四人竞赛智力抢答器

四人竞赛智力抢答器

四人竞赛智力抢答器 篇1

一、设计目的

1. 掌握抢答器的设计方法。 2. 熟悉锁存器的应用。

3. 了解学习触摸开关和发声元件。 二、设计指标

1.可供四组抢答，有人抢答时，蜂鸣器发声，同时优先抢答者对应的指示灯亮，而后抢答者对应的指示灯不亮。

2.主持人具有将抢答器复原的功能。

3.抢答者和主持人的按钮开关采用触摸按钮，蜂鸣器用压电陶瓷蜂鸣器作发声元件。

三、设计方案

智力竞赛抢答器是用来判断哪一个预定状态首先发生的电路。选手通过按键开关电路发出抢答信号，先按动者，抢答成功，保持与封锁电路将该信息保持下来，同时封锁其他选手的输入。抢答成功后对应灯亮，并启动声响电路发出抢答成功提示。主持人按键电路发出复位信号使保持与封锁电路的各输出清零。所以主要由开关阵列电路、触发锁存电路、脉冲产生电路、显示电路几部分构成。

（1）开关阵列电路是由多路开关组成，竞赛者与开关相对应。

（2）保持与封锁电路是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。

（3）时钟脉冲源为锁存器提供时钟脉冲。

（4）显示电路即按钮开关按下时对应的指示灯亮。 根据上述设计，该装置的原理框图如下：

四、具体分析 1.触摸按钮

下图为两种自制的触摸按钮的原理图。触摸开关是两块距离约为1mm彼此绝缘的小导体（如铜片），也可用两根距离约为1mm的裸导线组成。图（a）示所示电路，原始状态时非门G输出为高电平，当有人用手指触及两个铜片时，相当于两块铜片间串接一个等效电阻，使非门输出变为低电平；图（b）所示电路，原始状态时非门G输出为低电平，当人用手指触及两块铜片时，非门输出变为高电平，为保护电路选用较大电阻。

2.按键保持与封锁电路

下图为4D触发器74LS175D，抢答前74LS175D四个抢答者的按钮均未按下，锁存器的输入端D1~D4全为0，所有显示电路无反应，当主持人宣布“抢答开始”之前，脉冲源信号进入CLK端此时抢答开关均为启动，输入均为0，触发器状态不变。开始后，有一个抢答

信号发出，Dn和Qn均为1，相应显示电路二极管发亮，Qn变为0，同时通过与非门送出信号，

锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其他信号，知道主持人再次清除信号为止。

显示电路

开关列阵电路

4D触发器74LS175介绍如下：

3.脉冲产生电路

该电路是由555定时器接成的多谐振荡器，由555定时器和外接元件R1,,,R2 C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，

1

2

利用电源通过R1,,,R2 向C充电和放电，使电路产生振荡。电容C在3Vcc 和3Vcc之间充电和放电，其波形是方波。其产生的方波为锁存器提供CLK脉冲。

由555定时器的特性参数可知，555电路要求R1和R2均应大于或等于1K欧姆，但R1+R2应小于或等于3.3M欧姆。

当电源电压为5V时，在100mA的输出电流下输出的电压的典型值为3.3V所以取VCC=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。由于对输出脉冲的占空比要求不高，为便于计算，令占空比D=

R1?R2R1?2R2

?23

，故得到R1=R2，令f=1Hz,则T=0.7（R1+2R2）C=1。若取C=0.1uF，得R1=R2=48k

Ω。

4.显示电路

（1）发光电路由一个发光二极管与一个电阻串联组成。 （2）单音频音响电路

下图是用压电陶瓷蜂鸣器作发声元件的单音频音响电路。压电陶瓷蜂鸣器再适当信号驱动下能够发声，两个CMOS门电路与R1、R2和C组成振荡器，当控制端电压UA为高电平时，振荡器产生振荡，输出的高频信号驱动蜂鸣器发声；UA为低电平时，振荡器停振，蜂鸣器不发声。

