八路智能数字电路抢答器基于multisim

八路智能数字电路抢答器

目录

一、设计任务与要求 2

1.1主要任务 2

1.2具体要求 2

二、方案设计与论证 3

2.1方案设计 3

2.1.1方案一：基于编码器和译码器的抢答器设计 3

2.1.2方案二：基于触发器和计数器的抢答器设计 4

2.2对比分析 5

2.3结论： 6

三、单元电路设计与参数计算 7

3.1 秒脉冲电路 7

3.2 定时电路 8

3.2.1定时电路需要实现的基本功能： 8

3.3 提示电路 10

3.4抢答电路 11

3.5控制电路 13

四、总原理图及元件清单 15

4.1总原理图 15

4.2元件清单 15

五、性能测试与分析 17

5.1 功能电路测试与分析 17

5.1.1测试步骤： 17

5.1.2数据处理 18

5.2 性能测试 19

5.2.1测试步骤： 19

六、结论 20

6.1电路组成部分 20

6.2实现的功能 20

6.3电路的优点和不足 20

6.4本次课程作业的问题 21

6.5建议 21

七、参考文献 22

一、设计任务与要求

1.1主要任务

1．设计一个数字电路抢答器，实现以下功能：

2．基本功能：八路抢答、倒计时显示；

3．扩展功能：LED指示灯提示、蜂鸣器提示、倒计时设置。

1.2具体要求

1．为八位选手每人提供一个抢答按钮。

2．为主持人提供系统控制按键，分别控制抢答开始与系统复位。

3．数据锁存与显示功能：主持人切换至抢答开始后，红色LED指示灯亮，蜂鸣器发出提示，若有任何一名选手按下抢答按钮，则在一位抢答结果数码管中显示其编号，同时绿色LED指示灯亮，红色LED指示灯灭，蜂鸣器停止提示，后续其他人再按其抢答按钮均无效，若主持人未切换至抢答开始，则任何选手按抢答按钮，系统均不作响应。

4．倒计时功能：主持人切换至抢答开始后，开始倒计时计数，并用一位倒计时数码管显示，若抢答有效，则定时器停止倒计时：若设定时间内无选手进行抢答，则红色LED指示灯亮，禁止选手超时抢答，抢答结果数码管无显示，倒计时数码管显示0，蜂鸣器停止提示。

