数字电路课程设计——抢答器的设计一、实验目的：
四路数字抢答器的设计
二、实验要求：
1.抢答器同时供4名选手抢答，分别用4个按钮D 1 ~ D 4表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关S,该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED 数码管上显示，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如
10 秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行计时（0~9）。
5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间,绿灯亮，并保持到主持人将系统清除为止。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，禁止抢答，定时显示器上显示9,显示抢答人组号的数码管此时显示无用字符，且红灯亮。
7．在主持人未启动“开始”键前，如有抢答者则其对应的红灯亮，同时数码管显示其号码。
8、选做功能:要求不仅要显示组号, 还要显示抢答的次序。
三、实验框图及总体设计：
如图所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人
开关开始时接地处于禁止状态，编号显示器灭灯，开关灯灭，定时器显示设定
时间；主持人将开关置“开始"端，宣布"开始"，开关灯亮, 抢答器工作，同时定时器倒计时。选手犯规提前抢答时，抢答器完成: 编号锁存、编号显示以及对应红灯亮。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。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将开关接地并重新复位。
数字抢答器框图:
四、主要单元电路设计:
所用器材:
1、输入控制电路：
此电路要求能够区分抢答者是否违规：若输入的抢答信号是在
“抢答开始”命令下达之前发出，则该抢答者犯规，输入控制电路应发出“抢答无效”信号，并配合抢先信号锁定电路使抢答者所在组对应的指示灯亮；若抢答信号是在“抢答开始”命令下达之后发出，则抢答有效。经过分析，我认为主持人控制可以用控制电源开关来实现，判断抢答信号是否有效可以用抢先信号锁定电路配合基本的与非门和发光二极管来实现。
2、脉冲产生电路
------- 1 ------ - ---- - ----- !------ 1------ 1 ------ 1 ------- 1----- 1------- 1 ----------------- A
15G 7 0^10 /s
3、编码电路：
用8线-三线优先编码器（即芯片74148）来实现。经过本人分析，并结
合74148的功能表可知，当74LS75的输出端Q1', Q2，Q3，Q4分别接74148的6，5，4，3输入端时，则经过七段显示译码器后，最终输出将为1, 2，3，4。
4、译码显示电路：
译码电路把“有效”或“无效”抢答的抢答者小组序号用数码管显示出来。
若超出答题时间，译码器将会一直显示为7,此时再抢答也不会起作用。译码
电路用七段显示译码器74LS48和数码管实现。只要将各个管脚对应到连接起来，就能正确到显示计时、犯规和抢答者的序号。其真值表及逻辑电路图分别如图5和图6:
0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 1
1
1
1 0
U8 0
9 0 0 7 1 0 0 0
1 J56 7
1 1 1
A
1 1 8 1
1
2
1
1
1
1
1
1
9
图 5 74LS48 真40表
图6 74LS48逻辑电路图接法
5、 用一片74LS161、74LS04译码器74LS48做成。把161做成模
十计数器，开始时置数端为0110, 161的输出端各接一个非门，就做 成了倒计时计数器，再经过48译码，数码管显示9,当从0110 一直 循环到1111,完成一次循环后，当它再变成 0000时，非门输出的结 果是1111，这时4个信号接入一个与非门出来接到161的端，完 成保持功能，主持人开关直接接到161的LD 端，而161的CT p 端接的 是74IS148的Y X 端，161非完的输出信号接入74IS48并接数码显示管， 当有人在规定时间内抢答时，CT p 变0, 161输出保持，数码显示管锁 定时间，当有人提前抢答时，因为这时 LD 端为0,所以161输出处 于锁定状态，对计时没有影响，当10秒后无人抢答时，C T T 端为0, 161又处于锁定状态，时间不变，四与非门的输出信号是和前面说过
U6
7
A QA
B QE-
C QC
D QD- BI/RBO QE* RBI QF LT Q G
74LS48
13
12
11 10 9 15 14
的兀的非相与接入抢答电路部分的74ls48的RBO端，10秒后无人抢答时，抢答电路的74ls48停止工作，数码显示管显示0,直到主持人重新开始重置和开始。74LS161功能真值表:
计数器输入译码器输入数码管的示数0110 1001 9
0111 1000 8
1000 0111 7
1001 0110 6
1010 0101 5
1011 0100 4
1100 0011
3
1101 0010 2
1110 0001 1
1111 0000 0
主持人打开开关后，开始计数；通过一个74LS04实现时钟倒计功能；计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。电路图如下所示：
2
U11
1
74LS48
6、时序控制电路：由74LS148编码器，74LS75D 触发器，74LS48译
码器和数码管组成
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： ① 主持人将控制开关打开后，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作 状态。
② 当参赛选手按动抢答键时，抢答电路和定时电路停止工作 ③ 当设定的抢答时间到，无人抢答时，同时抢答电路和定时电路停止
五、总体电路图:
工作，且数码管计时为零, 且主持人开关灯灭
___ fv- ___ ￡
U12
16
74LS75
A
B
QE C QC D
QD BI/RBO QE RBI QF LT
QG
0 A 1 A 2 A 3 3 G
； 5 6 El EO 74148
V
3 D1 6 D2 7
D3
SW-SPDT
SW1
SW4
SW-SP
DO Q0
〒
Q0丄 Q1 Q1 Q2
15 4
SW3
SW-SPDJ
13 E0/1
E2/3 U62
74LS48
64 5 3
2 1
3 12 11 10 9
U?
