数字式抢答器的设计.doc

1、 1 数字式抢答器的设计 一、设计任务与要求 1设计一个智力竞赛抢答器，可同时供 8名选手或 8个代表队参加比赛，他们的编号分别是 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是 K1、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6、 K7、 K8。 2给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零 (编号显示数码管灭灯 )和抢答的开始。 3抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路 ，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保

2、持到主持人将系统清零为止。 4抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定 (30秒 )。当节目主持人启动 “开始 ”键后，要求定时器立即进行倒计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间 0.5秒左右。 5参赛选手在设定的时间内进行抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 6如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路 ，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示 00。 二、设计参考 数字抢答器的总体框图如图 8.34.1 所示，它由主体电路和扩展电路两部

3、分组成。主体电路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，禁止其它选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 三、设计报告要求 1.画出数字 抢答器的总体框图及完整的逻辑电路图，并说明其设计原理及工作过程。 2.说明实验中产生的故障现象及解决方法。 3.心得、体会和建议。 2 四、 总体框图 抢答按钮 优先编码电路 锁存电路 译码电路 主持人开关 控制电路 报警电路 秒脉冲电路 定时电路 译码电路 显示电路 显示电路 3 五 、 实验内容 、 各芯片的工作原理及电路图 。 (1) 74LS373锁存器 74LS373 与单刀双掷开关相连 作为 8

4、位选手的抢答 锁存 开关，它的4脚、 7脚、 8脚、 13脚、 14脚、 17脚、 18脚、 3脚分别连接单刀双掷开关 J1-J8。单刀双掷开关的 双掷 的 两个端脚 分别接 5V和 0V高低电平。 1脚 OE为 三态允许控制端（低电平有效） 。 当三态允许控制端 OE 为低电平时， 1Q8Q 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时， 1Q8Q 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 本实验中 1脚接地为低电平。 11 脚作为 锁存允许端 与 74LS76的 15脚相连， 74LS76的 15脚输出电平的高低变化控制 74LS373 的导

5、通与锁存。具体控制过程为 11 脚为高电平时 ， 整个芯片 呈“透明”状态 ，即输出端的电位 随 输入端的变化而变化；当 11 脚为低电平时，输出的信号 被锁存 ， 不再受输入端的影响 。 20脚接高电平 5V， 1脚和 10脚接地。 2脚、 5脚、 6脚、 9脚、 12脚、 15脚、 16脚、 19脚分别与 74LS148的 4脚、 3脚、 2脚、 1脚、 13脚、 12脚、 11 脚、 10脚相连。 其芯片的连接图如下： 图 1 74LS373电路连接图 接74LS148 接 74LS76的 15脚 抢答开关 4 (2) 74LS148优先译码器 74LS148优先编码器 ，作用是将 74

6、LS373输出的电信号编码。 其 4脚、 3脚、 2脚、 1脚、 13脚、 12脚、 11 脚、 10脚与 74LS 373的输出端 2脚、 5脚、 6脚、 9脚、 12脚、 15脚、 16脚、 19脚分别相连。 6脚、 7脚、 9脚分别与 CD4511的 2脚、 1脚、 7脚相连。 14脚连接 74LS76的 1脚和 6脚， 15脚接 CD4511的 4脚。 作用为74LS148不译码时， 14脚为高电平 ； 译码时， 14脚为低电平。通过两种状态电平变化产生的高低脉冲来控制 74LS76。 当 74LS148输入端全为高电平， 15脚为低电平，译码时为高电平 ，从而控制 CD4511。 5

7、脚、 8脚接地， 16脚接高电平。 74LS148的真值表 和连接电路图 如下： 74LS148真值表 输 入 输 出 Is I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A2 A1 A0 E S 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

