的
多路抢答器在各种场合、电视台的娱乐节目中得到广泛应用。它能根据参赛选手的请求，很好地区分先后顺序并显示选手的编号。
二、设计要求
1）抢答开始时，由主持人按下复位开关清除信号，用发光二极管作为输出显示信号标志。
2）当主持人宣布“抢答开始”后，先按键者相应的发光二极管点亮；
3）有人按键被响应的同时，应有信号发出去锁住其余几个抢答者的电路，不再接收其它信号，直到主持人再次清除信号为止。当达到限定时间时，发出声响以示警告。
4）在电路中设计一个计时功能电路，要求计时电路按秒显示，最多时限为1分钟，当时间显示一旦到达59秒，下一秒系统自动取消抢答权，信号被自动清除，抢答重新开始。亦可倒计时显示。
5）至少4路信号抢答设计。
第二章抢答器设计原理
一、总体设计原理分析
抢答器系统的原理框图如图1-1所示，设计的数显抢答器通常用TTL集成电路制作，它主要由定时器、倒计时数字显示、译码器、编码器、报警电路、锁存器、秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲产生电路控制定时电路；锁存器用来锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；用二极管显示抢答器组别号码；选用集成可逆计数器74190N来完成上述功能使其他选手的按键操作无效，有人抢答后能自动闭锁其他各路输入，使其他组再按开关时失去作用。设计重点是考虑如何在第一人按下按键后封锁其他人的信号传送，本设计中采用控制D触发器时钟信号的方法实现，只要有人按下按键就会触发判断电路输出0封锁时钟信号到D触发器的通道，导致其他信号无法传送。
图2.1.1 多路抢答器系统的原理框图
二、单元电路的工作原理
多路抢答器需要实现选手的按键功能，电路应有开关输入电路，且开关应选用瞬态开关，以备下次继续抢答。
电路能显示参赛选手的编号，因此电路应能区分每个选手的输入开关信号，可选用小灯泡显示。
电路具有抢答功能，因此系统应设计封锁电路，一旦检测到有按键输入，立即将其他各路输入封锁。
电路的数码显示和语音提示可由主持人用清除按钮解除，因此系统应设计清除电路，为下一次抢答做准备。
1、抢答电路设计
工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，触发器的控制端为低电平，输出(4Q一1Q)全部为低电平，因此CLR=0，CLR为静态灭灯输入使能端，只要CLR=O，触发器各段输出全为低点平，显示器灭灯。
当主持人开关拨到“开始”位置时，触发器处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端输入信号，当CLK端接收信号从低电平变为高电平，即上升沿时，触发器工作。当有选手将键按下时(如按下J3)，74LS175的3D=1，输出3Q =1，此时第三个小灯亮。此外，3Q端为低电平，而1Q、
2Q、4Q输出均为高电平，经过或门后，输出为高电平，与信号源再次经过与
CLK 。当按键松开后，脉冲信门，此时输出信号封锁了其它按键的输入，0
号为下降沿，触发器出于保持状态，所以小灯保持亮的状态。即使有其他按键按下，信号也不会被接收，这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确,当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
2、定时电路设计
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，本文选用十进制可逆计数器74190进行设计，计数器的时钟脉冲由秒电路提供。 在此电路中，当开关闭合时，1CTEN =，由74190组成的减计数器对计数器置数，假设主持人设置59s ，则十位计数器的预制端ABCD=0101，个位计数器的预制端ABCD=1001， 即74190的输入端分别是ABCD=0101，ABCD=1001,1CTEN =， 十位计数器输出为0101A B C D Q Q Q Q =, 个位计数器输出
为1001A B C D Q Q Q Q =。显示59。开始抢答时,0CTEN =，1LOAD =，计数器开始减计数，秒信号由脉冲发生器提供。
3、时序控制电路的设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下3项功能： 1)主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。2)当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。3)当设定的抢答时间到，同时抢答电路和定时电路停止工作。