6.总电路图

7.创新方面

本次设计在题目要求的.基础上又另加了一个震荡电路使得在裁判按下开关之后抢答的过程中LED5是一直闪烁的。

五、器件清单

元件名 电位器

蜂鸣器 发光管 实验板

型号 200欧 10K欧 5V 红

数量 1 1 2 10 2 元件清单

单价(元) 2 2 1 0.15 5

总价（元） 2 2 2 1.5 10

电阻 独石电容 按键 开关

底座

瓷片电容 铜柱 74LS175 74LS74 74LS00 74LS20 74LS04 555 总计

8脚 14脚 16脚

30 5 10 1 4 4 10 2 4 8 2 1 3 1 1 1

0.015 0.3 0.2 0.5 1.5 0.1 0.16 0.16 0.05 0.5 2 1 1 1 1 1

0.45 1.5 2 0.5 6 0.4 1.6 0.32 0.2 4 4 1 3 1 1 1

45.47

六、调试过程及现象

1.调试芯片74LS175 此四D触发器，各输入管脚均接入二极管，控制开关，检查4个二极管是否均正常发光。

2.先用数字电子实验室内的连续脉冲源对四D触发器的脉冲信号端即CP端提供时钟脉冲信号，以代替用定时器提供的脉冲源，观察整个抢答装置产生的现象。

（1）抢答开始前，开关K1，K2，K3，K4均置“0”，准备抢答，将开关S置“0”，发光二极管全熄灭，再将S置“1”。抢答开始，K1，K2，K3，K4某一开关置“1”，观察发光二极管的亮灭情况，然后再将其他三个开关中任意一个置“1”，观察发光二极管的亮灭是否有改变。

（2）重复（1）的内容，改变K1，K2，K3，K4任意一个开关的状态，观察抢答器的工作情况。

3.调试555脉冲源，用示波器观察其输出的脉冲波形，并结合实际电路调整其输出脉冲频率，待用。

4.断开实验装置上的连续脉冲源，接入设计出的555脉冲源，再进行实验。 5.组装各器件，进行统调。

6.按下四个开关按钮中的任一个，与其编号对应的LED被点亮，其他不亮，同时蜂鸣器发出声响。

7.确认在按下抢答按钮中的任一个之后，即使按下其他开关，其他LED也不亮。

8.将电路复位，观察现象。(由于连接实物失败，此调试过程均为理论过程） 七、总结

1.设计电路的优缺点

此电路结构清晰，连线简易，器件大众化，易购。容易控制，快捷方便。

555多谐振荡器不易调试。所设计的抢答器电路采用组合逻辑和时序逻辑电路设计，无需编程语言，具有电路简单，成本低廉，操作方便，灵敏可靠。易于制作等优点，而且在实际生活中具有很强的实用性。

2.收获与体会

本次设计数字抢答器，用到数字电子技术方面知识。通过这次课程设计，对集成电路的了解加深，课本上的知识更深的掌握。利用Multisim 10对4路竞赛抢答器的设计进行了仿真验证，实验结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和更强的适用性，达到了预期的设计目的和要求。通过本次设计体会到逻辑思维和团队合作的重要性。

八、参考文献

《数字电子技术基础（第五版）》 阎石 主编 《数字电子技术实验指导书》吉林大学出版社

九、集成芯片资料（另附）

四人竞赛智力抢答器 篇2

现场可编程门阵列FPGA作为集成度和复杂程度最高的可编程ASIC。是ASIC的一种新型门类，它建立在创新的发明构思和先进的EDA技术之上。运算器、乘法器、数字滤波器、二维卷积器等具有复杂算法的逻辑单元和信号处理单元的逻辑设计都可选用FPGA实现。

传统的数字逻辑设计使用TTL电平和小规模的数字集成电路来完成逻辑电路图。使用这些标准的逻辑器件已经被证实是最便宜的手段，但是要求做一些布线和复杂的电路集成板 (焊接调试) 等工作，如果出现错误，改动起来特别麻烦。因此，采用传统电子设计方案人员的很大一部分工作主要集中在设备器件之间物理连接、调试以及故障解决方面。正是因为FPGA的EDA技术使用了更高级的计算机语言，电路的生成基本上是由计算机来完成，将使用户能较快地完成更复杂的数字电路设计，由于没有器件之间的物理连接，因此调试及故障排除更迅速、有效。

本文运用EDA中的Quartus II作为软件开发平台，设计了一款基于FPGA的智力竞赛抢答器，并下载到逻辑资源为50万门的Cyclone系列EP1C20F400型芯片中实现了其功能。

（二）作品背景

在进行智力竞赛时，每个参赛队员考虑后都希望抢答成功，如果没有合适的设备，主持人就会很难分辨出哪组队员抢答成功，为了使比赛顺利进行，作者设计了一款智力竞赛抢答器。

（三）基于FPGA的智力竞赛抢答器的设计

作为现代集成电路设计的重点与热点，FPGA设计一般采用自顶向下、由粗到细、逐步求精的方法。设计最顶层是指系统的整体要求，最下层是指具体的逻辑电路实现。自顶向下是将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大则进一步分解为更小的子系统和模块，层层分解，直至整个系统中各子模块关系合理、便于设计实现为止。