8、0 1 0 1 5 图 2 74LS148电路连接图 (3) CD4511数码显示器驱动器 CD4511是 BCD码锁存 /7 段译码 /驱动器，利用该器件的 7段码 a、b、 c、 d、 e、 f、 g可直接驱动数码管 LED（共阴 极 ）。电路的 A、 B、C、 D为二 十进制 BCD码（ 4位）输入端， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g为7 段译码输出端。余下的引脚 LT、 BI，和 LE为控制端，其中 3 脚为灯测试端 LT，功能是 LT=1 时，不影响数码管 LED 显示； LT=0 时，笔段 ag全发 光，显示 8，以检测数码管的好坏，同时 A、 B、 C 和 D输入无效。

9、4脚为消隐控制端 BI，功能是 BI=1时，不影响数码管 LED工作， BI=0 时，其笔段码全关断（呈高阻态），数码管不显示。 5 脚LE为启动控制端，功能是 LE=0时，允许向 A、 B、 C、 D端送数， LE=1时，笔段码锁存。 根据其功能， 3 脚 接 5V 高电平 。因为其输入端为二 -十进制 BCD码 4位输入，而 74LS148为 8线 3线编码器，即输出端为 3位，因此 7脚、 1 脚、 2 脚分别接 74LS148 的 9 脚、 7 脚和 6 脚。 CD4511 的 6 脚与 74LS373 的 2 脚经 过与非门后的输出端相连，这样才能输出 7 以上的数字。 接 74LS

10、373 接 74LS76 接 CD4511 6 13脚、 12脚、 11 脚、 10脚、 9脚、 15 脚、 14脚 分别与 7脚的共阴极数码管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g相连。 其连接电路图如下： 图 3 CD4511 电路连接图 (4) 74LS76即单刀双掷开关组成复位开关 本实验中用到了两个 74LS76触发器 ， 它在电路中与一单刀双掷开关 J9 相连 构成 复位开关。 74LS76为可复位性 JK 触发器， 2脚（ A）或 7脚（ B）为置位端，当为低电平时，输出端 15脚（ A）或 11 脚（ B）输出高电平； 3脚（ A）或 8 脚（ B）为清零端 ，低电平有效。

11、 1 脚（ A）或 6 脚（ B）为 CK,下将沿有效。 74LS76的 2脚（ A）和 8脚（ B）连接一单刀双掷开关 ，开关的两个掷端分别接高低电平。开始前，开关打到高电平。 1脚和 6脚与 74LS148的 14 脚相连。 15 脚连接 74LS373 的 11 脚锁存允许端。 11 脚连接红色信号灯。 4 脚为低电平， 16 脚为高电平。 12 脚连接单稳态触发器的 3脚输出端。 9 脚与 74LS00 与非门输出端相连，其输入端都与 单稳态触发器的输出端 3脚相连。 74LS148 7 工作原理如下： 、 对 LED 数码管的复位 .。 复位 前，开关 J9 与高电平相连。 输出端

12、15脚输出高电平，它连接到 74LS373的 11 脚。因此 74LS373呈“透明”状态，即输出端的电位与输入端相同，全为高电平。所以 74LS148的输入端即也全为高电平，这样使得 74LS148的 15脚输出低电平。由于 74LS148的 15脚于 CD4511的 4 脚 BI 端相连，使得 BI 端也为低电平，所以 LED 数码显示器不显示。 有选手 抢答后，由于 74LS148开始编码，使其 14脚电平的变化，使 74LS76接收到脉冲。根据 JK 触发器输出方程 Q= JQn+KQn（ 此时 4脚为低电平， 16 脚为高电平）， 因此 15 脚输出低电平。即 74LS373 接收到

13、低电平而转变为锁存状态，从而实现了对选手数据的锁存。 当选手完成抢答后， LED 数码显示器上又被锁 存 的抢答选手的号码， （被锁存是由于 74LS148 的 14 脚电平的变化给 74LS76 的 CP 段一个脉冲，使得 74LS76的输出端 15脚为低电平，选手的号码从而被锁存）这时使用复位开关，即将开关有高电平 打到低电平在打 回高电平。由于开关与 74LS76 的 2 脚相连，所以其 15 脚输出电平变为高电平，即74LS373 的 11 脚接收到高电平，使 74LS373 再次呈现透明状态，即解除了对选手号码的锁存，也使 CD4511 的 BI 端为低电平， LED 数码显示器不再