工作原理是：主持人控制开关从“清除” 位置拨到“开始” 位置时，有一低电平信号作用在LOAD 端，同时，由于电路初始化0CTEN =，74190处于正常工作状态，定时电路进行递减。当个位减到九时，1A D ?=,十位触发器时钟信号端接受到高电平，在上升沿的作用下,十位的74190触发器处于工作状态，借位减一。当选手在定时时间内按动抢答键时，相应的小灯亮，四位反向输出端经过与非门和或门后输出1，信号传到CTEN 端，在高电平信号作用下两片触发器均停止计时，保持状态不变。当定时时间到依然没有人抢答，两片触发器的输出端均为0，经过或非门的作用信号为高电平，再经过与非门，是信号变为低电平作用在LOAD ，使两个触发器重新置位，禁止选手抢答。将以上各单元电路的设计加以组合，可以得到定时抢答器的整体电路。
第三章器件选用及功能一、器件说明
表1：应用器件汇总
二、主要器件的引脚和功能表
1、74190N功能
LOAD为异步置数控制端
CTEN为计数控制端
A~D为并行数据输入端
~
Q Q为输出端
A D
U/D为加/减计数方式控制端
异步置数功能
当LOAD=0时，与CP无关，与并行输入数据A~D被置入。
Q Q Q Q=ABCD。
A B C D
计数功能
取CTEN=0,LOAD=1时。当U/D=0时，对应CP脉冲上升沿，十进制加法计数。当U/D=0时，对应CP脉冲上升沿，十进制减法计数。
保持功能
当CTEN=1,LOAD=1时，计数器保持原来的状态不变。
图3.2.1 74190引脚图
表2:74190真值表
图3.2.2 74190N内部结构
2、触发器74LS175N
图3.2.3 74LS175N引脚图
选用74LS175N是由于通过控制脉冲而实现优先锁存功能，D触发器的特点：当出现上升沿脉冲时，输入和输出同步。无上升沿脉冲，触发器保持原来的状态。
3、秒脉冲发生器
图3.2.4 脉冲电路
图3.2.5 波形图
秒脉冲信号发生器能产生快读、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。
4、蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算蜂机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中做发生器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示。
蜂鸣器的结构原理：压电式蜂鸣器主要由多谢振荡器、压电式蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上海装有发光二级管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
三、倒计时及数字显示模块
1、原理
通过单时钟同步十进制减数器74LS190(2片)来实现60s的。
2、原器件的选择及参数
计数器选用集成电路74LS190进行设计较简便。
74LS190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。74LS190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。译码器采用74LS48（2片）、倒计时显示采用BCD 译码器作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。
现选用两个74LS190芯片级联成一个从60倒计到00的计数器，即其中作为个位数的74LS190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数74LS190芯片
输出端的QA、QD做与后与十位数的74LS190芯片的CLK连起来。当个位数减到0时，再减1就会变成9， 0（0000）到9（1001）之间QA、QD与后的输出由0变为1,十位数的74LS190芯片实现减一。
LOAD引脚的输入信号由个位数74190芯片的QA、QB、QC和QD引脚与十位数74190芯片的QA、QB、QC和QD用4输入或非门，再经过与非门连起来。工作开始时，LD为0，计数器预置数60，置完数后，LD变为1，计数器开始倒计时。当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数60，之后又倒计时，如此循环下去。具体接法如图3.3.1：
图3.3.1 倒记时及数字显示电路
