智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上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(xué)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(fù)位并發(fā)出搶答指令后，若搶答者按動搶答開關(guān)

2、，則該組指示燈亮并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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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）。回答問題的時間應(yīng)可調(diào)整，分別為1

4、0s、20s、50s、60s或稍長些。4、主持人應(yīng)有復(fù)位按鈕。搶答和必答定時應(yīng)有手動控制。搶答器電路原理框圖結(jié)構(gòu)門控多諧振蕩電路聲音提示電路電源電路主持人開關(guān)顯示電路控制電路搶答開關(guān)組圖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CD4042來完成的四路搶答器。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,LED1LED4等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(fù)位按鈕，觸發(fā)器CD4042是電路的核心元件。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

5、決定，CP=O時鎖存數(shù)據(jù)，CP=1時傳輸數(shù)據(jù)。三、各單元電路設(shè)計（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38）； 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STORE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輸入電位升高,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)于輸出端；CD4012為雙4輸入端與非門兩組正邏輯皆可單獨使用。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

6、降低。A系列元件會產(chǎn)生極壞之一面倒的反應(yīng)。可使用B系列元件，但非臨界之應(yīng)用。在沒有任何電平輸入時，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， 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，其輸出端Q與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CP1時CD4042進行數(shù)據(jù)傳輸，當輸入的CP0時CD4042進行數(shù)據(jù)所存（判別第一個搶答者的信號）。CD4042的好壞

7、，決定了整個電路的整體性能。、上圖是集成D鎖存器CD4042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=0時，若CP=0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=1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=0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。圖 3-7 聲響電路電路

8、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39）；當CD4012在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(dǎo)通,電流從VCC經(jīng)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)碼顯示電路一般都需要顯示驅(qū)動電路來實現(xiàn)比較復(fù)雜。而LED

9、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(yīng)的極為低電平，后種接法使其相應(yīng)極為高電平。半導(dǎo)體二極管的優(yōu)點是體積小、工作可靠、壽命長、響應(yīng)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LED1LED5等元器件組成顯示電路（如圖310），用來顯示搶答者的組別。CD4042的端輸出低電平時LED不發(fā)光。CD4042 的輸出高電平時LED發(fā)光,顯示搶答者的組別。圖38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,

10、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(yīng)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。揚聲器發(fā)聲。門控多諧振蕩器頻率由R14、C1來決定，振蕩器頻率約為800HZ。 CD4011、 CD4012的邏輯圖和實現(xiàn)的功能如下表

11、31名稱 邏輯圖實現(xiàn)的功能CD40114二輸入與非門（1/4）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。CD4012雙4輸入與非門（1/2）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 CD4011、 CD4012的邏輯圖系統(tǒng)電路工作過程如圖（33）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IC2-1CD4042等元器件組成搶答控制電路；Q1Q4、LED1LED4等元器件組成顯示電路；與非門I

12、C3CD4011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Q1Q4均輸出高電平，1-4輸出為低電平，Q1Q4均截止，發(fā)光二極管LED1LED4均不亮。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

13、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=0，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(yīng)。同時CD4042的1=1，VY1接通，LED1點亮，顯示第一路搶答。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800HZ。SA5是復(fù)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?，即CP=1，電路又回到Q1

14、Q4=1，Q1Q4=0的初始狀態(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(yīng)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

15、擬現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)檢測各種準備接入的其他各種元件，如三極管、電阻、電容、開關(guān)、指示燈、數(shù)碼管等。應(yīng)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)

16、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(yù)置等功能，檢查相應(yīng)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先后將開關(guān)閉合后后，LED1亮，說