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 2012年1月10日

四路智力竞赛抢答器

随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合都要求有快速公正的竞争裁决。例如证券、股票交易及各种智力竞赛等。在现代生活中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众的极大兴趣。而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，各组一般都要进行必答和抢答，对必答一般有时间，到时有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员，一般抢答器由很多门电路组成，线路复杂，可靠    性低，特别是抢答路数增多时，实现起来就更加困难。在此设计了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码器、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并由LED显示灯上显示，同时所存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手一直保持到主持人将系统清零为止。

一、设计任务

1、4名选手编号为：K1，K2，K3，K4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

2、给主持人设置一个控制按钮（即K5开关）用来控制系统清零（抢答显示LED显示灯灭灯）和抢答的开始。

3、抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的LED灯一直保持到主持人将系统清零为止。

4、如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答。

二、设计要求

1、抢答器可供四人竞赛时使用，每个参赛者均设有一个抢答按钮。

2、电路具有优先抢答权功能，即对第一抢答者的信号具有鉴别和锁存功能。

3、电路能够显示获得抢答权者的编号，并通过亮灯表示已经有人抢到答题权。

4、电路具有复位功能，当一轮抢答结束后，由主持人将系统复位，可进行下一轮抢答。

三、设计方案和论证

1、设计原理

电路由与四锁存D型触发器4042BD、双四输入端与非门4012BD、四2输入端或非门4001BD和六同相缓冲/变换器4010BC1构成的智力竞赛抢答电路。电路工作时，4042BD的极性端EO（POL）处于高电平“1”，E1（CP）端电平由Q1非～Q3非和复位开关产生的信号决定。复位开关K5断开时，4001BD的引脚2经上拉电阻接VCC，由于K1～K4均为关断状态，D0～D3均为低电平“0”状态，所以Q0非～Q3非为高电平“1”状态，CP端为低电平“0”状态，锁存了前一次工作阶段的数据。新的工作阶段开始，复位开关K5闭合，4001BD的引脚3接地，4012BD的输出端引脚1也为低电平“0”状态，所以E1端为高电平“1”状态。以后，E1的状态完全由4042BD的Q非输出端电平决定。一旦数据开关（K1～K4）有一个闭合，则Q0～Q3中必有一端最先处于高电平“1”状态，相应的LED被点亮，指示出第一信号的位数。同时4012BD的引脚1为高电平“1”状态，迫使E1为低电平“0”状态，在CP脉冲下降沿作用下，第一信号被锁存，电路对以后的信号便不再响应。

图1.1四路竞赛抢答器电路原理图

2、器件选择及参数设定

原件清单：参考附录1

以CC4042锁存器为主芯片设计方案

图5为4D锁存器CC4042的外引线排列图，表3为其功能表。其中， D1～D4是数据输入端，CP为时钟输入端，M为时钟方式控制端，Q1～Q4是并行数据输出端， /Q1～/Q4是Q1～Q4的反码数据输出端。

图1.2　CC4042是四D锁存器外引线排列图

表1　CC4042功能表

元器件功能：

CC4042锁存器，与非门，与门：实现抢答功能。

开关：选手和裁判用于抢答或复位。

LED显示灯：指示抢答成功的对应选手。

电阻：控制电流大小，防止电流过大烧毁元件。

CC4001 四2输入或非门

简要说明:

CC4001是2输入正向或非门CC4001或非门为系统设计者提供了直接的或非

功能补充了已有COS/MOS门系列所有输人和输出经过缓冲改善了输人/输出

传输特性使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维待到最小

CC4001提供了14引线多层陶瓷双列直插D 熔封陶瓷双列直插J 塑

料双列直插P 和陶瓷片状载体C 4种封装形式

推荐工作条件: 电源电压范围 3v 18v

输人电压范围 0v Vdd

工作温度范围: M类–55 125

E 类–40 85

极限值: 电源电压–0.5v 18v

输入电压 –0.5v Vdd 0.5v

输人电流 士10mA

贮存温度 –65 150

引出脚功能符号:

A B 数据输入端 Vdd 正电源

Y 数据输出端 Vss 地

3、使用仪器设备

（1）Multisim仿真调试

（2）摆放元器件，检查所有芯片的电源脚和接地脚是否正确。

（3）检查完毕后进电路焊接，同时检查线路内部是否出现断

5、调试过程

第一步：再次核对原理图与连线，并利用万用表测量各条线路是

否接通。经测量检验电路基本无误。

第二步：检查完毕后，上电调试。

一次上电发现的问题：可以多人同时抢答（多人灯亮），裁判无

法实现复位功能。

原因：仔细查找发现连线错误。

解决：更改连线使之正确后全部再复查一遍确保无误，并再次上电测试。

6、结论

电路采用CMOS集成电路实现了设计的基本要求，能够达到设计的基本要求。该电路还可用于数字系统中，可检测群脉冲的时序。图中K1～K3开关如果是机械出触电，则需对输入信号进行整形，以提高系统抗干扰能力。4010BC1为电平接口电路，将CMOS

