智力竞赛抢答器逻辑电路设计

智力竞赛抢答器逻辑电路设计之杨若古兰创作

一、抢答器的简要

智力竞赛是一种生动活泼的教育方式和方法，通过抢答和必答两种方式能惹起参赛者和观众的极大爱好，而且能在极短的时间内，使人们添加一些科学常识和生活常识.

实际进行智力竞赛时，普通分为若干组，各组对掌管人提出的成绩，分必答和抢答两种.必答有时间限制，到时要告警，回答成绩精确与否，由掌管人判别加分还是减分，成绩评定结果要用电子安装显示.抢答时，要判定哪组优先，并予以唆使和鸣叫.

二、抢答器的任务与请求

设计请求：每组设置一个抢答器按钮，供抢答者使用.电路具有第一抢答旌旗灯号鉴别和锁存功能.在掌管人将零碎复位并发出抢答指令后，若抢答者按动抢答开关，则该组唆使灯亮并组别鉴别显示电路显示抢答者的组别，同时扬声器发出“嘀-嘟”的双响，音响持续2-3S.电路具备自锁功能，使别组的抢答器开关不起感化.

设计任务：本题的根本任务是精确判别第一抢答者的旌旗灯号并将其锁存.实现这功能可用触发器或锁存器等.在得到第一旌旗灯号后应当将其电路的输出封锁，使其他组的抢答旌旗灯号无效.同时还必须留意，第一抢答旌旗灯号必须在掌管人发出抢答命令后才无效，否则应视为提前抢答而犯规.当电路构成第一抢答旌旗灯号以后，LED显示组电路显示其组别.还可鉴别出的第一抢答旌旗灯号控制一个具有两种工作频率交换变更的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出响音，暗示该题抢答无效.

三、设计方案

用TTL或CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路，具体请求如下：

1. 抢答组数为4组，输入抢答旌旗灯号的控制电路应由无抖动开关来实现.

2. 判别选组电路.能敏捷、精确地判处抢答者，同时能排除其它组的干扰旌旗灯号，闭锁其它各路输入使其它组再按开关时失去感化，并能对抢中者有光、声显示和呜叫唆使.

3. 计数、显示电路.每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减计分.

4. 定时及音响.

必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单腔调“嘟”声，并熄灭唆使灯.

抢答时，当抢答开始后，唆使灯应闪亮.当有某组抢答时，唆使灯灭，最早抢答一组的灯亮，并发出音响.也能够驱动组别数字显示（用数码管显示）.回答成绩的时间应可调整，分别为10s、20s、50s、60s或稍长些.

4、掌管人应有复位按钮.抢答和必答定时应有手动控制. 抢答器电路道理框图结构

图3.1 抢答器道理框图结构框图 利用锁存型D触发器CD4042来完成的四路抢答器.如

控 图3-4抢所示，触发器CD4042与非门CD4012等元器件构成答开关显示电路 抢答器的控制电路，Q1-Q4,LED1~LED4等元器件构成显示制

电源电路 掌管人开关 电 路 声音提示电路

电路，与非门CD4011等元器件构成声音提示电路， SA1~SA4构成抢答按钮，S5A复位按钮，触发器CD4042是电路的核心元件.当6脚输出高电平时，触发器CD4042的输出形态由输入的时钟脉冲的的高的电平来决定，CP=O时锁存数据，CP=1时传输数据. 三、各单元电路设计

（1）控制电路的设计

控制电路是由锁存型的D触发器CD4042和与非门CD4012等构成（如图3－8）； CD4042含有四组具有共同单位控制储存批示输入.控制极性是可以选择的.如POL输入为低电平电位及STORE输入亦为低电平,送至D输入之数

据将在其个别真的及互补的输出端出现当STORE输入电位升高,在此输入之数据于正过度时

即储存于内部并以真值方式出

现Q输出端及其互补出现于Q输出端；CD4012为双4输入端与非门两组正逻辑皆可单独使用.当任一闸之一或一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高.如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低.A系列元件会发生极坏之一面倒的反应.可使用B系列元件，但非临界之利用.在没有任何电平输入时，CD4042的4个输入端经过电阻上拉为高电平，根据其功能表可知其四个Q输出端为高电平，Q输出端为低电平LED不显示，此时与非门CD4012输出为

低电平使多谐振荡电路停振，从而控制全部电路处于波动形态.反之，当CD4042输入高电平时，其输出端Q与Q分别输出低电平和高电平，CD4012输出低电平使多谐振荡电路起振，从而控制全部电路进行正常的工作.控制电路是全部电路的核心部分，当输入的CP＝1时CD4042进行数据传输，当输入的CP＝0时CD4042进行数据所存（判别第一个抢答者的旌旗灯号）.CD4042的好坏，决定了全部电路的全体功能.、

