智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計(2)

1、智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計一、搶答器的簡要智力競賽是一種生動活潑的教育形式和方法，通過搶答和必答兩種方式能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內(nèi)，使人們增加一些科學知識和生活知識。實際進行智力競賽時，一般分為若干組，各組對主持人提出的問題，分必答和搶答 兩種。必答有時間限制，到時要告警，回答問題正確與否，由主持人判別加分還是減分， 成績評定結(jié)果要用電子裝置顯示。搶答時，要判定哪組優(yōu)先，并予以指示和鳴叫。二、搶答器的任務(wù)與要求設(shè)計要求：每組設(shè)置一個搶答器按鈕，供搶答者使用。電路具有第一搶 答信號鑒別和鎖存功能。在主持人將系統(tǒng)復位并發(fā)出搶答指令后，若搶答者按 動搶答開關(guān)，則該組指示燈亮并

2、組別鑒別顯示電路顯示搶答者的組別，同時揚 聲器發(fā)出“嘀-嘟”的雙響，音響持續(xù) 2-3S。電路具備自鎖功能，使別組的搶 答器開關(guān)不起作用。設(shè)計任務(wù)：本題的根本任務(wù)是準確判別第一搶答者的信號并將其鎖存。實 現(xiàn)這功能可用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號后應該將其電路的輸出封鎖， 使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號必須在主持人發(fā)出 搶答命令后才有效，否則應視為提前搶答而犯規(guī)。當電路形成第一搶答信號之 后，LED顯示組電路顯示其組別。還可鑒別出的第一搶答信號控制一個具有兩 種工作頻率交換變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚聲器發(fā)出響音，表示該題 搶答有效。三、設(shè)計方案用TTL或CMOS集成

3、電路設(shè)計智力競賽搶答器邏輯控制電路，具體要求如下：1 .搶答組數(shù)為4組，輸入搶答信號的控制電路應由無抖動開關(guān)來實現(xiàn)。2 .判別選組電路。能迅速、準確地判處搶答者，同時能排除其它組的干擾信號，閉 鎖其它各路輸入使其它組再按開關(guān)時失去作用，并能對搶中者有光、聲顯示和嗚叫指示。3 .計數(shù)、顯示電路。每組有三位十進制計分顯示電路，能進行加/減計分。4 .定時及音響。必答時，啟動定時燈亮，以示開始，當時間到要發(fā)出單音調(diào)“嘟”聲，并熄滅指示燈。搶答時，當搶答開始后，指示燈應閃亮。當有某組搶答時，指示燈滅，最先搶答一組的燈亮，并發(fā)出音響。也可以驅(qū)動組別數(shù)字顯示 (用數(shù)碼管顯示)?；卮饐栴}的時間應可調(diào)整，分別

4、為10s、20s、50s、60s或稍長些。4、主持人應有復位按鈕。搶答和必答定時應有手動控制。搶答器電路原理框圖結(jié)構(gòu)圖3.1搶答器原理框圖結(jié)構(gòu)框圖利用鎖存型D觸發(fā)器CD404冰完成的四路搶答器。如圖3-4所示，觸發(fā)器 CD4042與非門CD4012等元器件組成搶答器的控制電路，Q1-Q4,LED1LED箸元 器件組成顯示電路，與非門 CD4011等元器件組成聲音提示電路，SA1SA4組成搶答按鈕，S5A復位按鈕，觸發(fā)器CD404純電路的核心元件。當6腳輸出高 電平時，觸發(fā)器 CD4042的輸出狀態(tài)由輸入的時鐘脈沖的的高的電平來決定， CP=OM鎖存數(shù)據(jù)，CP=1時傳輸數(shù)據(jù)。三、各單元電路設(shè)計(