集成电路高电瓶电压转换成合适LED工作电压。

四、心得与体会

本次课程设计是进入大学以来的第一次设计，也是在初步接触了专业知识后第一次加以利用，在这历时两个星期学习实践中，我发现了许多，学会了许多。

设计的第一阶段就是自己查找资料，根据所学知识自行设计多种方案。这一阶段让我明白了资料的重要性。以前很多时候做东西都不需要查资料，仅靠课本知识就能完成，或者就是从网上下资料后原封不动的照搬照抄，甚至搞完之后还不知道资料里说的是什么。这一次就有所不同，网上没有现成的也根本不允许抄袭，因此对于设计的大大小小各方面都要靠自己点滴搜寻。从芯片的型号，管脚图，功能表，到电阻的参数，开关的类型，实物连接时的注意事项，方方面面都要涉及到。这些琐碎的东西也让我掌握了查找资料的技巧。比如先总体在局部，从主要到次要，理清设计思路，搞懂设计原理后查找起来就方便快捷多了。

实物电路的组装与调试。首先先进行了元器件的检查，这一步常被初学者忽略，但又极为关键。通过检查没有发现问题。可见如果不检查，后果就是调试时走向歧途。接着就是布线排版，面包板不大，且布线要求横平竖直、不能弯曲、贴板进行，如何使布线简洁美观就是个大学问。在规划时确实碰到了不少问题，并没有想象中那么容易。这也警示我们以后做任何一个项目，前期规划是必须而且要细致进行的。然后开始正式组装了。由于插孔细密，难免看错，于是插线一个检查一个，确保一次成功，而且检查不只是插孔有没错误，还有电路是否接通。经过万用表的测量让我发现面包板有一排插孔有问题，及时修改了规划，更换了线路，有效减少了调试时间。“检查随时进行”——我得出的又一个心得。而剪线插线过程也是大有技巧，线头的短了插不牢固，长了浪费且损坏面包板，导线弯折不能太用力且最好一次成型，否则容易断。这些技巧都是只有亲自实践过才能体会到的。布线结束，调试发现抢答器不能实现锁存功能，即可以多人抢答，这让我很失望。但一想到要是这么简单的电路都不能自己解决问题，以后如何工作？于是再次鼓足精神，在再次确定了元件和原理没问题后，就是艰难的查找过程。一根根导线，一条条线路，逐步排查，幸运的是很快我们就发现有导线连接错误，待改正后问题解决了。这一阶段结束后，感触颇多。细心的重要，小技巧的运用，工作要细心，要有坚持不懈的精神，元件参数选择……任何一项都是切身感受的，实践是检验真理的唯一标准，说的果然不假。理论上再好，不经过实践验证，永远是行不通的。

第三阶段就是撰写说明书。成果是用于造福人类的，要是别人看不懂不明白就无从谈起了，可见成果说明的重要性。既要说的通俗易懂，又要杜绝长篇大论，文笔的技巧包含其中。那些认为自己动手能力强而轻视文字说明的人就吃了苦头。

总的看来，通过这次课程设计，能力上的提高是毋庸置疑的，但我认为更重要的是对成果的研发实现流程有了大体的了解，开始提高以后工作所必备的综合素质。以前总感觉设计东西是一件多么复杂困难的事情，自己根本不能胜任。现在我明白了：只要你肯下功夫去做，没有什么是困难的。

总的来说，概括为以下三点：

1、通过这次课程设计，加强了动手和思考解决能力的问题。在设计过程中，通过这套电路原理和其他各种电路原理的比较和认识，找到了简单正确的方法，也熟悉了电路设计的过程。

2、这次的设计，让我更深层次的理解各种器件的原理及使用规则。对具体情况做到正确判断，提高了对书本知识的掌握，也把理论水平提高到了实践水平。

3、加强了对课本知识的巩固，对于原件在电路中的使用有了更多地认识。

五、参考文献

1、《电子测量与仪器》，电子工作出版社，第二版

2、《基于Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析》，电子工业出版社

3、《数字电子技术》，康华光，高等教育出版社，第五版

附录1：