上图是集成D锁存器CD4042的逻辑图和功能表.芯片中含有4个D锁存器单元，共用一个时钟脉冲，CP为时钟端，POL为极性控制旌旗灯号.CD4042功能见图，它的功能为：当极性控制旌旗灯号POL=0时，若CP=0触发器接收D旌旗灯号，并在CP上升沿到来时，锁存D旌旗灯号，CP=1期间自锁D旌旗灯号；当POL=1时，则CP=1时，触发接收D旌旗灯号，CP降低沿到来时锁存D旌旗灯号，CP=0期间自锁.

图3-6 控制电

路

（2）声响电路的设计

声响电路用一个音频振荡器去推动一个扬声器(蜂鸣器)工作即可.为求电路简单,声响电路所示普通声响电路都由集成音乐芯片或简单的分立元件构成.

图 3-7 声响电路电路

本声响电路的设计次要采取多谐振荡器和Q1等元件构成（如图3－9）；当CD4012在输出低电平时多谐振荡电路不工作；声响提示电路处于波动形态（不工作）.当CD4012在输出高电平时多谐振荡电路起振；驱动三极管工作从而带动扬声器发出声音.声响提示电路处于工作形态）.当有旌旗

灯号从振荡电路输出时，电流经R15构成一电压压降在Q1的基极，此时Q1导通,电流从VCC经蜂鸣器到地，从而蜂鸣器发声.该安装中，直流电源提供12V电压，足够驱动蜂鸣器发声，所以不须要接入74LS244驱动.

（3）显示电路

显示电路普通由 LED为发光二极管或数码显示器来实现，因为数码显示电路普通都须要显示驱动电路来实现比较复杂.而LED为发光二极管次要加上适当的正向电压，该管即可发光，LED内接法有两种：即共阳极和共阴极接法，要使其对方的发光二极管发光，前种接法使其呼应的极为低电平，后种接法使其呼应极为高电平.半导体二极管的长处是体积小、工作可靠、寿命长、呼应速度快、色彩丰富、缺点是功耗较大.

在本电路的设计中次要采取Q1-Q4和LED1～LED5等元器件构成显示电路（如图3－10），用来显示抢答者的组别.CD4042的Q端输出低电平时LED不发光.CD4042的Q输出高电平时LED发光,显示抢答者的组别.

图3－8显示电路

（4）门控多谐振荡电路

多谐振荡器是一种无稳态电路,它在接通电源后不须要外加触发旌旗灯号,电路形态能够主动地不竭变换,发生矩形波的输出.因为矩形波中的谐波分量很多,是以这类振荡器冠以”多谐”二字.在数字电路设计中经常使用555多谐振荡电路、施密特振荡电路或者由简单的门电路来实现，因为555多谐振荡电路、施密特振荡电路利用于对于电路精度要比较高的电路设计中.与普通的门电路比拟门电路具有电路结构简单、成本低 、实现容易的特点.而在本电路的设计中门控多谐振荡电路由CD4011门电路和R14、C1等构成.它

次要用来驱动Q5使扬声器发出声音.开关按下与非门输出高电平，门控多谐振荡器起振.扬声器发声.门控多谐振荡器频率由R14、C1来决定，振荡器频率约为800HZ.

CD4011、 CD4012的逻辑图和实现的功能如下表3－1 名称 CD4011 4二输入与非门（1/4） 逻辑图 实现的功能 所有这四组正逻辑反和闸皆可单独使用之. 当任一闸之间或两输入端电位低时，则输出端之电位升高；两输入端同时电位高时，输出端之电位降低. CD4012 双4输入与非门（1/2） 当任一闸之一或一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高.如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低. 表3－1CD4011、 CD4012的逻辑图

零碎电路工作过程

如图（3－3）所示抢答器由控制电路、显示电路和声音提示电路3部分构成.锁存型D触发器CD4042、与非门IC2-1CD4042等元器件构成抢答控制电路；Q1—Q4、LED1~LED4等元器件构成显示电路；与非门IC3CD4011等元器件构成声音提示电路.J1A—J4A是抢答按钮，J5A位按钮.四位锁存器D触发器CD4042是全部电路的核心器件，当POL6脚接高电平时，D触发器的输出形态由输入时钟脉冲的极性决定，即CP=1时，传输数据，CP=0时锁存数据. 当Q1—Q4没有按下时，CD4042的个输入端D1~D4经过电阻R1~R4上拉为高电平，是以其输出端Q1~Q4均输出高电平，Q1-Q4输出为低电平，Q1—Q4均截止，发光二极管LED1~LED4均不亮.此时与非门IC2-1CD4012输出低电平，

