数字电路智力竞赛抢答器设计

(1)在给定5V直流电源电压的条件下设计一个可以容纳四组参赛者的抢答器，每组设定一个抢答按钮供参赛者使用。

(2)设置一个系统清零和抢答控制开关K（该开关由主持人控制），当开关K被按下时，抢答开始，打开后抢答电路清零。

(3)抢答器具有一个抢答信号的鉴别、锁存及显示功能。即有抢答信号输入时，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示出来。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，优先抢答选手的编号一直保持不变，直到主持人将系统清除为止。

(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。当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即倒计时，并在显示器上显示。

(5)参赛选手在设定的时间内抢答，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，则本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示0。

可将整个系统分为三个主要模块：抢答鉴别模块；抢答计时模块；抢答计分模块。整个系统的组成框图如下图1所示。

(1)学习与研究相关的《数字电子技术基础》理论知识，查阅资料，拿出可行的设计方案。

(2)根据设计方案进行电路设计，完成电路参数计算、元器件选型、绘制电路原理图；电路设计包括：抢答鉴别模块设计；抢答计时模块设计；抢答计分模块设计。

(3)进行电路软件仿真测试（如：Multisim 11.0、Proteus、 Altium Designer等），获得实验数据，验证设计有效性。

74LS190D：

图2 74LS190D功能图

如图2所示,此芯片进行加减数功能，初始状态，A，Ｄ端均接高电平，输入为１００１，十进制码数字“９”，当U／Ｄ端接入高点平时，进行减数功能，ＬＯＡＤ为置位端，低电平有效，当接入一低电平，开始工作，置数到“９”，ＲＣＯ为借位端。ＣＬＫ为锁存功能，当接入一高电平时，锁存器工作，计时电路暂停。

74LS175N：

图3 74LS175N功能图

如图3所示,此芯片为一4D触发器，一段接受信号，高电平，输出Q为高电平，电路工作，同时CLK端进行锁存功能，其余触发器无法工作。

74LS148D：

图4 74LS148D功能图

如图4所示是一BCD三位二进制编码器，低电平有效，当输入端接收低电位时，电路工作。将十进制数转化为三位二进制。

（1）抢答及锁存功能：

此功能需要一片双D触发器74LS175N芯片完成（图5所示芯片），当其中以为选手开始抢答时，D触发器接受高电平信号，这时Q1输出高电平，其余均为低电平，所以其中一蜂鸣器响。同时Q1’输出为低电平， 其余均为高电平，进过与门，输出仍为低电平，经过一个四输入与非门，输出只为高电平，锁存器发生作用，开始进行锁存。  

图5 74LS175N功能图

图6 锁存功能

（2）显示抢答功能

这一部分功能的实现需要一片三位二进制BCD编码器74LS148D来实现  ( 图7所示芯片），当其中一位选手开始抢答时，Q1’输出低电平，从而，芯片工作开始编码，D1对应二进制码001，进而显示屏上显示数字1，以此类推，依次显示2，3，4分别代表四位选手的代号。

图7 BCD编码器74LS148D功能图

实现此功能需要一片74LS190D芯片实现（图8），四位二进制减数器，分别从1001—0000，显示器上显示从9-0的递减计时。递减到0时，LED5亮，从而抢答无效。

图8 74S190D功能图

编码器是将具有某种特定含义信号的议成二进制代码的电路，需要选用集成8线-3线优先编码器74LS148D和显示器实现。如图9。

图9 8线-3线编码器

图10 总框图(包含抢答，计时，显示功能)

当一号选手开始抢答，计时电路开始工作，倒计时4秒后抢答器抢答成功，倒计时电路锁存。

一号蜂鸣器发出声响，LED1亮，显示屏上显示一号选手数字。抢答器成功运行。（图11所示）

                       图11 有人抢答时抢答器显示

当无人强答时，倒计时电路一直工作，到“0”显示，LED5亮，此时抢答无效。（图12所示）

图12 无人抢答时抢答器显示

Multisim 可以很方便的实现计算机仿真和虚拟实验，真的很有趣，它让我感到了以前学的空洞的知识有了依附，能够验证我们学的到底是对是错，在认为是书本错了的时候，有了可以验证的工具。

但是Multisim在连线的时候很不方便，它要求节必须要与原件之间多于一个格，就算开始时连得很整齐，但是如果改变一个元件的位置是就有可能乱的让人眼花缭乱，在做这个仿真实验时，第一次搭线由于元器件的摆放的位置的问题线路很乱，以至于我要再加功能的时候根本找不清应该怎么连，所以不得不重新连了一次，这个是最耗费我的时间的。

通过这次的仿真实验我收获到了很多，最重要的是我知道了到哪里去运用在课本上学到的专业课知识。一开始的时候，老师让我们自己做，我真得觉得自己做不了，可是一个星期下来，其实自己也能做，原理也不是很复杂，很多都懂了，芯片之间的作用，从而更加完善了自己在数电上的专业学习。

附录：元件清单

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