数字电路抢答器课程设计

数字电路课程设计

智力竞赛抢答器设计报告

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一、设计题目 .................................................................................... 1 二、设计要求与设计说明 ................................................................ 1 三、课题分析与设计说明 ................................................................ 2 四、设计思路及原理 ........................................................................ 2 五、单元设计及实现 ........................................................................ 3 1、抢答信号产生电路 ................................................................ 3 2、编码电路................................................................................. 3 3、锁存电路................................................................................. 4 4、译码电路................................................................................. 5 5、延时电路................................................................................. 6 6、振荡电路................................................................................. 7 六、总体设计及实现 ........................................................................ 9 七、调试仿真 .................................................................................. 10 八、零件表 ...................................................................................... 12 九、设计总结 .................................................................................. 13 十、参考资料 .................................................................................. 13

一、设计题目

智力竞赛抢答器

二、设计要求与设计说明

1、最多可以容纳5名选手或5个代表队参加比赛，他们的编

号分别为1、2、3、4、5，各用一个抢答按钮，其编号与参赛者的号码一一对应，此外，还有一个按钮给主持人用来清零，这些按钮（共六个）均采用自制的触摸按钮。

2、抢答器具有数据锁存功能，并将所锁存的数据用LED数码管显示出来。主持人将抢答器清零后，若有参赛者的手指触及抢答器触摸按钮，数码管立即显示出最先动作的选手的编号，同时蜂鸣器发出间歇式声响，声音持续时间约一秒钟。

3、抢答器对参赛选手动作的先后有很强的分辨能力。即使他们动作的先后只相差几毫秒，抢答器也能分辨出来。也就是说，数码管不显示后动作选手的编号，只显示先动作选手的编号并保持到主持人清零为止。

4、在各抢答按钮为常态时，主持人可用清零按钮将数码管变为零态，直至有人使用抢答按钮为止。 5、画出总体电路图并列出元器件清单。

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三、课题分析与设计说明

智力竞赛抢答器的抢答部分由抢答信号产生电路、编码电路组成，锁存和显示最先动手选手编号的功能由锁存电路、译码电路组成，延时电路在按钮按下后提供一个约一秒的电平信号，经振荡电路振荡送至蜂鸣器，使蜂鸣器产生约一秒的提示音。主持人清零功能由信号产生电路和锁存电路共同实现。

四、设计思路及原理

模块化电路：方便电路安装和调试。

将电路分为抢答信号产生电路、编码电路、锁存电路、译码

电路、延时电路、振荡电路。

抢答信号产生电路是一组自恢复按钮，提供用以编码的电平信号，编码电路实现将按钮编号编码为二进制数，锁存电路实现对编码的二进制数的锁存，以及将二进制数输入译码电路，译码电路实现将二进制数译码并显示在数码管上，延时电路在按钮按下后产生一个约一秒的电平信号，触发振荡电路，振荡电路起振，蜂鸣器产生约一秒的间断提示音。

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五、单元设计及实现

1、抢答信号产生电路

抢答信号产生电路用以产生抢答

信号。

电路图如图5.1左边，本设计中信号是以高电平有效，所以按钮都和VCC相接。前5个为抢答的按钮，第六个为清零按钮。在编码电路后面有下拉电阻。

图5.1右边为按钮的实物图。

图 5.1

2、编码电路

编码电路用以将抢答信

1k1k1k号编码为二进制数。 如图5.2，编码电路使用7个二极管进行编码。当按钮没有按下时，74LS75的

R10U22367134D0D1D2D3E0/1E2/374LS75Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q31611514101198U3:A1274LS27R11k1213D0、D1、D2被下拉电阻置0，如果按下1号按钮，则D0被置高，代表二进制

← 图5.2

20k数001。如果3号键被按下，D0、D1被置高，代表二进制数011。

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同理可以推出其他按钮。二极管具有单向导电性，如果1号按钮被按下，高电平不会沿图中红色箭头回流，所以输出只能是001。同理可以推导出该编码电路可靠可行。 使用该编码电路有以下考虑：

（1）使用二极管传输延迟比门电路小，可以减小分辨时间（二极管传输延迟≤5ns,编码器74LS148传输延迟为10ns～15ns）。 （2）用二极管替换编码器，价格便宜，线路更简洁（网上调查：一颗IN4148约0.02元，而一片74LS148约2元）。

第6个按钮用于清零，结合以下锁存电路分析。

3、锁存电路

锁存电路将二进制数锁1k1k1k存，并输入到译码电路。

如图5.3.1，锁存器使用U22367D0D1D2D3E0/1E2/374LS75Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q3161151410119874LS75。芯片13脚（E0）和4脚(E2)为高电平时不锁存（Q0 Q1 Q2 Q3=D0 D1 D2 R10134U3:A1274LS27R120k1k1213D3），为低电平时锁存。当按钮没有按下时，Q0 Q1 Q2输出低电平，三输入或非门12图5.3.1 脚输出高电平，锁存器不锁存。当按钮被按下后，则Q0 Q1 Q2至少会有一个高电平，或非门12脚输出低电平，锁存器锁存，

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后按的按钮不会再被记录。

锁存器数据传输延迟为17~30ns，锁存传输延迟为25~30ns，或非门传输延迟为3~15ns，二极管传输延时计5ns，所以能分辨的信号只要不超过80ns就能分辨出来。

图5.3.2附74LS75真值表。

图5.3.2

4、译码电路

译码电路将二进制数翻译使得可直接在数码管显示。

如图5.4.1，译码芯片选用74LS47。第3、4、5脚接高电平使能，7、1、U17126453ABCDBI/RBORBILT74LS47QAQBQCQDQEQFQG1312111091514图5.4.1 2、6脚为二进制输入端，本电路不用高位D，直接接地。 图5.4.2，为74LS47真值表。