5、1)控制電路的設(shè)計控制電路是由鎖存型的 D觸發(fā)器CD4042和與非門CD4012等組成（如圖3-8）; CD4042含有四組具有共同單位控制儲存指揮輸入.控制極性是可以選擇的。如POL輸入為低電平電位及STOR輸入亦為低電平,送至D輸入之數(shù)據(jù)將在其個別真的及互補的輸出端出現(xiàn)當 STORE俞入電位升高，在此輸入之數(shù)據(jù)于正過度時即儲存于內(nèi)部并以真值形式出現(xiàn)Q輸出端及其互補出現(xiàn)于Q輸出端；CD4012 為雙4輸入端與非門兩組正邏輯皆可單獨電位低時，將使輸出端電位升高。如四個輸入端皆為高電平時，則輸出端之電位降低。A系列元件會產(chǎn)生極壞之一面倒的反應?？墒褂?B系列元件，但非臨 界之應用。在沒有任何電平

6、輸入時，CD4042的4個輸入端經(jīng)過電阻上拉為高電 平，根據(jù)其功能表可知其四個 Q輸出端為高電平，Q輸出端為低電平LED不顯 示，此時與非門CD4012輸出為低電平使多諧振蕩電路停振， 從而控制整個電路 處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之,當CD4042輸入高電平時，具輸出端Q與Q分別輸出低電 平和高電平，CD4012輸出低電平使多諧振蕩電路起振，從而控制整個電路進行 正常的工作?？刂齐娐肥钦麄€電路的核心部分， 當輸入的CP= 1時CD4042a行 數(shù)據(jù)傳輸，當輸入的CP= 0時CD4042a行數(shù)據(jù)所存（判別第一個搶答者的信號）。 CD4042的好壞，決定了整個電路的整體性能。、上圖是集成D鎖存器CD4042

7、的邏輯圖和功能表。芯片中含有 4個D鎖存器單 元，共用一個時鐘脈沖，CP為時鐘端，POL為極性控制信號。CD4042功能見圖， 它的功能為：當極性控制信號 POL=）時，若CP=）觸發(fā)器接收D信號，并在CP 上升沿到來時，鎖存D信號，CP=1期間自鎖D信號；當POL=I時，則CP=1時， 觸發(fā)接收D信號，CP下降沿到來時鎖存D信號，CP=）期間自鎖。圖3-6控制電路（2）聲響電路的設(shè)計聲響電路用一個音頻振蕩器去推動一個揚聲器 （蜂鳴器）工作即可。為求電路 簡單，聲響電路所示一般聲響電路都由集成音樂芯片或簡單的分立元件構(gòu)成。VCC 12V -VCGU7BUZZER;200,*Hz, + 1211

8、1711圖3-7聲響電路電路本聲響電路的設(shè)計主要采用多諧振蕩器和Q1等元件組成（如圖3- 9）;當CD4012&輸出低電平時多諧振蕩電路不工作；聲響提示電路處于穩(wěn)定狀態(tài)（不 工作）。當CD4012在輸出高電平時多諧振蕩電路起振；驅(qū)動三極管工作從而帶 動揚聲器發(fā)出聲音。聲響提示電路處于工作狀態(tài)）。當有信號從振蕩電路輸出時， 電流經(jīng)R15形成一電壓壓降在 Q1的基極，此時Q1導通，電流從VCCg蜂鳴器到 地，從而蜂鳴器發(fā)聲。該裝置中，直流電源提供12V電壓，足夠驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，所以不需要接入74LS244驅(qū)動。（3）顯示電路顯示電路一般由LED為發(fā)光二極管或數(shù)碼顯示器來實現(xiàn)，由于數(shù)碼顯示電 路一般

9、都需要顯示驅(qū)動電路來實現(xiàn)比較復雜。而LED為發(fā)光二極管主要加上適當?shù)恼螂妷?，該管即可發(fā)光，LED內(nèi)接法有兩種：即共陽極和共陰極接法， 要使其對方的發(fā)光二極管發(fā)光，前種接法使其相應的極為低電平，后種接法使 其相應極為高電平。半導體二極管的優(yōu)點是體積小、工作可靠、壽命長、響應 速度快、顏色豐富、缺點是功耗較大。在本電路的設(shè)計中主要采用 Q1-Q4和LED卜LED5等元器件組成顯示電路 (如圖310),用來顯示搶答者的組別。CD4042白Q端輸出低電平時LED不發(fā) 光。CD4042的Q輸出高電平時LED發(fā)光，顯示搶答者的組別。LEO1 :Hr：:四一I-10kCl ” X OkR一：良M：TH;1

