电子抢答器

1 设计目的和要求

设计目的

（1） 具备电子电路的基础知识和查阅资料和手册的能力 （2） 熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件 （3）已掌握电子电路实验的基本方法

设计要求

（1）可供六组使用的抢答器

（2）抢答成功有声音提示及组别显示，具有锁存功能和清零功能 （3）提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计 （4）有能力的同学可在完成上述要求后提出增强功能的设计方案

2 抢答器的基本组成及工作原理

抢答器的组成

抢答器的构成框图如图2-1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、

解锁电路 开关阵列电路 触发锁存电路 编码器 七段显示译码数码显示器

图2-1 抢答器的钩成框图

（１）开关阵列电路

该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。

（２）触发锁存电路

当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

（３）编码器

编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。

（４）７段显示译码器

译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

（５）数码显示器

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。

抢答器的两种设计方案与工作原理

方案一

(1)开关阵列电路

开关阵列电路如图2-2所示，从图上可以看出其结构非常简单。电路中，Ｒ1～Ｒ6

为上拉和限流电阻。当任一开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。

图2-2 开关阵列电路

(2)触发锁存电路

触发锁存电路如图2-3所示。图中，74273为8D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。

也可以采用RS触发器来实现触发锁存电路的功能，具体实现方法请见方案二。

图

2-3

触

发

锁

存

电

路

(3)译码驱动及显示单元

74138管脚图如图2-4所示，74138功能表如表2-5所示，用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。一般这种译码通常称为7段译码显示驱动器。我们这里用的是译码器74138，。该译码器有3个输入A，B，C，它们共有8种状态的组合，即可译出8个输出信号Y0～Y7，故该译码器称为3线－8线译码器。与2线－3线译码器比较，该译码器的主要特点是，设置了G1、G2A和G2B3个使能输入端。由功能表可知,对于正逻辑，当G1＝１，且G2A和G2B均为０时，译码器处于工作状态。

数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。大多情况下使用的是LED数码管。平时使用较多的LED数码有单字和双字之分。

LED数码管尺寸有大有小，一般小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为3V左右）。

图2-4 74138管脚图 表2-5 74138功能表

(4)解锁电路

当触发锁存电路被触发锁存后，若要进行一下轮的重新抢答，则需将锁存器解锁。可将使能端强迫置1或置0（根据具体情况而定），使锁存顺处于等待歉收状态即可。

（5）电路整体设计如图2-6所示。

图2-6 电路整体设计

方案二

（1）开关阵列电路

六位开关如图2-7所示，从图上可以看出，当电路导通时，开关接VCC;当电路断

开时，开关接地线。

图

2-7 六位开关 图

2-8 74279

管脚图

表2-9 74279的功能表

Sd 0 0 0 0 1 1 1 1 （2）锁存清零电路

Rd 0 0 1 1 0 0 1 1 Qn 0 1 0 1 0 1 0 1 Qn+1 1 1 1 1 0 0 0 1 说明 不允许 不允许 置1（Qn+1=1） 置1（Qn+1=1） 置0（Qn+1=0） 置0（Qn+1=0） 保持（Qn+1=Qn） 保持（Qn+1=Qn） 74279管脚图如图2-8所示,为实现锁存清零功能的芯片，74279的功能表如表2-9

所示，它由4个RS触发器组成。四个R端接在一起由space开关键控制清零，由于数码管上只需显示到5即可，所以在译码器7448的A,B,C,D端接74279的1Q,2Q,3Q,地线。四个S端实现置数的功能，将编码器74148的A0，A1,A2,GS端接到74279的1S,2S,3S,4S上。

（3）编码器

74148管脚图如图2-10所示，74148是一个编码器芯片。其中对应的0，1，2，3，4，5分别与开关【0】，【1】，【2】，【3】，【4】，【5】接在一起；6，7由于是低电平有效，这里不用这两个接口，所以其均接在VCC上；其使能端E1与74279的4Q端接在一起，其EO端接报警电路或指示灯。

（4）译码器

7448管脚图如图2-11所示，7448是一个译码器芯片，7448功能表如表2-12所示。其中对应的OA,OB,OC,OD,OE,OF,OG与数码管的七个管脚分别相接；LT,RBI均为低电平有效，这里不用这两个接口，所以其均接在VCC上，BI/RBO与编码器74148的E1端接在一起。

（5）数码管

5101AB七段数码管如图2-13所示，A,B,C,D,E,F,G分别对应7448上的OA,OB,OC,OD,OE,OF,OG。RDP为小数点端，在此可以不用接入。3，8两口共同接地。

图2-10 74148管脚图 图2-11 7448管脚图

表

2-12

7448

功

能

表

图2-13 5101AB七段数码管

（6）报警电路 【功能扩展，用555定时器和三极管】

由555定时器和三极管构成的报警电路如图2-14所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图2-14 报警电路

