课程设计说明书新

数字电子八路抢答器

一、功能要求

1、设计制作一个同时供8名选手比赛的数字式枪答器，分别用8个按钮[0]~ [7]表示，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。

2、设置一个用来控制系统的清零和抢答开始的控制开关，该开关由主持人控制。

3、抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

4、参赛选手在设定的时间内进行抢答，若抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

二、设计步骤与要求

1、拟定电路的组成框图，要求能实现所有功能，使用的元器件少，成本低。

2、设计并安装电路，要求布线整齐、美观，便于级联和调试。

3、测试所设计抢答器的逻辑功能，满足各项功能要求。

4、画出整机逻辑电路图。

5、写出设计报告。

目录

引言 -----------------------------------------2 第1章原理分析---------------------------------------３

1.1定时抢答器的总体框图 ----------------------------３

1.2方案选择及论证 ----------------------------------４第2章单元电路的设计---------------------------------５

2.1抢答电路的设计 -----------------------------------５

2.2定时电路的设 ----------------------------------- 6

2.3时序控制电路的设计 -------------------------------７

2.4总电路图 -------------------------------------８第3章元器件的介绍 --------------------------------9第4章安装与调试 -----------------------------------13 第5章所用元器件列表 --------------------------------14 第6章总结 ---------------------------------------15 参考文献 --------------------------------------------16附录 --------------------------------------------16

引言

21世纪，是一个信息飞速发展的时代，智力竞赛是一种形式洗脚活泼的教育方式，是人们休闲娱乐生活的一部分。这些竞赛不仅充实了人们的生活，同时也激发了人们努力汲取相关领域的知识的兴趣。

抢答是各种竞赛常用的一种形式，为了避免认为的错误，因而有了抢答器，因此抢答器就扮演了一个至关重要的角色。抢答器是一种广泛应用于企业事业单位和商业部门，为各种知识竞赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用电子设备，也是一种逐渐成型的电子产品，但市面上所受抢答器价格一般比较贵且多为小规模集成电路构成，其性能单一，工作起来不够理想。因此，提高抢答器的性能，使其具有更强的功能、使用可靠方便，已成为强大气的一个发展方向。

本次课设要求使用EWB软件仿真设计一个抢答器。在当今电子设计领域，EWB设计和方针是一个十分重要的设计环节。在众多的仿真软件中，EWB以其强大的仿真设计应用功能在各高校得到了广泛应用，它对提高学生的仿真设计能力，更新设计理论有较大的好处。

EWB最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是EWB的一大特色。EWB包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，逻辑分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的，这些仪器的使用仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。

第1章原理分析

1．1定时抢答器的总体框图

定时抢答器的总体框图如图1所示。它主要由主体电路和扩展电路两部分组成。主体部分完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号。同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时的抢答功能。

图 1 定时抢答器的总体框图

图1所示定时抢器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定的时间，当主持持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，输入电路被封锁，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成下面几个工作：

1.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后有译码显示电路显示编号；

2.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；

3.控制电路要使定时器停止工作，时间器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止，以便进行下一轮抢答。

1.2方案选择

方案一

采用74LS148优先编码器分辨选手抢答的先后，并通过RS锁存器锁存抢答者的编号，再经过74LS47芯片译码驱动共阴极数码管显示。数码管通常有发光二极管（ LED ）数码管和液晶（ LCD ）数码管。本设计提供的为 LED 数码管，如图所示。它显示最先抢答者的相应的代号，方便主持人宣布最先抢答者。

LED显示器

方案二

采用74148作为编码电路的核心元件，当有选手抢答时输出四位相应的8421BCD码即可同时供16位选手抢答。经7447七段译码器译码后驱动共阴极数码管显示，同时利用RS锁存器组成一个多谐振荡器，作为十进制计数器74160的CP脉冲使其计数并完成自动锁存的功能。

结论：与方案二相比，使用的芯片少、电路简单且同样能实现其功能，故选用方案一。

第2章单元电路的设计

2．1抢答电路的设计

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。这里选用优先编码器74LS148和RS 锁存器完成上述功能，其电路图如图2所示。

图2 抢答电路

其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待状态，等待输入端I7~~I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S4）,74LS148的输出Y2Y1Y0=011，YEX=0，经RS 锁存器后，CTR=1，BI=1，锁存器处于工作状态，经74LS47译码后，显示器显示出“4”，此