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图5.4.2 5、延时电路 U3:A1274LS27R11213U3:C9101174LS278C347uF20kR76.6k图5.5 6

延时电路是给振荡电路提供约1秒的使能信号（低电平）。

如图5.5，主要使用电容充放电实现。没有按钮按下时，或非

门12脚输出高电平，VCC不会通过电阻R1给电容C3充电，而是通过二极管与R7分压。实践表明，此时输入到或非门9脚的电平不是有效低电平，就不能使能振荡电路。如果有按钮被按下，或非门12脚输出低电平，则VCC通过电阻R1给电容充电，或非门9脚的电平被拉低，产生有效低电平，振荡电路起振。电容充电，两端电压升高，或非门9脚的电平也逐渐升高，直到变为无效的低电平，振荡电路停止振荡。整个过程可以通过调节R1、R7、C3大小控制电路的延时时间。

当按下清零键后，或非门12脚变为高电平，电容开始放电，直到电容两端不在有放电电流。等待下一次抢答。

6、振荡电路 453DBI/RBORBILT74LS47QDQEQFQG91514R6U3:B8345674LS275.1kQ1NPNU3:C9101174LS27BUZ23.3kBUZZERR51.2kC147uFR8图5.6 振荡电路是产生一个低频振荡，使得蜂鸣器能够间歇的响。

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如图5.6，主要使用两个或非门实现。当延时电路输入无效低电平时，或非门8脚被封锁为低电平，6脚被封锁为高电平。蜂鸣器不会响。当延时电路输入有效低电平时，可能有两种状态： （1）电容C1已经充满电，那么8脚的低电平会将10、11脚置低，于是8脚输出变为高电平，6脚变为低电平，电流从8脚经电阻R5到6脚给电容充电，直到10、11脚输入为有效高电平后，8脚输出低电平，6脚输出高电平。依次循环。

（2）电容C1还没有充满电，电流就会从6脚经电容，电阻R1到8脚给电容充电。直到10、11脚出现有效低电平，就会重复（1）中所述的状态。

实践表明，6脚接R8电阻接地电路才能在得到使能信号后正常起振。

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1k1k1kU22367134D0D1D2D3E0/1E2/374LS75Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q316115141011987126453U1ABCDBI/RBORBILT74LS47QAQBQCQDQEQFQG1312111091514六、总体设计及实现

R6U3:AR101k74LS27R11212139101174LS27Q1U3:C8345NPNU3:B5.1kBUZ26C347uFR520k74LS27C13.3kR8BUZZER47uF1.2kR76.6k

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七、调试仿真

第一次调试是在安装完抢答信号产生电路、锁存器（锁存端

置1，不锁存）、译码电路，按下各按钮则数码管显示对应数字，但是不锁存。

第二次调试是安装完锁存电路，按下各按钮，显示数字并锁存，后按下的按钮不再显示，按下清零按钮，数码管显示0，直到有抢答按钮按下。

第三次调试是安装完振荡电路，对或非门9脚接地，蜂鸣器和指示灯都没有反应。调试中给6脚接入一个下拉电阻后电路开始正常工作。若对9脚置高，电路停止振荡。

第四次调试是安装完整个电路，遇到以下两个问题： （1）延时电路不能正常延时。于是断开R1调节R7使得振荡电路能够稳定振荡，然后接入R1，并调整其阻值，使得振荡电路不能起振。然后按下按钮，调整电容C3大小，使得延时大约1秒。延时电路调试完毕。

（2）电路上电显示7，并锁存，需要一次清零才正常工作。推断原因是刚上电时，虽然下拉电阻将锁存器D0、D1、D2拉低，但是信号需要一个短暂时间才能传输到输出端，所以刚上电时或非门接收到的信号为111，所以输出低电平将锁存器锁存。 解决方法：上电时稍微延时启动74LS27。设计电路如下：

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47uFR2010C20

上电时，R20首先给C20充电，当C20两端电压足够髙时才能启动74LS27，而在这个时间差，锁存器的输出端已经输出000了。自启动问题解决。

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接74LS27的14脚（VCC）

八、零件表

器件 74LS75 74LS47 74LS27 二极管 三极管 蜂鸣器 数码管 按钮 开关 电容47UF 电阻10Ω 电阻1K 电阻1.2K 电阻3.3K 电阻5.1K 电阻6.6K 电阻20K 发光二极管 数量 1 1 1 8 1 1 1 6 1 3 1 4 1 1 1 1 1 1 说明 锁存器 译码器 三输入或非门 NPN 自恢复 自锁 红色 备注 IN4148 9013 有源 共阳 12

九、设计总结

为期两周的数电课程设计过程中我们收获颇丰。在小组的共同努力下我们设计出了符合要求的电路并调试成功，且线路简洁，设计具有创新点。

我们的设计将电路分为抢答信号产生电路、编码电路、锁存电路、译码电路、振荡电路。这样模块化的设计便于连接、调试。用二极管代替编码器价格低廉、设计简洁，振荡器使用多余的两个或非门，也节约了传统的555定时器。

课设中自启动问题、延时问题和振荡问题，通过理论分析和实际尝试也轻松解决。

团队精神是整个课设过程中最重要的部分，没有一个团队的精心合作，就不会有这样理想的成功。

总之，该课设考察了我们三点：专业知识、实际动手能力和团队精神。

十、参考资料

1、《数字电子技术基础》 高等教育出版社

阎石主编

2、百度百科74LS75资料：百度百科：74LS75 3、百度文库74LS47资料：百度文库：74LS47 4、百度文库74LS27资料：百度文库：74LS27 5、以上芯片详细资料可以参见附页资料。

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