10、 cikn ;:11711pN!71 -Ra : iDkn:總也： oon ”:LEC2:皿3 ：.RE11 ：AA/vioon :胃13：: AAA 1 non圖3 8顯示電路(4)門控多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后不需要外加觸發(fā)信號，電路 狀態(tài)能夠自動地不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出.由于矩形波中的諧波分量很多， 因此這種振蕩器冠以“多諧”二字。在數(shù)字電路設(shè)計中常常使用555多諧振蕩電路、施密特振蕩電路或者由簡單的門電路來實現(xiàn)，由于 555多諧振蕩電路、 施密特振蕩電路應用于對于電路精度要比較高的電路設(shè)計中。與普通的門電路 相比門電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低 、實現(xiàn)容易

11、的特點。而在本電路的設(shè)計中門控多諧振蕩電路由CD4011門電路和R14 C1等組成。它主要用來驅(qū)動 Q5使揚聲器發(fā)出聲音。開關(guān)按下與非門輸出高電平，門控多諧振蕩器起振。揚聲CD4011、 CD4012的邏輯圖和實現(xiàn)的功能如下表 31名稱邏輯圖實現(xiàn)的功能CD40114二輸 入與非 門（1/4）CD4012雙4輸 入與非 門（1/2）00ms所有這四組正邏輯反和閘皆可單獨使用之。當任一閘之間或兩輸入端電位低時，則輸出端之電位升高；兩輸入端同時電位高時，輸出端之電位降低。當任一閘之一或一個以上 之輸入端電位低時，將使輸出 端電位升高。如四個輸入端皆 為高電平時，則輸出端之電位 降低。表 31 CD4

12、011、CD4012 的邏輯圖系統(tǒng)電路工作過程如圖（3 3）所示搶答器由控制電路、顯示電路和聲音提示電路3部分組成。鎖存型D觸發(fā)器CD4042、與非門IC2-1CD404邱元器件組成搶答控制電路； Q1Q4、LED1LED將元器件組成顯示電路；與非門IC3CD4011等元器件組成 聲音提示電路。J1AJ4A是搶答按鈕，J5A位按鈕。四位鎖存器D觸發(fā)器CD4042 是整個電路的核心器件，當POL6腳接高電平時，D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)由輸入時 鐘脈沖的極性決定，即CP=1時，傳輸數(shù)據(jù)，CP=0時鎖存數(shù)據(jù)。當Q1Q4沒有按下時，CD4042的個輸入端D1D4經(jīng)過電阻R1R4上拉為高電 平，因此其輸出端Q

13、1Q4均輸出高電平，Q1-Q4輸出為低電平，Q1Q4均截 止，發(fā)光二極管LED1LED4勻不亮。此時與非門IC2-1CD4012輸出低電平，由 U4A、U6A CD4011等元器件組成的門控多諧振蕩器處于停振狀態(tài)，提示音電路 不工作。同時與非門 U3ACD4042輸出低電平，使得 U5A CD4011輸出高電平， 即CP=1 D觸發(fā)器處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。假如 SA1被按下，此時D1=0, Q1=0, 使得U2A4042輸出為高電平，U5A CD4011為低電平，即CP=Q D觸發(fā)器轉(zhuǎn)入 鎖存狀態(tài)，再按下其他按鈕，電路不再響應。同時 CD4042的Ql=1, VY1接通, LED1點亮，顯示第一路