1. RS触发器

用双D触发器7474来实现RS触发器的功能，如图所示，SD表示置位端，RD表示复位端，低电平有效，Q为原码输出，QBAR为反码输出。

2. 数字秒表模块

具有复位功能，用两个数码管分别显示个位和十位，当使能端为高电平时，开始计数，秒钟自动加一，计数时间为一分钟，蜂鸣器接到COUNTER_6的carry_out端口，计数到59时蜂鸣器报警的同时恢复到00状态，系统有单独的置零信号，将数码管显示时间直接恢复到00状态。显示部分的数码管段选用总线复用技术，位选用动态扫描，一般只要每个扫描频率超过人的眼睛视觉暂留频率24HZ以上就可以点亮单个显示而不闪烁，扫描频率采用与7447使能控制信号同一个1KHZ信号。10进制计数器的部分程序如下：

3. 分频器模块

将50MHZ的时钟信号送到分频器CLK后进行5千万分频后得到1HZ的频率由CLKOUT输出，采用VHDL语言编程，编译无误后创建文件符号DIV50供上层电路调用。程序实现如下：

4. 系统总体电路图

带有RS端的D触发器7474，它具有两个输入端：置‘0’输入端RD和置‘1’输入端SD，均为低电平有效，两个输出端Q和QBAR，在正常工作状态下互为相反，当不用CP和D端时，根据RD和SD的不同状态集成器具有输出保持状态，置‘0’和置‘1’的功能。

用两片7474构成的4个RS触发器组成时间鉴别电路。竞赛开始前，主持人先按下KK键，各触发器复位(Q=0), 4个发光二极管均不亮，竞赛开始后，开始抢答，例如第一组抢答成功即P1被按下则门1输出为0，使Q1=1，发光二极管亮，同时Q1BAR=‘0’。Q1BAR=‘0’有2个作用，其一是封锁门2、门3、门4，使P2、P3、P4再按时不能把相应触发器的Q置‘0’;其二是使门5输出为1，驱动数字秒表开始计时。当计时达到60秒钟的时候，蜂鸣器报警，答题时间结束。

5. 编程及测试

为设计项目选定Cyclone系列EP1C20F400型芯片;根据该芯片的管脚规定，自己在Pin/Location/chip屏幕中添加输入输出端可用的引脚编号，并编译通过;对器件编程，使用ByteBlaste下载电缆把项目以在线配置的方式下载到Cyclone系列EP1C20F400型芯片中。按功能键键复位，用四位拨码开关键模拟抢答，实验仿真结果正确，达到了预期的设计要求。

（四）结束语

现场可编程门阵列FPGA是含有大规模数字电路的通用性器件。这些数字电路之间的互联网络是由用户使用更高级的软件来定义的。FPGA可以进行无限次的重复编程, 从一个电路到另一个电路的变化是通过简单的卸载互联文件来实现的, 极大地推动了复杂数字电路的设计, 缩短了故障检查的时间。

参考文献

[1]高曙光.可编程逻辑器件原理、开发与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[2]刘宝琴.Ahera可编程逻辑器件及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1995.

[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1999.

[4]章忠全.电子技术基础实验与课程设计[M].中国电力出版社, 1999.

毕业设计竞赛抢答器 篇3

工作原理：报警电路由两个555定时器构成。由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时,第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平,处于稳定状态,这时,右边的多谐振荡器的复位输入为低电平,所以其输出也为低电平.扬声器不发音.当信号输入为低电平时,单稳态触发器被触发,处于暂稳态,此时其输出为高电平,输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡工作,输出为频率为1.2KHz的脉冲波形.这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响。要求持续2~3秒，可调节电阻和电容实现。假设t=3s，电阻分别为20k、273k、0.61k、2.4k，电容分别为100pf、100pf、0.22uf、0.01uf。

3.4 定时电路

工作原理：定时电路由两片74LS160构成，其本身为十进制同步计数器，真值表如下所示：

表3.4

CLK X ↑

MR X 1

PE 1 0

S1 X X

S2 Q

X 全0 预置X

数

↑ X X

0 0 0

0 0 0

1 0 X

1 计数 X 保持 0 保持

当有效脉冲边沿过来时，有两片74LS160构成的31进制加计数器，当片1输出为0001，片二输出为1100，即转换为十进制时是30，此时片1Q0输出和片二Q0、Q1输出经过三输入与非门后为“0”，使片1的CET、CEP输入为0，片1停止工作，所以数码管显示30。