5．主持人切换至系统复位状态时，可通过倒计时设置按钮在1~9秒内调整倒计时时间(按下一次倒计时设置按钮十1秒或-1秒)，抢答开始后，倒计时设置按钮无效。

二、方案设计与论证

2.1方案设计

2.1.1方案一：基于编码器和译码器的抢答器设计

核心组件：

1．8个抢答按钮；

2．2个LED指示灯（红色和绿色）；

3．1个蜂鸣器；

4．3个七段数码管；

5．1个计数器（74ls192）和定时器(555)来实现倒计时功能；

6．优先编码器（采用74LS148，用于识别第一个按下的按钮）；

7．2个锁存芯片（74ls279，用于锁存结果）；

8．3-8译码器（用于显示选手编号）；

9．4位二进制计数器（用于倒计时）；

10．逻辑门若干。

工作原理：

1．使用8个输入按钮对应8位选手。用优先编码器识别第一个按下的按钮，并将其转换为3位二进制输出。

2．使用3-8译码器将3位二进制输出转换为对应的七段数码管显示。

3．主持人通过系统控制按键发出开始或复位信号。

4．开始信号触发后，红色LED亮起，蜂鸣器发出提示，4位二进制计数器开始倒计时。

5．优先编码器检测到第一个按下的按钮后，立即通过逻辑门控制停止倒计时，显示选手编号，绿色LED亮起，红色LED熄灭，蜂鸣器停止。

6．如果设定时间内无选手抢答，红色LED亮起，倒计时数码管显示0。

7．方案一如图1-1所示它由主体电路和扩展电路两部分组成：

2.1.2方案二：基于触发器和计数器的抢答器设计

核心组件：

1．8个抢答按钮；

2．2个LED指示灯（红色和绿色）；

3．1个蜂鸣器；

4．4位二进制计数器（用于倒计时）

5．2个七段数码管（用于显示选手编号和倒计时）；

6．2个JK触发器（用于锁存抢答结果）；

7．4位二进制计数器（用于一位倒计时）；

8．3-8译码器（用于显示选手编号）；

9．逻辑门（AND、OR、NOT等）。

工作原理：

1．使用8个输入按钮对应8位选手。

2．使用2个JK触发器分别锁存抢答成功选手的编号和倒计时状态。

3．主持人通过系统控制按键发出开始或复位信号，控制逻辑门状态。

4．开始信号触发后，红色LED亮起，蜂鸣器发出提示，4位二进制计数器开始倒计时。

5．任何选手按下按钮，通过逻辑门判断是否在抢答时间内，如果是，则锁存选手编号，停止倒计时，显示选手编号，绿色LED亮起，红色LED熄灭，蜂鸣器停止。

6．如果设定时间内无选手抢答，红色LED亮起，倒计时数码管显示0，禁止抢答。

7．方案二如图1-2所示：

2.2对比分析

方案一的分析：

优势：

1．优先编码器：快速识别第一个按下的按钮，响应速度快。

2．锁存芯片：74ls279可以稳定地锁存结果，减少误判。

3．倒计时功能：1个74ls192计数器实现的倒计时功能，可能更稳定。

劣势：

1．组件数量较多，可能增加设计复杂度和成本。

方案二的分析：

优势：

1．成本可能较低：组件数量相对较少。

2．JK触发器：可以锁存抢答结果，但可能在响应速度上不如优先编码器。

劣势：

1．单一倒计时显示：4位二进制计数器用于显示选手编号和倒计时，可能在显示上不够清晰。

2．稳定性问题：如果逻辑门设计不当，可能会增加误判的风险。

2.3结论：

选择方案一的理由如下：

1．快速响应：优先编码器能够快速识别第一个按下的按钮，这对于抢答器至关重要。

2．显示清晰：倒计时选择范围和更完整的功能实现。

3．稳定性：锁存芯片74ls279和两个74ls192计数器的使用，提高了系统的稳定性。

4．成本效益：虽然方案一的组件数量较多，但考虑到性能、稳定性和功能完整度，这是合理的投资。

5．易用性：考虑到操作的简便性，主持人和选手都能容易地使用。

三、单元电路设计与参数计算

3.1 秒脉冲电路

计数器的时钟由秒脉冲电路提供，用555构成的多谐振荡器构成[^1],555定时器构成的多谐振荡器如图 3-1。

图 3-1

当接通电源后，电容C上的初始电压为0，使电路输出为1，放电管 T截止，电源通过R₁、R₂向C充电。当uc上升到Ucc/3时，电路状态保持不变，当uc继续充电到 时，电路发生翻转，输出变为0。这时T导通，电容C通过R₂、T 到地放电，uc开始下降。 当降到Ucc/3 时，输出又翻回到1状态，放电管T截止，电容 C 又开始充电。如此周而复始，就可在引脚3输出连续的矩形波信号，工作波形如图3-2所示。

由图3-2 可见, uc将在 UCC/3 与 之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T₁和放电时间 T₂为：

所以输出波形的周期为：

振荡频率为：

计算可以得出电阻R与电容c的关系，给定电容值，可适配解出电阻值得到如下图的电路3-3:

图 3-3

3.2 定时电路

3.2.1定时电路需要实现的基本功能：

（1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，定时器电路进入正常抢答工作状态即开始进行倒计时。

（2）当参赛选手按动抢答按钮时，定时器电路停止工作并且锁存抢答时刻剩余时间。

（3）当设计的抢答时间到，无人抢答时，定时电路停止工作即归位。3.2.2定时电路的设计原理[^2]:

抢答过程中有时间限制，需设计倒计时电路即定时电路，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，倒计时电路的实现主要依靠74LS192的减法计数功能，所需的CP脉冲信号由555振荡电路提供。74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器。74LS192引脚图和功能表如图3-4和表3-5，设计的定时电路如图3-6。

74LS192芯片D0，D1，D2，D3为预置数输入端，Q0，Q1，Q2，Q3为计数数据输出端， 为借位输出端（低电平有效）， 为进位输出端（低电平有效）。

图 3-4

表 3-5

图 3-6

74LS192具有预置数功能，通过74LS192的置数端主持人根据需求设置初始时间，抢答开始前74LS192处于清零锁存状态，当主持人按下开关后，由秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入74LS192，使芯片由预置数进入减计数转态，触发报警电路蜂鸣器产生报警信号; 若没有选手抢答，一直减计数，当计数至0时, 阻止秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。若计时期间有人抢答，同样使减计数器停止计时，显示器上显示此刻剩余时间。

3.3 提示电路

蜂鸣器功能

蜂鸣器是一种能够产生声音的电子元件，其工作原理基于电磁振动,蜂鸣器通常由振膜、线圈和永磁体组成，通过控制输入电压的频率和幅度可以调节蜂鸣器的声音特性。

为了实现蜂鸣器功能,需要设置蜂鸣器的相关参数, 我们采用5V作为工作电压, 1KHz作为发生频率构成图3-7所示电路, 在开始抢答后倒计时开始同时蜂鸣器开始发声, 若抢答有效，则停止发声; 定时间内无选手进行抢答，禁止选手超时抢答，抢答结果数码管无显示，倒计时数码管显示0，蜂鸣器停止提示。

图 3-7

LED灯功能

主持人切换至抢答开始后，红色LED指示灯亮，若有任何一名选手按下抢答按钮，绿色LED指示灯亮，同时红色LED灯熄灭, 若设定时间内无选手进行抢答，则红色LED指示灯亮，禁止选手超时抢答。LED灯点亮如图3-8.