六、电路图的逻辑功能测试：
由上述所有设计思路结合图7,我在电脑上用仿真系统软件对电路进行了调 试，最终调试成功。功能都符合要求。而且我在面包板上接的电路也调试成功， 各项基本功能都很完整。
调试过程如下所示：
功能测试一：有效抢答测试
在主持人控制端接高电平后74LS75中D1接高电平，即在主持人发出“抢答 开始”命令后的第10秒钟，第一组有人抢答，左边电路显示抢答者组号 1，同 时绿灯亮，显示抢答有效，此时2号选手虽然也按下开关，但其数码管并不显示 数字“ 2” 了。
功能测试二：无效抢答测试
在主持人控制端接高电平后计时电路计到第 5秒后74LS75中D4接高电平， 即第四组有人在5秒后抢答。此时视为无效抢答。此时下边电路显示无用字符 7, 同时红灯亮，显示为无效抢答。
七、电路组装、调试过程中发生的问题及解决方法：
U11
C5
0.1u
U1234
74LS08
U6
R3
555
SW1
D0 Q0
D1 Q1 D2 Q2 D3
Q3
ENP
ENT CLK LOAD MR
RCO
U12
D0 Q0 Q0 D1
Q1 Q1 D2 Q2
Q2 D3
Q3 Q3
■ E2/3
7404
7404
U62
A QA
B QB
C QC D
QD
BI/RBO QE
RBI QF
LT
QG
12 1 11
10
9 ■-^5- 14
1 U46
A QA
B QB
C QC
D QD
BI/RBO QE RBI QF LT
QG
7 SW11
SW-SPDT
A0 A1 A2
GS
EO
14
15
D1
LED-BLUE
D2
LED-RED
U89
U56
U2
R1
U3
U1
3 1
4 13
U8
13 1 150k
U4
3 Q 7
7 DC
CV
C1
4 4.7u
MLS20
U?:
74LS08
U99
SW2
SW4
SW-SPDT
11
-SPDT
SW3
U?
10 SW-SPDT
U123
12
U56
/4LS08
4
EI 74LS3
74148
4 5 6 7 0 1 2 3 10 9 15 SW-SPDT
U321
74LS32
—e- 4
F 3' 740
1 U35
2-| ----
4 5 6
2 3 74LS21
1 15
3 6 7
13
4
74LS75
74LS48
5
13 74LS48
74LS08
9
1)数码管不发光，原因：针脚电阻接触不良。解决：换电阻重新接入。
2)计数器不计数，原因：555输出频率恒定。解决：检查555 各个接端，发
现电容接反，更正后即可计时。
3)计数器开始时输出和理论不一样，原因：置入端接线错误。解决：重新连
接。
4)计数器不按照顺序计时，原因：74LS48 未接紧，且面包板接触不良。解
决：换插口接入芯片，避免接触不好的地方接线。
5)锁存器不工作，原因：ENABLE 端接入的线不能供给高电位。解决：用万用
表测试出接线不良处更正。
6)锁存器不能正常锁定，原因：ENABLE 端接入的线不能供给低电位，74LS04
不正常。解决：换接74LS04。
7)红灯不亮，原因：正负极接反。解决：对换正负极。
8)主持人控制端无效，原因：74LS08 松动。解决：接紧即可。
9)计数器死循环，原因：没有控制使其在00 时停止计时。解决：由CO 端连线
与555 高电位输入端通过与门进行控制。
10)计数器开始时输出和理论不一样。
原因：开始时将74LS161 的预置数设成0110期望用其计满溢出时的
CO端控制/LD置数功能，但是接上电源后74LS161并不立即置数，
需等到其从0000 计数到1111 溢出后才开始计数，回到我们理想的
M5 计数功能。
解决：重新布线，利用74LS161初始置数为0000将QA和QC接上与非门电路然后控制置数，实现M5 计数器。
八、实验总结：在老师悉心指导下，经过本次课程设计使我进一步巩固课本上的
知识并且提高了自己的分析问题和解决问题的能力，还建立了自信，让自己的动手实践能力也得到了提高，为以后的工作打下了一定的基础。
在实验过程中，还使我获得了很多，比如在连接前还要规划好芯片安装位置，否则会在之后的连线中出现困难，这使我懂得了合理安排的重要性，还有在设计计数器时我按照课本上的连接方法74161 的LD 非端直接接CO 非，而导致置数无法置入。使我对书本上知识的产生怀疑，通过这增强了我的怀疑精神。其次在设计和连接过程中使我知道交流的重要性，通过交流和讨论使我少走了许多弯路，也使我懂得团队合作的重要性。
这次课程设计对于我来说收获很大。我是一个只注重理论不注重实践的人。通过本次实验，我认识到了实践的重要，也提高了我的实际动手能力。我们要学会把理论联系实际，而这次课程设计就是一个很好的机会，不仅能提高我们的理论知识，而且也培养了我们的实际动手能力。尽管在中间遇到很多问题，我的设计最后在老师的检查下发现了自己存在的问题，是因为自己想的太简单，没有认真思考。但是经过老师的指导和同学的帮助，使得这次实验能顺利完成，而且在讨论中我们也学到了很多知识，而且也对也前的知识做了一个很好的回顾。
在通过这两个礼拜地设计实习，让我真正理解了书本上知识，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，理论联系实践，相互关系。通过此次设计，我对理论知识的学习有了很大的兴趣，现在我可以主动的去学习，我明白自己该学习那个方面，重点是什么？我也掌握的了在理论中遇到问题，应该怎样去解决，在实际中遇到迷团应该怎样去检查调试。
总体来说，这次实习我受益匪浅。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，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
参考文献：王毓银主编《数字电路逻辑设计》（第三版）高等教育出版社