3.5 秒脉冲发生电路

工作原理：由555定时器构成的多谐振荡器经过调整电阻电容能改变秒冲周期。当R1=15K，R2=68K，C1=10uF时，T=1s。

第4章 软件仿真

4.1 仿真电路图

1抢答器电路

4.1.2显示电路

图4.1.2显示电路

4.1.3报警电路

图4.1.3报警电路

4.1.4定时电路

图4.4 定时电路

4.2 仿真过程

在测试好整个电路后，先将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间：再将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。若是主持人开关并未置“开始”，此时进行抢答，此次在规定时间内进行抢答，看指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。按后再将开关拨到”清零“状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器设定时间，再将开关值”开始“状态，之后，先不抢答，等已过了定时器设定的时间后，在进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。然后再将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间：先不将开关值“开始“状态，进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。选手

在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断，编号锁存，编号显示，扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止，禁止二次抢答，定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态。

4.3 仿真结果

仿真过程中，没有错误，所有的可能都进行了仿真，都出现了对应的正确的结果。

第5章 安装调试

5.1 安装调试过程

1．在调试抢答器主电路时，主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的EI端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。 2．调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。

3．在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。

4．调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。

5.2 故障分析

1．在调试抢答器主电路时，发现主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的EI端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。

解决方法：反复的调试分析其电路原理，并用示波器测试输入的电源，发现纹波非常之大，之后在电源输出端并接一个220uf的电解电容和一个0.1uf的瓷片电容，再用示波器测试发现纹波减少很多；然后再在74ls148的`使能端EI并接一个0.1uf的瓷片电容，很好的消除了开关电源带来的纹波干扰，使抢答电路正常的工作。

2．调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。

解决方法; 高位192显示0的时候，BO2端输出低电平，因此可以利用这信号与门锁住低位192的秒脉冲输入信号。

3．在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。

解决方法：在通过对单稳触发器74ls121的测试后发现其能正常工作，555在121触发后3脚会有一个高脉冲输出，说明555也能正常工作，在检查后级推动蜂鸣器工作电路时发现两个8050管脚装反，原因是protel99里的封装与8050的封装不同。解决这个问题后可以报警，但是声音很小，于是去掉了100uf的耦合电容，问题解决。

4．调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。

解决方法：在按键输出口并接一个电容，去除抖动，但是效果不佳，但是相对没有加之前情况要好很多，对于纯数字逻辑芯片，可以使用锁存器对按键进行消抖，效果要比电容好得多。

5.3实验结果及分析

接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。

若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（0～7），倒计时电路

图 5-1 倒计时状态

停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。

如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，LED灯熄灭，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。

图 5-2 抢答显示

图 5-5 计时锁定

收获与体会

这次课程设计的电路是比较复杂的。虽然以前在模电、Protel课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手.设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。

实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体。所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。

总之，通过这次练习我有了很多收获。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高，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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，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。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。最后感谢老师在百忙的工作中为我修改论文，指出错误，希望老师在以后的日子里一帆风顺工作顺利。.

参考文献

《电路与电子学》（第3版）王文辉主编电子工业出版社 《逻辑与数字系统设计》李晶皎主编 清华大学出版社 《数字电子技术基础》 范文兵 清华大学出版社

《数字电路逻辑设计（第三版）》 王毓银 高等教育出版社 2005 《数字电路实验基础》 崔葛瑾 同济大学出版社 2005

《数字电路实验与课程设计》 吕思忠、施齐云 哈尔滨工程大学出版社 《电子线路 设计 实验 测试（第三版）》 谢自美 华中科技大学出版社 《Multsim9在电工电子技术中的应用》 董玉冰 清华大学出版社 2008 《数字电路及制作实例》 陈振官 国防工业出版社 2006

附录

1.总电路图

图 附1-1 电路原理图

2.元件引脚图

图 附2-2 74LS00引脚图

图 附2-1 74LS00引脚图与功能表

图 附2-3 74LS148引脚图

图 附2-4 74LS192引脚图

图 附2-6 共阴数码管引脚图

图 附2-5 74LS48引脚图

图 附2-7 555定时器引脚图

图 附2-8 74LS279引脚图

3.使用仪器设备清单

元器件名称 数量 开关 9个 74LS148 1个 74LS48 6个 74LS192 2个 74LS160 2个 74LS126 1CD4023BCM 1DM7402N 1555定时器 3扬声器 1 电容 20七段数码显示器 6灯泡 7 5V共阴数码管 34输入与非门74LS20 110kΩ电阻 91kΩ电 450kΩ电阻 115kΩ电阻 1100Ω电阻 1发光二极管

毕业设计竞赛抢答器210μF电解电容 10.01μF瓷片电容 1导线 若干

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