图 3-8

3.4抢答电路

抢答电路的功能有两个：一是能分辨选手按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。选用优先编码器74LS148和锁存器74L279, 译码器与共阴极数码管等实现该电路, 如图3-9所示。

普通编码器在任何时刻只能有一个输入信号有效，并对该信号进行编码，而优先编码器允许多个输入信号同时有效，但它只对优先级最高的有效输入信号进行编码输出。图3-10 是 8-3线优先编码器74LS148的逻辑符号和引脚图，其真值表如表3-11所示。

图 3-10

表 3-11

由74LS148的真值表(见表3-11)可知，该编码器有8个信号输入端0~7，3个代码输出端A₀、A₁、A₂，1个输入使能端EI，1 个输出使能端EO和1 个输出扩展端CS。

(1)74LS148输入端为低电平有效(逻辑符号中用小圆圈表示)，7输入端优先级最高，0输入端优先级最低。输出代码为反码(逻辑符号中用小圆圈表示)。

(2)EI为输入使能端，低电平有效。EI=1时，不管输入信号如何变化或是否有效，输出代码均不变化且为111，编码器处于非工作状态；而 EI=0时，编码器处于工作状态。

(3)EO为输出使能端，低电平有效。当EI=0且输入端无有效信号时，EO=0。故 EO=0实际上表示编码器处于工作状态，但此时无编码信号输入。

(4)CS为输出扩展端，低电平有效。当编码器处于工作状态且有编码信号输入时，CS=0。故CS的低电平实际上表示编码器处于工作状态，且有编码信号输入。

 抢答电路开始工作后，当有人按下某个按键后，该引脚置低电平，通过74ls148编码后传入74ls279进行锁存，两片74ls279芯片接收到编码器的信号后, 总共有四路信号输出,其中三路给到4511BD解码器用于数码管显示, 一路用来实现绿色LED的功能。 148每发送一个数据时gs引脚就会置高电平，从而顺利的通过74ls279让数据传送给74ls48译码器，紧接着数码管会接收到译码器传送的信号，继而点亮按抢答序号数码管。

3.5控制电路

控制电路主要由主持人按键, 反馈电路构成。

主持人由两个按键, JS控制计时的开始与暂停, JS1为清零按钮, 用于对倒计时电路归位和抢答显示清零。主持人首先按下清零按钮, 对电路进行初始化, 然后按下开始按钮开始抢答。这样的设计有利于精细化控制逻辑,避免了功能冲突, 保证功能正常进行, 如图3-12所示。

图 3-12

同时, 也是为给反馈电路功能的实现创造条件。按钮JS1一端接地另一端和192的输出反馈以及与两片279编码器置零相连共同构成清零控制电路; JS一端接VCC,另一端与192的进位信号接入或门, 或门输出到边沿JK触发器的CLK, 用于控制计时电路和蜂鸣器。

74LS112是一款集成下降沿触发的边沿 JK 触发器[^3]，具有数据输入(J、K)、置位输入( 复位输入( 时钟输入( 和数据输出(Q、Q)功能。 或 的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当 和 均无效(高电平式)时，符合建立时间要求的J和K数据在 下降沿作用下传送到输出端。当 时，触发器置0；当 时，触发器置1；当 时，若 ，则触发器保持原来的状态不变；当 时，若 时，在下降沿的作用下，触发器置0;当 时，若 时，触发器置1;当 时，若 l时，每输入一个上升沿，触发器的状态变化一次，处于计数状态。

四、总原理图及元件清单

4.1总原理图

4.2元件清单

五、性能测试与分析

为了全面评估智能数字电路抢答器的性能，我们进行了多项测试，重点关注响应时间、误差率、功耗等关键指标, 由于没有实体电路这里不进行直流电源测试与分析。本部分将详细介绍测试方法、结果分析及相关数据。

5.1 功能电路测试与分析

为了评估智能数字电路抢答器的功能电路性能，我们进行了多项具体测试，获取了大量数据并进行了分析[^4]。

5.1.1测试步骤：

1. 主持人按下系统复位按钮（S2），初始化系统。
2. 设置倒计时时间，按下抢答开始按钮（S1）。
3. 检查红色LED、蜂鸣器是否正常工作。
4. 选手按下抢答按钮，检查抢答编号显示和绿色LED。
5. 测试倒计时功能，观察倒计时显示和蜂鸣器状态。