由U4A、U6A CD4011等元器件构成的门控多谐振荡器处于停振形态，提示音电路不工作.同时与非门U3ACD4042输出低电平，使得U5A CD4011输出高电平，即CP=1，D触发器处于数据传输形态.假如SA1被按下，此时D1=0，Q1=0，使得U2A4042输出为高电平，U5A CD4011为低电平，即CP=0，D触发器转入锁存形态，再按下其他按钮，电路不再呼应.同时CD4042的Q1=1，VY1接通，LED1点亮，显示第一路抢答.

在按下S1A的同时，与非门U3A输出高电平，门控多谐振荡器起振，由Q5驱动扬声器发出提示音.门控振荡器的振荡频率由R14、C1的参数决定，振荡频率约为800HZ.

SA5是复位按钮，按下J5A，可使与非门U5A CD4011的一个输入端置零，其输出变成高电平，即CP=1，电路又回到Q1~Q4=1，Q1~Q4=0的初始形态，为下一轮抢答做好筹办，其他3路的工作道理与之不异. （5）总电路仿真分析 四、电路的安装与调试

数字电路零碎的设计完成后，一个次要的步调是安装

调试.这一步是对设计内容的检验，也是设计点窜的实践过程，是理论常识和实践常识综合利用的次要环节.安装调试的目标是使设计电路满足设计的功能和功能目标，而且具有零碎请求的可靠性、波动性、抗干扰能力.这里简要论述安装调试数字电路的几个步调.

（1）

检测电路元件

最次要的电路元件是集成电路，经常使用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或

用替代方法接入已知的电路中.集成电路的检测仪器次要用

集成电路测试仪，还可用数字电压表作简易测量.实验电路则模拟现场利用环境测试集成芯片的功能.替代法测试必须具备已有的残缺工作电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况.

除集成电路芯片外，还应检测各种筹办接入的其他各种元件，如三极管、电阻、电容、开关、唆使灯、数码管等.应确信元件的功能精确、可靠才干装入电路安装.

（2）

电路安装

数字电路零碎在设计调试中，常常是先用面包板进行试装，只要试装成功，经

调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路.

试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度.安装中的成绩常常集中在接插线的可靠性上，特别须要惹起留意.

安装的顺序普通是按照旌旗灯号流向的顺序，先单元后零碎、边安装边测试的准绳进行.先安装调试单元电路或子零碎，在确定各单元电路或子零碎成功的基础上，慢慢扩大电路的规模.各单元电路的旌旗灯号连接线最好有标识表记标帜，如用特别色彩的线，以便能方便断开进行测试.

（3）

零碎调试

零碎调试试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入旌

旗灯号进行调试，发现

成绩则先对故障进行定位，找出成绩所在的单元电路.普通采取故障景象估测法（根据故障情况估计成绩所在地位）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分，一一查找）、对比法（将类型不异的电路部分进行对比或对换地位）等.

零碎测试普通分静态测试和动态测试.静态测试时，在各输入端加入分歧电平值，加高电平（普通接1千欧以上电阻到电源）、低电平（普通接地）后，用数字万用表测量电路各次要点的电位，分析是否满足设计请求.动态测试时，在各输入端接入规定的脉冲旌旗灯号，用示波器观察各点的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时.

除了调试电路的正常工作形态外，另外特别要留意调试初始形态、零碎清零、预置等功能，检查呼应的开关、按键、拨盘是否可靠，手感是否正常. 五、总结与体会

1、结果分析：

当在掌管人将开关S5A清零颁布发表抢答开始命令后，S1A、S2A、S3A前后将开关闭合后后，LED1亮，说明CD4042将1组的旌旗灯号锁存 ，LED1亮，扬声器发出声响，掌管人判别出第一组抢答成功，其他组的显示不亮，没有抢答成功（如图3-13）所示.从以上结论可以看出本电路的设计符合设计请求. 2、总结

此次设计培养了我应用所学理论常识和技能，分析解决计算机利用实际成绩能力. 和把握设计计算机课题的思想和方法，树立严厉认真工作风格和调查研讨、查阅技术文献、材料、手册及编写技术文献的能力. 同时在生产实践中所涉及的一些实践成绩，又促使我带着疑问积极地探索.进行设计从常识技能的筹办到心思的充分认识都具备了较好的基础.