四、综合逻辑电路图
图3.4.1 综合逻辑电路图
第四章仿真调试过程
一、仿真图
按照上述电路图进行连接线路并在Multisim上进行仿真，演示结果如以下各图所示：
图4.1.1 主持人按下复位开关清除信号
图4.1.2 主持人按下复位开关清除信号，无信号允许
图4.1.3 持人宣布“抢答开始”，倒记时开始
图4.1.4 持人宣布“抢答开始”，显示信号标志
图4.1.5 3号选手抢答成功，不再接收其它信号
图4.1.6 时间到，下一秒抢答重新开始
图4.1.7 总电路图仿真
二、问题解决
在软件调试过程中，我遇到以下几个问题：
在调试时蜂鸣器工作异常，蜂鸣器时响时不响，通过对频率，工作电压和接地方式的调整，检测出原工作电压大于高电平电压导致蜂鸣器不能正常工作，另外频率的设定也很重要，不同的频率声响不同；最终确定了1000HZ，2V工作电压来驱动蜂鸣器。
在调试时数码管时，仿真不能正常显示数字，经检测把问题锁定在上拉电阻的阻值上，经过几次调试，把电阻设定为240 ?。使数码管能够正常显示数字。
有人抢答，但是显示器仍然循环走。利用74LS175的非门输出信号，将四个输出信号两个两个结合，经过与非门后，再用或门引入CTEN端，如果有人抢答，就会将高电平信号输入CTEN端，使74190处于保持的状态，输出信号不变，进而显示器显示计数保持不变，起到了控制作用。
在倒计时电路中，电路开始运行后，显示器显示的计数保持不变，即74190只置数，并不减计数。经过检测后，认为触发脉冲的触发频率有问题。通过调试，确认为1MHZ，电路正常工作。
第五章设计心得体会
在此次为期三周的课程设计中我遇到了很多的问题，（有自身基础知识不扎实，原理掌握得不够）主要由以下几个方面：起初面对整个设计一点思路都没有不知如何下手，总觉得整个设计很庞大。后来经过老师的指导和同学间相互交流，渐渐觉得这个设计并不像想象的那么困难，于是有了一定信心的我开始琢磨如何进行设计。
首先是选题，选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选题时一定要考虑好了。然后是找资料了，查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。最后就应该动手实现了，其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。
通过这次设计，使我感受最深的是数字电路设计需要的不仅是扎实的知识功底和严谨的科学态度，更要有坚韧不拔的毅力和勇于探索的勇气。只有对所有的器件（譬如芯片）有了深入的了解之后才能选择正确的器件设计电路。在此次设计过程中由于我们频繁使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图方面有了进一步的提高。好的电路不仅要求正确，而且要是最简单的，这里说的最简单不是每个器件最简单，如果那样我们不必选择器件了，只需使用门电路就可以了。我们要的是对整个电路来讲是最简单的，尽量在功能齐全的情况下减少元器件的数量。
通过这次四路抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。三周的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐性和坚持下去的毅
力。在整个电路的安装调试的过程中，花费时间最多的是各个元件电路的连接，电路的细节设计以及连完线路后的检查工作上，其中在连接电路是出现问题比较多，例如在有人抢答问题是数字显示板不停时，通过老师的指导和讲解下我门有了更深刻的认识，同时对元件的原理的功能了解的更多更深刻。在这次过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当的烦琐，有时花很长时间检查电路故障，分析原因，那时心中就有点灰心，有时还特别想放弃，此时更需要静下心来，仔细的查找原因，在对待问题上要做到态度端正，对像数电这样逻辑性强的学科，每个环节都要弄得清清楚楚，有一点漏洞都不能出结果。
虽然本次设计由于我没有完整的操作和实践过程，所以很难对自己的设计进行全面的评估，因此也就不能在发现问题时要根据现象判断问题出在哪，然后去找原因，再去寻求解决的方法，但在同学的讨论和老师的指正下找到了解决的线索，是我能更好的理解和使用，在此我要感谢所有给予我关心帮助的老师和同学，希望以后有更多的机会来锻炼自己的综合素质，为以后的学习、生活打下良好的基础，在这次课设中也暴露了自己的一些缺点，基础知识不够扎实，我会在以后的日子里加以改正，来提高自己综合能力。
姓名：解雪
学号：0901041806