外，CTR=1，使74LS148ST端为高电平，74LS148处于禁止工作的状态，封锁的其他按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被接受，这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，有主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，进行下一轮的抢答

2．2.定时电路的设计

节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟有秒脉冲电路提供。计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。

计数器的种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分有：同步计数器和异步计数器；根据计数进制的不同分为：二进制、十进制和任意进制计数器；根据计数的增减趋势分为：加法、减法和可逆计数器；还有可预置数和可编程功能计数器等。目前，TTL和CMOS集成计数器都有较齐全的品种。使用者只需借助于器件手册提供的功能表和引脚排列图，就能正确地运用这些器件。

74LS160具有下述功能：

①步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000

②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0

③保持： CR=0，LD=1，CP U=CP D=1,Q3Q2Q1Q0保持原态

④加计数：CR=0, LD=1，CP U=CP，CP D=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数

⑤减计数：CR=0, LD=1，CP U=1，CP D= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规矩。

利用集成计数器芯片可方便地构成任意（N）进制计数器。

原理及设计：该部分主要由秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS160加法计数电路、74LS47译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图4所示。两块74LS160实现加法计数，通过译码电路74LS47显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74160的预置数控制端实现预置数。对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当

有人抢答时，停止计数并显示此时的计时时间；如果没有人抢答，且计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

2．3时序控制电路的设计

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。

②当在规定时间内有选手抢答，此时要求抢答器停止工作并封锁输入，并显示抢答时间，即停止计数，此时用抢答电路中的1Q输出信号通过定时电路的控制电路控制CPD时钟信号的输入。

③规定时间到，抢答部分无效，74LS148封锁输入，这里用锁存的BO低电平信号通过抢答电路的控制电路控制74LS148的ST端，使ST=1；同时定时电路停止计数并显示数字0。根据图2与定时器的功能要求，下面是具体的控制电路部分：

图5 定时和抢答电路的时序控制电路

其工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自抢答电路中RS锁存器的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从输出端来的时钟信号CP能加到74HC390的CP0时钟输入端，定时电路进行加法计时。同时，在定时时间未到时，则W=1，门G2的输出=0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢

答键时，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0，经图5锁存W =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持0状态不变，实现了功能③。

2.4 整机电路图

图6

第3章元器件的介绍

该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图和部分功能介绍：

74LS279RS锁存器

当R=1，S=0时，输出为；当R=1，S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。

表174LS279 锁存器功能表

74148优先编码器

下图为74LS148的功能介绍，ST为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。其功能真值表如下

说明编码器74148的输入信号EI和输出信号GS.EO的作用：EI:Enable Input输入使能信

号. 低电平有效；EO:Enable Output输出使能信号. 低电平有效。74LS148有8个外部中断源输入端 IRQ0-IRQ7,IRQ7的优先权最高,3个编码端A2-A0,一个编码群输出端GS,一个使能端/EI.当/EI为低电平时,只要任意一个输入端中有一个输入为低电平,GS端输出就为低,且在A2-A0输出一组相应的编码,当有多个输入端同时输入为低时,A2-A0输出优先权最高的中断源对应的编码,当IRQ7-IRQ0分别有中断请示时输出的编码分别为000,001,010,011,100,101,110和111.

74LS47译码器

图7 74LS47译码器管脚分布图和真值表（如下）

1、当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平。若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。

2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，所有段的输出端都关死。

3、当动态灭灯输入（RBI）和输入端A、B、C、D 都处于低电平而试灯输入(LT)为高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。

4、当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试灯输入(LT)时，所有段的输出端都得打开。

* BI/RBO 是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。

原理说明：

开关S置于"清零"端时，RS触发器的输入端R均为0，4个触发器输出置0，使74LS279中BI/RBO ＝0，A3A2A1A0=0000,使之处于锁存状态。74LS279不工作，输出全为0。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下5），74LS148的输出经RS 锁存后，1Q=1,Y S=1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,即74LS279输入端A3A2A1A0=0101，经74LS279后输出YgYfYeYdYcYbYa=1101101,经译码显示为"5"。