14、搶答。在按下S1A的同時，與非門U3A輸出高電平，門控多諧振蕩器起振，由 Q5驅(qū)動揚聲器發(fā)出提示音。門控振蕩器的振蕩頻率由R14 C1的參數(shù)決定，振蕩頻率約為800H乙SA5是復位按鈕，按下J5A,可使與非門U5A CD4011的一個輸入端置零，其輸出變?yōu)楦唠娖?，?CP=1電路又回到Q1Q4=1 Q1Q4=0B勺初始狀態(tài)，為 下一輪搶答做好準備，其他3路的工作原理與之相同。(5)總電路仿真分析4042BP 10VJ4Jiuj-SU66 1O12EF_1DVU4CHpiieo iovQC c2M1T11四、電路的安裝與調(diào)試數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計完成后，一個重要的步驟是安裝調(diào)試。這一步是對設(shè)計內(nèi) 容

15、的檢驗，也是設(shè)計修改的實踐過程，是理論知識和實踐知識綜合應用的重要環(huán)節(jié)。安裝 調(diào)試的目標是使設(shè)計電路滿足設(shè)計的功能和性能指標，并且具有系統(tǒng)要求的可靠性、穩(wěn)定 性、抗干擾能力。這里簡要敘述安裝調(diào)試數(shù)字電路的幾個步驟。（1） 檢測電路元件 最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測方法是用儀器測量、用電路實驗或用替代方法接入已知的電路中。集成電路的檢測儀器主要用集成電路測試儀，還可用數(shù)字 電壓表作簡易測量。實驗電路則模擬現(xiàn)場應用環(huán)境測試集成芯片的功能。替代法測試必須具備已有的完好工作電路，將待測元件替代原有器件后觀察工作情況。除集成電路芯片外， 還應檢測各種準備接入的其他各種元件，如三極管、電阻、電容

16、、開關(guān)、指示燈、數(shù)碼管等。應確信元件的功能正確、可靠才能裝入電路安裝。（2） 電路安裝數(shù)字電路系統(tǒng)在設(shè)計調(diào)試中，往往是先用面包板進行試裝，只有試裝成功，經(jīng)調(diào)試確定各種待調(diào)整的參數(shù)合適后，才考慮設(shè)計成印制電路。試裝中，首先要選用質(zhì)量較好的面包板，使各接插點和接插線之間松緊適度。安裝中的問題往往集中在接插線的可靠性上，特別需要引起注意。安裝的順序一般是按照信號流向的順序，先單元后系統(tǒng)、邊安裝邊測試的原則進行。先安裝調(diào)試單元電路或子系統(tǒng)，在確定各單元電路或子系統(tǒng)成功的基礎(chǔ)上，逐步擴大電路 的規(guī)模。各單元電路的信號連接線最好有標記，如用特別顏色的線，以便能方便斷開進行 測試。（3） 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試試

17、將安裝測試成功的各單元連接起來，加上輸入信號進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題則先對故障進行定位，找出問題所在的單元電路。一般采用故障現(xiàn)象估測法（根據(jù)故障情況估計問題所在位置）、對分法（將故障大致所在部分的電路對分成兩部分，逐一查找）、對比法（將類型相同的電路部分進行對比或?qū)Q位置）等。系統(tǒng)測試一般分靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試時，在各輸入端加入不同電平值，加 高電平（一般接1千歐以上電阻到電源）、低電平（一般接地）后，用數(shù)字萬用表測量電路 各主要點的電位，分析是否滿足設(shè)計要求。 動態(tài)測試時，在各輸入端接入規(guī)定的脈沖信號， 用示波器觀察各點的波形，分析它們之間的邏輯關(guān)系和延時。除了調(diào)試電路的正常工作狀態(tài)外，另外特別要注意調(diào)試初始狀態(tài)、系統(tǒng)清零、預置等 功能，檢查相應的開關(guān)、按鍵、撥盤是否可靠，手感是否正常。五、總結(jié)與體會1、結(jié)果分析：當在主持人將開關(guān)S5A清零宣布搶答開始命令后，S1A S2A S3A先