多路智力竞赛抢答器
XXXX
（XXXX 学院 电子信息工程学院，XXXX XXXX）
摘要：抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以多路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发, 利用电子设计自动化( EDA) 技术, 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能。该抢答器的设计利用Multisim11完成了原理图设计和电路仿真，具有数字显示、倒计时显示、编码译码功能，应用效果良好。
关键词：电子设计自动化；数字电子技术；抢答器；仿真
1 抢答器的功能要求
1.1 基本功能
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7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，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。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。
1.2 扩展功能
（1） 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30秒）。当主持人启动" 开始" 键后，定时器进行减计时。同时扬声器发出短暂的响声，响声持续0.5秒左右。发光二极管灯亮。
（2） 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，并保持到主持人将系统清除为止。
（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.3 设计要求
在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光或音响等多种手段指示出第一抢答者。
（1）设计制作一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。
（2）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人系统发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时指示灯(发光二极管) 亮。此时，电路应具备自锁存功能，使别组的抢答开关不起作用。
（3）若超时仍无人抢答，则报警指示灯熄灭。
2 设计及原理
2.1 总体方案设计
2.1.1 设计思路
①本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。
②当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。
③在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则计时指示灯灭表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。
2.1.2 总电路框图
图1总电路框图
2.2 各模块设计方案与原理说明
2.2.1 抢答电路
此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。
使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于" 清除" 端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端＝ 0，使之处于工作状态。当开关S 置于" 开始" 时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148 优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR ＝1，使优先编码工作标志端＝1， 5 所以74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次
抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
原理图如下：
图2抢答电路原理图
2.2.2 定时电路设计
节目主持人可以根据题目的难易程度，设计一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由555定时器提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，直接锁住电路选手抢答无效。
原理电路如下：
图3 可预置时间的定时电路原理图
2.2.3 时序控制电路设计
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）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
（2）当参赛选手按动抢答按键时，抢答电路和定时电路停止工作。
图4 时序控制电路原理图
（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，锁定电路，定时和定时电路停止工作。
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如（图4）所示。图中，门G1 的
作用是控制时钟信号CP 的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。工作原理是：主持人控制开关从“清除” 位置拨到“开始”位置时，来自于（图2）中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP 能够加到74LS192的CPD 时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q ＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
3 电路仿真
我们为了更加精确，快速的设计好电路，选择先在仿真软件上进行仿真，按照以上所述原理，也是把电路分成几个部分进行仿真，仿真图如下：
3.1 抢答电路的仿真
第7路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下图：
图5抢答电路仿真图
3.2 定时电路的仿真
倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下图：
图6定时电路仿真图
3.3 总电路的仿真
图7总电路仿真图
4 整体电路的图像
我们通过电路的仿真，验证了以上所述原理的正确性，接着在学校的实验箱上进行操作，电路图像所下：
图8整体电路图像
5 性能测试数据
在电路箱在进行接线时，分成几个部分，在对电路进行测试，结果如下： 5.1 抢答电路
主持人开关接地时灭灯，开关打开时可以抢答。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（1～8），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。 5.2 定时电路
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。
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。 5.3 综合分析
在电路箱接线，调试后，电路的设计是成功的，但在此过程也遇到一些麻烦，比如说实验室一些芯片没有了，我们选择用别的电路来代替。像74LS279RS 触发器, 最后用与非门连接而成还有在调试的过程中也遇到了一些麻烦，不过都被解决了。
6 设计总结
这次课程设计的电路是比较复杂的。有了上学期的模电设计作为基础，这学期的数电做起来顺手多了，不过在设计的过程中还是遇到了一些麻烦，都被一一解决了，对于实验室没有的一些芯片，我们也可以通过自己所学的知识根据芯片功能参数来选用别的芯片来代替。这让我们对数电的逻辑功能有了更加深入的了解。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。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。
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。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：
[1] 范文兵. 数字电子技术基础[M].清华大学出版社, 2007 [2] 王毓银. 数字电路逻辑设计. 第三版[M].高等教育出版社, 2005
[3] 崔葛瑾. 数字电路实验基础[M].同济大学出版社, 2005
[4] 吕思忠、施齐云. 数字电路实验与课程设计[M].哈尔滨工程大学出版社, 2001 [5] 谢自美. 电子线路. 设计. 实验. 测试. 第三版[M]. 华中科技大学出版社, 2006
7 附录
元件清单
《数字电子技术》课程设计评分表
设计题目：多路智力竞赛抢答器设计
