智力竞赛抢答器逻辑电路设计

智力竞赛抢答器逻辑电路设计智力竞赛抢答器逻辑电路设计 一、抢答器的简要一、抢答器的简要 智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法， 通过抢答和必答两种方式能引起 参赛者和观众的极大兴趣， 并且能在极短的时间内， 使人们增加一些科学知识和生活知识。 实际进行智力竞赛时，一般分为若干组，各组对主持人提出的问题，分必答和抢答 两种。必答有时间限制，到时要告警，回答问题正确与否，由主持人判别加分还是减分， 成绩评定结果要用电子装置显示。抢答时，要判定哪组优先，并予以指示和鸣叫。 二、抢答器的任务与要求二、抢答器的任务与要求 设计要求：每组设置一个抢答器按钮，供抢答者使用。电路具有第一抢 答信号鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若抢答者按 动抢答开关，则该组指示灯亮并组别鉴别显示电路显示抢答者的组别，同时扬 声器发出“嘀-嘟”的双响，音响持续 2-3S。电路具备自锁功能，使别组的抢 答器开关不起作用。 设计任务：本题的根本任务是准确判别第一抢答者的信号并将其锁存。实 现这功能可用触发器或锁存器等。 在得到第一信号后应该将其电路的输出封锁， 使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号必须在主持人发出 抢答命令后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。当电路形成第一抢答信号之 后，LED 显示组电路显示其组别。还可鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两 种工作频率交换变化的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出响音，表示该题 抢答有效。 三、设计方案三、设计方案 用 TTL 或 CMOS 集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路，具体要求如下： 1. 抢答组数为 4 组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。 2. 判别选组电路。能迅速、准确地判处抢答者，同时能排除其它组的干扰信号，闭 锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中者有光、声显示和呜叫指示。 3. 计数、显示电路。每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。 4. 定时及音响。 必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示 灯。 抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一 组的灯亮，并发出音响。也可以驱动组别数字显示（用数码管显示） 。回答问题的时间应可 调整，分别为 10s、20s、50s、60s 或稍长些。 4、主持人应有复位按钮。抢答和必答定时应有手动控制。 抢答器电路原理框图结构 电源电路 抢 答 开 关 控 制 显示电路 声音提示电路 门控多谐振荡电路 主持人开关电 路 图图 3.13.1 抢答器原理框图结构框图抢答器原理框图结构框图 利用锁存型 D 触发器 CD4042 来完成的四路抢答器。如图 3-4 所示，触发器 CD4042 与非门 CD4012 等元器件组成抢答器的控制电路， Q1-Q4,LED1~LED4 等元 器件组成显示电路，与非门 CD4011 等元器件组成声音提示电路， SA1~SA4 组 成抢答按钮，S5A 复位按钮，触发器 CD4042 是电路的核心元件。当 6 脚输出高 电平时，触发器 CD4042 的输出状态由输入的时钟脉冲的的高的电平来决定， CP=O 时锁存数据，CP=1 时传输数据。 三、各单元电路设计三、各单元电路设计 （1）控制电路的设计 控制电路是由锁存型的 D 触发器 CD4042 和与非门 CD4012 等组成（如图 3 －8） ； CD4042 含有四组具有共同单位控制储存指挥输入.控制极性是可以选择 的。 如 POL 输入为低电平电位及 STORE 输入亦为低电平,送至 D 输入之数据将在 其个别真的及互补的输出端出现当 STORE 输入电位升高,在此输入之数据于正 过度时即储存于内部并以真值形式出现 Q 输出端及其互补出现于Q输出端；CD4012 为双 4 输入端与非门两组正逻辑皆可单独 使用。当任一闸之一或一个以上之输入端 电位低时，将使输出端电位升高。如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电 位降低。A 系列元件会产生极坏之一面倒的反应。可使用 B 系列元件，但非临 界之应用。在没有任何电平输入时，CD4042 的 4 个输入端经过电阻上拉为高电 平，根据其功能表可知其四个 Q 输出端为高电平，Q输出端为低电平 LED 不显 示，此时与非门 CD4012 输出为低电平使多谐振荡电路停振，从而控制整个电路 处于稳定状态。反之，当CD4042 输入高电平时，其输出端Q 与Q分别输出低电 平和高电平，CD4012 输出低电平使多谐振荡电路起振，从而控制整个电路进行 正常的工作。控制电路是整个电路的核心部分，当输入的 CP＝1 时 CD4042 进行 数据传输， 当输入的CP＝0时CD4042进行数据所存 （判别第一个抢答者的信号） 。 CD4042 的好坏，决定了整个电路的整体性能。 、 上图是集成 D 锁存器 CD4042 的逻辑图和功能表。芯片中含有 4 个 D 锁存器单 元， 共用一个时钟脉冲， CP 为时钟端， POL 为极性控制信号。 CD4042 功能见图， 它的功能为：当极性控制信号 POL=0 0 时，若 CP=0 0 触发器接收 D 信号，并在 CP 上升沿到来时，锁存 D 信号，CP=1 1 期间自锁 D 信号；当 POL=1 1 时，则 CP=1 1 时， 触发接收 D 信号，CP 下降沿到来时锁存 D 信号，CP=0 0 期间自锁。 图图 3-63-6控制电路控制电路 （2）声响电路的设计 声响电路用一个音频振荡器去推动一个扬声器(蜂鸣器)工作即可。 为求电路 简单,声响电路所示一般声响电路都由集成音乐芯片或简单的分立元件构成。 图图 3-7 3-7 声响电路电路声响电路电路 本声响电路的设计主要采用多谐振荡器和 Q1 等元件组成（如图 3－9） ；当 CD4012 在输出低电平时多谐振荡电路不工作；声响提示电路处于稳定状态（不 工作） 。当 CD4012 在输出高电平时多谐振荡电路起振；驱动三极管工作从而带 动扬声器发出声音。 声响提示电路处于工作状态） 。 当有信号从振荡电路输出时， 电流经 R15 形成一电压压降在 Q1 的基极， 此时 Q1 导通,电流从 VCC 经蜂鸣器到 地，从而蜂鸣器发声。该装置中，直流电源提供 12V 电压，足够驱动蜂鸣器发 声，所以不需要接入 74LS244 驱动。 （3）显示电路 显示电路一般由 LED 为发光二极管或数码显示器来实现，由于数码显示电 路一般都需要显示驱动电路来实现比较复杂。而 LED 为发光二极管主要加上适 当的正向电压，该管即可发光，LED 内接法有两种：即共阳极和共阴极接法， 要使其对方的发光二极管发光，前种接法使其相应的极为低电平，后种接法使 其相应极为高电平。半导体二极管的优点是体积小、工作可靠、寿命长、响应 速度快、颜色丰富、缺点是功耗较大。 在本电路的设计中主要采用 Q1-Q4 和 LED1～LED5 等元器件组成显示电路 （如图 3－10） ，用来显示抢答者的组别。CD4042 的Q端输出低电平时 LED 不发 光。CD4042 的Q输出高电平时 LED 发光,显示抢答者的组别。 图图 3 3－－8 8 显