（7）整体电路设计如图2-15所示

两种方案的比较

方案一中所用的元器件太多，有好几个二极管和电阻等，使其成本上升。而相比较下，方案二仅用三个芯片就能实现功能，且只是在实现拓展报警电路所用555芯片中，增加了几个电阻和几个电容。其次，方案一所用的锁存清零芯片是74273为带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存D触发器；而方案二用的是芯片74279，其为4个RS锁存器；这样可以消去脉冲对电路的不良影响。

综上所述，综合考虑后，我们决定选择方案二来完成我们这次的设计。

图2-15 电路整体设计

3 实验中的感想与问题

收获、小结和体会

在设计之前，参考了许多相关的资料，从网络上下载了原理图。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。

但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，在方案一中，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了8线-8线的74LS273，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接和74LS273相连，数码显示管需要由TTL或CMOS集成电路驱动，所以在TTL还是CMOS集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了专用频道数显译码器CH233，用它将74LS273输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在定时电路中，555定时器的类型也很多，根据设计需要选择了555定时器低电平触发。

在一些设计原理上也遇到了许多新问题。刚开始设计时，电路中并未采用单向可控硅VD，认为电信号给三极管直接触发音乐集成电路IC3就行了，后来才发现当电源接通后，无论有无人按按钮都会使音乐集成电路通电发出声响，所以就加上了单向可控硅，由它来触发音乐集成电路。

通过这次课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本电路的设计。在此次的电子抢答器设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实验动手能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。

回顾起此次课程设计，感慨颇多，从理论到实践，我学到很多很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的内容。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理

论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程遇到了各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

此次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，脚踏实地，就肯定会完成的。通过这次六路抢答器的设计，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。

电路的安装与调试

在完成了理论设计的基础上，利用仿真软件ewb进行模拟设计，仿真成功进行修正之后，开始电路的安装和调试。

首先是对各元器件进行测试，检查是否芯片存在问题。

然后依次插入5101A七段数码管、7448译码器芯片、74148编码器芯片、74279的4RS锁存器，按照理论设计和已经在ewb软件中验证过的电路进行安装，检查电路无误后，进行通电试接验证功能。

整个接线过程比较繁琐，线比较多，在装配过程中需要足够的耐心、认真和条理性。完成布线的过程，就是一个综合测试，需要我们对各个模块的设计的原理比较了解，综合掌握。

调试中出现的故障、原因及排除方法：

（1）面包板的检查过程中，发现本该连通的地方被断了的导线或杂物堵塞，用镊子将其挑出；

（2）装配过程中最容易出现接触不良的问题，包括线的接触不良和芯片的接触不良，重新更换面包板插孔后显示正常；

（3）注意芯片的控制引脚必须正确接好，导线注意分清；

（4）第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。

（5）在测试过程中，经常在未动任何导线的情况下，数码管总是显示的数字7，在后来

的检查中发现是74148的管脚没有接好造成的，接好后一切正常。

结束语

电子课程设计，是以学生自己动手，掌握一定操作技能并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养实践能力和创新精神。作为信息时代的大学生，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。

这次的课程设计只是做了清零、锁存和报警三个功能的设计，其实还可以提出增强功能的设计方案，如当有选手提前抢答题时，发出犯规报警铃声；显示选手答题所用的时间等。这些都可以在以后的设计中有所应用和改进，会更加锻炼我们的实践能力和创新精神。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.高等教育出版社，2006 [2] 董子舟，段辉娟. 电子技术. 机械工业出版社，2005 [6] 第7期 电子报. 类别:电子制作，2002 [7] 第50期 电子报. 类别:电子产品与器件，2002

[8] 张惠敏，肖耀南. 数字电子技术. 化学工业出版社，2006 [9] 江国强. 现代数字逻辑电路 .电子工业出版社，2006

附件1：

元器件清单

器件名称 编码器 型号 数量 74LS148 1 译码器 74LS48 1 数码显示管 七段 1 555定时器 1 4RS锁存器 74279 1 若干 电阻 电容 若干 电源、导线等

附件2：

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 江勇峰 自动化专业、自动化0607班 性 别 男 课程设计题目：电子抢答器 课程设计答辩或质疑记录： 第一个问题：支持人开关是如何实现清零的 答：当主持人按下开关，即接低电位时，开关与74148的清零端相连。而清零端是低电位有效，所以此时完成清零。 第二个问题：74148输入的是二进制数还是十进制数 答：为二进制数。因为输入端接开关，开关的闭合与断开分别代表的是逻辑的“1”和“0”，即使二进制数。 第三个问题：从此次课程设计中学到了什么 答：严谨的态度是第一位，查资料、画电路图、仿真验证、与小组成员讨论改进方案、出现问题共同讨论解决等等。细心接线、总结归纳实验报告等，都是很关键的。 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2008年 7 月 16 日