14、显示，从而达到了对 LED 数码显示器复位的目的。 、对信号灯和警报器的复位。 I、在规定时间内抢答后的复位 （绿色信号灯亮，警报器报警） 。 在规定的时间内抢答，定时器（多谐振荡器）的输出端 3脚输出高电平。同时 74LS148 开始编码，使其 15 脚输出高电平。定时器的 3 脚和 74LS148 的 15 脚 经一与门同时与一或门和绿色信号灯连接。因此绿色信号灯亮，而该或门同时输出高电平，连接到报警器上，使报警器报警。 选手在规定时间内抢答完 毕后，绿色信号灯亮，同时警报器报警。这时使用复位开关，即将开关由 高电平打到低电平在打回高电平。74LS76 的 15 脚输出高电平，即 74LS

15、373 的 11 脚接收到高电平，使74LS373再次呈现透明状态，从而使 74LS148的输入端全为高电平，因此其 15 脚边为低电平，这使得与定时器相连接的与门输出为低电平，从而绿 色信号灯熄灭；或门 74LS32 输出低电平，警报器停止报警。这8 样就实现了在规定时间内抢答对信号灯和警报器的复位。 II、在非规定时间内抢答后的复位（红色信号灯亮，警报器报警）。 i、在记时开始前抢答犯规导致的红色信号灯亮。 在计时开始前，定时器（单稳态触发器） 3脚输出 低电平，所以 74LS76的 12脚 K 端为低电平， 9 脚 J端为高电平。此时信号灯全部熄灭。 若此时有选手先摁抢答开关，则 74L

16、S148 开始编码，其14 脚 变 为低电平，产生脉冲， 15 脚边为 高电平。从而 74LS76的 CK端 接收到脉冲，这样使得输出端 11 脚输出高电平，红色信号灯亮起，警报器报警。 ii、在记时停止后抢答犯规导致的红色信号灯亮。 在计时停止后 ，定时器（单稳态触发器） 3 脚输出又变为低电平，若此时有选手先摁抢答开关，则将重复上诉过程而导致红色信号灯亮起，警报器报警。 这时使用复位开关对红色信号灯和报警器复位。使用复位开关（将开关由高电平打到低电平在打回高电平），因与 8脚相连，这使得 JK 触发器的 11 脚输出低电平，红色信号灯熄灭，警报器同时停止报警。 74LS76及单刀双掷开关构

17、成的电路图如下： 9 图4 复位开关电路图连接到警报器定时器的输出端复位开关绿色信号灯红色信号灯74LS148的15脚10 (5)、单稳态触发器（ 定时开关 ） 由 555定时器构成的单稳态触发器 和单刀双掷开关来作为本实验的定时器装置。 555定时器个对应管脚为： GND-1 脚 TRIG-2 脚 OUT-3 脚 RST-4脚 CVOLT-5 脚 THR-6 脚 DISC-7 脚 VCC-8 脚 将单稳态触发器 2脚输入端连接一单刀双掷开关，双掷段分别接高低电平，用来提供脉冲。 计时之前，开 关在高电平端。此时单稳态触发器输出端 3脚输出低电平。计时开始后（将开关打向低电平后再打回高电平，即提供一个脉冲），触发器输出高电平 。一段时间后，触发器在自动回到初始状态，即输出低电平，从而达到定时的效果。输出高电平的时间可由电阻 R2和 C2来控制，为 T=1.1RC。 输出端的 黄色 灯泡来显示输出电平。 定时器的电路连接图如下： 图 5 定时器电路图 单稳态触发器的输出端 3 脚 黄色信号灯