74LS160

为十进制同步加计数器，其功能真值表和逻辑功能如下图所示：

74160，是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。具体功能如下：

1.异步清零功能

只要（CR的非）有效电平到来，无论有无CP脉冲，输出为“0”。在图形符号中，CR 的非的信号为CT=0，若接成七进制计数器，这里要特别注意，控制清零端的信号不是N-1（6），而是N（7）状态。其实，很容易解释，由于异步清零端信号一旦出现就立即生效，如刚出现0111，就立即送到（CR的非）端，使状态变为0000。所以，清零信号是非常短暂的，仅是过度状态，不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。

2.同步置数功能

当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0～D3的数据被置入计数器并呈现在Q0～Q3端。若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0～D3置入0000，则在Q0～Q3端呈现的数据就是0110。

第4章安装与调试

本设计先采用分块调试法，再使用整机调试法。按照功能，本电路可分为3个模块，按照信号流向，依次为：脉冲发生器、预置定时电路、抢答电路。时序电路则贯穿整个方案。由于单元电路是分别由个人负责完成的，所以首先进行各个模块的调试。

1.调试准备—检查电路

在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。

2.通电观察

一定要调试好电源值为5V，才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。

3.静态调试

脉冲发生电路加入前，先用万用表测量电路有关点电位是否正常。用高低电平开关控制检测抢答电路和预置定时电路输入和输出的高低电平和逻辑关系。检查发光二极管是否正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，直到符合逻辑关系为止

4.动态调试

检测脉冲发生电路，用示波器观察输出波形，记录波形的间隔和周期。调整参数值，使之与实验要求相吻合。确保各部分能够达到设计要求，为进一步调试奠定基础。

5.整机调试

整机调试实际是分块调试的一部分，主要检查时序电路是否能正常工作。将各部分电路连接起来，时序电路的各个输入端与相应模块的输出端相连。注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作，预置定时电路的输入端输入预置时间，超过预置时间后看报警电路能否正常工作。在抢答电路中按下按钮，再按下另一按钮，看总体电路的工作情况。观察发光二极管是否按要求进行亮暗变化。如不能顺利完成以上功能，则应认真检查时序逻辑电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。

第5章元器件列表

第6章总结

一、改进点与建议

（1）我所做的是8路抢答器，与要求所不同的是我还用了SR锁存器，抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按抢答按钮，编号立即锁存，并在数码管上显示出选手的编号（0～7），同时禁止其他选手抢答。

（2）本次课设我所用的主要是74系列芯片来完成的，在仿真的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便，若误连了一根线就会造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。

二、结束语（经过这次的课程设计让我受益匪浅！）

其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。

其二，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。该多画就多画些，比如，那些PCB板的制作就应该多画些。以便能增加你对该软件的熟练度。用起来称心如意，这样就不会浪费时间。再如，在焊接导线时，应区别不同类型的导线用不同类型的焊接方法及焊接的先与后顺序。如果你不懂那些，你就会出现很大笑话。

其三，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题，应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。在实验时应保持冷静，测试有条理。遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。

通过一段时间的抢答器的设计，增长了许多的知识，知道了做好一件事是并不是想象中那么简单，不是知道了书本中老师教的东西就可以做好。在这一个学期里，把在数电课本中学到的知识都融进了抢答器的设计中，让零散的东西变成了一个有机的整体。我了解了实际动手操作和理论相结合的重要性,在老师的耐心指导和同学的共同研究,以及自己的认真努力下,最终得到圆满。希望以后会有更多的动手机会，得到更多的锻炼。

附参考文献

[1].《数字电子技术》杨志忠主编；高等教育出版社。

[2].《PROTEL99SE原理图与PCB及仿真》清源计算机工作室编；机械工业出版社。

[3].《电工电子实训教程》熊辛明主编；清华大学出版社。

[4].《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编；第三版，华中科技大学出版社

附录：

EWB仿真图

本次课设我所设计的有缘低通滤波其为2个2阶低通滤波电路级联成的四阶低通滤波电路。它由四个RC环节和两个同相比例放大电路构成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。通过验证测试

测试和参数计算，当f《55khz时电路有信号输出。该电路只允许55khz以下的信号通过，符合低通电路特性。

图1 f<55khz时的信号输入、输出波形

图2 f>55khz时的信号输入、输出波形

本次课设我所设计的带通有源滤波电路也是四阶的，经过仿真设计和参数验证之后，该电路只允许138hz~99khz这一频率段得信号通过，符合带通滤波电路特性。

图1 138hz

图2 f>99khz或f<138hz时的信号输入、输出波形