测试数据： 对各环节进行了多次测试，数据如下表5-1所示：

图 5-1

5.1.2数据处理

误差计算,误差率的计算公式如下：

误差率=​期望值实际值−期望值​​×100%

选手A抢答时间（期望值）：2秒

实际值：2.1秒

误差率计算：

结论分析：

通过多次测试和数据分析，功能电路表现出色，各项功能均能按预期工作，误差率极低，符合设计要求。具体分析如下：

系统复位功能：测试10次，红色LED和蜂鸣器均按预期工作，误差率为0%。

倒计时功能：设置5秒倒计时，红色LED熄灭，倒计时准确，误差率为0%。

抢答功能：选手A和选手B分别抢答，系统能正确显示编号并点亮绿色LED，误差率为0%。

倒计时显示：倒计时功能多次测试，显示剩余时间准确，误差率为0%。

综合上述测试数据，智能数字电路抢答器的功能电路在多次测试中表现稳定，功能实现准确，误差率极低，完全满足设计要求和实际应用需求。

5.2 性能测试

5.2.1测试步骤：

直流电源接入后，电源电压测得为5.02V，设计电压为5V，误差为0.4%，在允许范围内，电源稳定。

主持人按下复位按钮，系统初始化完成，红色LED亮起，蜂鸣器鸣响。

设置倒计时为5秒，按下抢答开始按钮，红色LED熄灭，倒计时开始。

选手A按下抢答按钮，抢答编号显示“1”，绿色LED亮起，蜂鸣器停止，倒计时停止显示为3秒。

重复以上步骤，对其他选手进行测试，确保系统稳定。

5.2.2测试结果：

红色LED、绿色LED及蜂鸣器均按设计要求正常工作。

抢答编号显示正确，抢答顺序准确无误。

倒计时功能正常，能够精确显示剩余时间。

5.2.3结论：

通过上述测试，八路智能数字电路抢答器在各项性能指标上均达到设计要求，系统运行稳定，功能实现准确，能够满足实际应用需求。

六、结论

6.1电路组成部分

智能数字电路抢答器主要由以下几部分组成：

直流电源模块：提供稳定的电源供应，确保系统正常运行。

主控电路：基于优先编码器、锁存芯片和倒计时计数器，实现核心控制功能。

显示模块：由七段数码管和LED指示灯组成，用于显示抢答编号和倒计时时间。

输入模块：包括主持人按钮和选手抢答按钮，用于系统控制和抢答输入。

声音模块：由蜂鸣器组成，用于提示音效。

6.2实现的功能

该电路实现了以下功能：

系统初始化：通过主持人按钮复位系统，初始化各模块。

倒计时功能：设置倒计时时间并准确显示倒计时过程。

抢答功能：检测选手按下抢答按钮的顺序，显示抢答编号，并控制指示灯和蜂鸣器提示。

状态显示：通过红色和绿色LED指示灯显示系统状态。

6.3电路的优点和不足

优点

响应速度快：优先编码器能够快速识别第一个按下的按钮，响应速度快。

功能齐全：实现了复位、倒计时、抢答、状态显示等多种功能，满足实际应用需求。

可靠性高：多次测试结果表明，系统在不同环境条件下表现稳定，功能实现准确。

功耗低：优化的电路设计使得系统在不同工作状态下的功耗控制在较低水平。

不足

设计复杂度高：由于采用了多种芯片和元件，电路设计和实现较为复杂。

调试难度大：多模块协同工作，调试过程中需要详细排查各部分的连接和功能实现。

环境适应性有限：在极端环境条件下（如高温高湿），系统响应时间误差率略高。

6.4本次课程作业的问题

在此次课程作业中，我们遇到了一些问题并采取了相应的解决方法：

问题1：电路调试过程中出现信号干扰

解决方法：使用滤波电容和屏蔽线，减少干扰对信号的影响。

问题2：倒计时功能不稳定

解决方法：重新检查定时器电路，调整计数器参数，确保倒计时功能准确稳定。

问题3：抢答按钮响应不灵敏

解决方法：优化编码器电路，提高响应灵敏度。

6.5建议

改进电路设计：在后续设计中，考虑采用更高集成度的芯片，简化电路设计，提高系统可靠性。

增加环境适应性测试：在不同环境条件下进行更多测试，改进电路设计，提升系统在极端环境下的表现。

优化用户界面：改进显示和提示功能，使得系统更直观易用，提高使用体验。

七、参考文献

[^1]: [1]余新平，蔡昌新. 数字电子技术. 第3版. 武汉: 华中科技大学出版社, 2019: 268.
[^2]: [2]余新平，蔡昌新. 数字电子技术. 第3版. 武汉: 华中科技大学出版社, 2019: 151.
[^3]: [3]季丽琴. 基于74LS112的同步五进制加法计数器的设计与仿真. 智能计算机与应用，2018,8(6)：125.
[^4]: [4]谢自美 .电子线路设计·实验·测试 第三版.武汉: 华中科技大学出版社，2006