多路智力竞赛抢答器
XXXX
（XXXX 学院 电子信息工程学院，XXXX XXXX）
摘要：抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以多路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发, 利用电子设计自动化( EDA) 技术, 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能。该抢答器的设计利用Multisim11完成了原理图设计和电路仿真，具有数字显示、倒计时显示、编码译码功能，应用效果良好。
关键词：电子设计自动化；数字电子技术；抢答器；仿真
1 抢答器的功能要求
1.1 基本功能
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7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，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。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。
1.2 扩展功能
（1） 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30秒）。当主持人启动" 开始" 键后，定时器进行减计时。同时扬声器发出短暂的响声，响声持续0.5秒左右。发光二极管灯亮。
（2） 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，并保持到主持人将系统清除为止。
（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.3 设计要求
在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光或音响等多种手段指示出第一抢答者。
（1）设计制作一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。
（2）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人系统发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时指示灯(发光二极管) 亮。此时，电路应具备自锁存功能，使别组的抢答开关不起作用。
（3）若超时仍无人抢答，则报警指示灯熄灭。
2 设计及原理
2.1 总体方案设计
2.1.1 设计思路
①本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。
②当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。
③在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则计时指示灯灭表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。
2.1.2 总电路框图
图1总电路框图
2.2 各模块设计方案与原理说明
2.2.1 抢答电路
此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。
使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于" 清除" 端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端＝ 0，使之处于工作状态。当开关S 置于" 开始" 时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148 优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR ＝1，使优先编码工作标志端＝1， 5 所以74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次
抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
原理图如下：
图2抢答电路原理图
2.2.2 定时电路设计
节目主持人可以根据题目的难易程度，设计一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由555定时器提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，直接锁住电路选手抢答无效。
原理电路如下：
图3 可预置时间的定时电路原理图
2.2.3 时序控制电路设计
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）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
（2）当参赛选手按动抢答按键时，抢答电路和定时电路停止工作。
图4 时序控制电路原理图
（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，锁定电路，定时和定时电路停止工作。
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如（图4）所示。图中，门G1 的
作用是控制时钟信号CP 的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。工作原理是：主持人控制开关从“清除” 位置拨到“开始”位置时，来自于（图2）中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP 能够加到74LS192的CPD 时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q ＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
3 电路仿真
我们为了更加精确，快速的设计好电路，选择先在仿真软件上进行仿真，按照以上所述原理，也是把电路分成几个部分进行仿真，仿真图如下：
3.1 抢答电路的仿真
第7路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下图：
图5抢答电路仿真图
3.2 定时电路的仿真
倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下图：
图6定时电路仿真图
3.3 总电路的仿真
图7总电路仿真图
4 整体电路的图像
我们通过电路的仿真，验证了以上所述原理的正确性，接着在学校的实验箱上进行操作，电路图像所下：
图8整体电路图像
5 性能测试数据
在电路箱在进行接线时，分成几个部分，在对电路进行测试，结果如下： 5.1 抢答电路
主持人开关接地时灭灯，开关打开时可以抢答。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（1～8），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。 5.2 定时电路
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。
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。 5.3 综合分析
在电路箱接线，调试后，电路的设计是成功的，但在此过程也遇到一些麻烦，比如说实验室一些芯片没有了，我们选择用别的电路来代替。像74LS279RS 触发器, 最后用与非门连接而成还有在调试的过程中也遇到了一些麻烦，不过都被解决了。
6 设计总结
这次课程设计的电路是比较复杂的。有了上学期的模电设计作为基础，这学期的数电做起来顺手多了，不过在设计的过程中还是遇到了一些麻烦，都被一一解决了，对于实验室没有的一些芯片，我们也可以通过自己所学的知识根据芯片功能参数来选用别的芯片来代替。这让我们对数电的逻辑功能有了更加深入的了解。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。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。
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。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：
[1] 范文兵. 数字电子技术基础[M].清华大学出版社, 2007 [2] 王毓银. 数字电路逻辑设计. 第三版[M].高等教育出版社, 2005
[3] 崔葛瑾. 数字电路实验基础[M].同济大学出版社, 2005
[4] 吕思忠、施齐云. 数字电路实验与课程设计[M].哈尔滨工程大学出版社, 2001 [5] 谢自美. 电子线路. 设计. 实验. 测试. 第三版[M]. 华中科技大学出版社, 2006
7 附录
元件清单
《数字电子技术》课程设计评分表
设计题目：多路智力竞赛抢答器设计