数字电子技术基础课程设计
智力竞赛抢答器
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一、前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 二、设计任务与要求„„„„„„„„„„„„„„„3 1、设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2、设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 三、总体方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„3 1、抢答器结构框图„„„„„„„„„„„„„„„3 2、总体方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„4 3、电路工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„5 四、单元电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„5 1、按钮电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2、触发锁存电路„„„„„„„„„„„„„„„„6 3、LED 显示电路„„„„„„„„„„„„„„„„8 4、报警电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 5、脉冲信号发生器„„„„„„„„„„„„„„„9 五、用Protel 99se 设计印制电路„„„„„„„„„10 六、元件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„13 七、分析总结„„„„„„„„„„„„„„„„„13 八、参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„14
一、前言
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额竞争裁决，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，对必答一般有时间限制，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。本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。
二、设计任务与要求
1、设计任务
设计一个由四人参加的智力竞赛抢答电路，当主持人宣布“开始”，显示出首先作出判断的参加竞赛者。 功能：
（1）清零功能：可用触发器的异步复位端实现，由主持人控制。
（2）抢答键控功能：可用触发器和门电路实现。 （3）显示功能：可用发光二极管显示，用蜂呜器发声。 2、设计要求
（1）选择适当的元器件，设计该电路。以实现上述功能。 （2）利用Protel99绘制其电路原理图。
（3）对每个元器件选择合适的封装，形成网络表文件。 （4）选择正确的布线规则，形成该电路的PCB 板图。
三、总体方案设计
1、抢答器结构框图
抢答器的结构框图如下图所示，主要由开关按钮、触发锁存电路、脉冲信号发生器、LED 显示电路和蜂鸣器报警电路组成。
2、总体方案设计
采用74LS175为主芯片的设计方案
抢答器的电路设计图使用Protel 绘制，结果如图2所示。
图2 抢答器电路设计方案
该电路由四D 触发器、与非门及脉冲触发电路等组成。74LS175为四D 触发器，其内部具有四个独立的D 触发器。74LS20为四输入端的与非门，一块芯片中有两个独立的与非门。74LS00为二输入端的与非门，在一块芯片中有4个独立的与非门。优先判决电路用来判断哪一个预定状态优先发生的电路，如判断知识竞赛中谁先抢答。当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码对应的LED 灯变亮同时蜂鸣器产生音响。主持人按钮实现复位，开始下一题抢答。
3、电路工作原理
电路上电后，按下复位按键S5实现清零功能，/Q1～/Q4 输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED 全熄灭。同时以Q1～Q4作为输入的或非门输出为高电平，经非门输出低电平，蜂鸣器不响；经与门使脉冲正常输入。松开复位键，电路进入准备状态。假设有按键S3 (3号选手) 被按下，Q3输出变为高电平，/Q3变为低电平。从而导致对应得LED 被点亮，或非门的输出将由高变成低电平，经非门变为高电平使蜂鸣器鸣叫。同时或非门的低输出经过与门使得脉冲信号无法进入CLK 端，即芯片的CLK 保持低电平，此时芯片处于数据保持状态，按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定，达到阻止其他选手抢答的目标。而后，主持人按下复位，准备进入下一轮抢答。 四、单元电路设计
1、按钮电路
下图为四路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。当任一开关按下时，相应的输出为低平，否则为高电平。
2、触发锁存电路
下图3所示为74LSl75外引线排列图和逻辑电路图。R D 是异步清零控制端。D 0～D 3是并行数据输入端，CP 为时钟脉冲端，Q 0~Q 3Q 0~Q 3是Q 0～Q 3的反码数据输出端。
图 4所示电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端D 0～D 3，在CP 端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器Q 端。
D
1
0 1 1
图 3
D 1
3
图 4
图5示是4位集成寄存器74LSl75
图5
下表1所示是D 触发器功能表：
表1 74LS175的功能表
特性方程：当D=0时Q n+1=0，当D=1时Q n+1=1，由此得D 触发器特性方程为Q n+1=D.
图6所示即为4路触发锁存电路。图中74LS175为4D 锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经4输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。
说明：CLK 代表时钟脉冲输入端CP POL代表功能输入端M 。
图6
3、LED 显示电路
图7即为LED 显示电路，由LED 发光二极管和限流电阻组成，当锁存器输出高电平时LED 亮。
图7
4、报警电路
图8为蜂鸣器报警电路，当74LS20输出高电平时报警。
图8
5、脉冲信号发生器
图9为555定时器构成的脉冲信号发生器电路。
图9
五、用Protel 99se设计印制电路 下面是印制板图过程
(1)启动印刷电路板设计服务器
执行菜单File/New命令，从框中选择PCB 设计服务器（PCB Document）图标，双击该图标，建立PCB 设计文档。双击文档图标，进入PCB 设计服务器界面。 (2)规划电路板
根据要设计的电路确定电路板的尺寸。选取Keep Out Layer 复选框，执行菜单命令Place/Keepout/Track，绘制电路板的边框。执行菜单Design/Options，在“Signal Lager”中选择Bottom Lager ，把电路板定义为单面板。 (3)设置参数
参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令Design/Rules，左键单击Routing 按钮，根据设计要求，在规则类（Rules Classes）中设置参数。 选择Routing Layer，对布线工作层进行设置：左键单击Properties ，在“布线工作层面设置”对话框的“Pule Attributes ”选项中设置Tod Layer 为“Not Used ”、设置 Bottom Layer为“Any ”。
选择Width Constraint ，对地线线宽、电源线宽进行设置。
(4)装入元件封装库
执行菜单命令Design/Add/Remove Library ，在“添
加/删除元件库” 对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，例如：PCB Footprint ，Transistor ，General IC ，International Rectifiers等。 (5)装入网络表
执行菜单Design/Load Nets 命令，然后在弹出的窗口中单击Browse 按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件（扩展名为Net ），如果没有错误，单击Execute 。若出现错误提示，必须更改错误。 (6)元器件布局
Protel 99SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令Tools/Auto Placement/Auto Placer 可以自动布局。布局是布线关键性的一步，为了使布局更加合理，多数设计者都采用手工布局方式。 (7)自动布线
Protel 99SE采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing/All，并在弹出的窗口中单击Route all按钮，程序即对印刷电路板进行自动布线。只要设置有关参数，元件布局合理，自动布线的成功率几乎是100%。
下图10所示是印制板图
图10印制板图
图11 3D预览图
六、元件清单
表2 元件清单
七、分析总结
这次课程设计综合应运了数字电子技术所学的知识和电路制作和仿真调试软件，将理论和实践相结合，增强对理论知识掌握的同时，更增强了我对知识的应用能力和动手能力。同时我们分组讨论，互相学习，共同进
步。
课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，在老师和热心同学的指导和帮助下，终于解决了困难。最后对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！ 八、参考文献
［1］ 阎石主编. 数字电子技术基础 （第五版）高等教育出版
社.2005
［2］ 张秀娟主编. 数字电子技术基础实验教程. 北京航空航天大
学出版社.2007