郑州轻工业学院
课程设计说明书
题目： 简易三路抢答器
姓 名： ***
院 （系）： 技术物理系 专业班级：电子可学与技术10-01 学
号： 54**********
*** 指导教师： 成 绩：
时间： 2012 年 12 月 28 日至 2013 年 01 月 11 日
目 录
摘要………………………………………………………………………………01设计方案………………………………………………………………………1
1.1概述………………………………………………………………………11.2电路组成和工作原理……………………………………………………1
1.2.1 抢答器……………………………………………………………21.2.2 抢答控制器………………………………………………………21.2.3清零装置………………………………………………………… 21.2.4显示、 声响电路…………………………………………………21.2.5振荡电路………………………………………………………… 2
2 元器件选型
2.1 电阻………………………………………………………………………32.2发光二极管……………………………………………………………… 32.3二输入4与非门74LS00…………………………………………………32.4 三输入3与非门74LS10…………………………………………………42.5 四D触发器74LS175…………………………………………………… 52.6 555定时器构成的多谐振荡器………………………………………… 6
2.6.1 555定时器…………………………………………………………62.6.2 555定时器构成的多谐振荡器………………………………… 72.7 抢答器按键部分…………………………………………………………82.8 抢答器指示及发声部分…………………………………………………9
3 电路的组成及控制原理……………………………………………………11
3.1抢答控制电路…………………………………………………………… 113.2抢答器…………………………………………………………………… 113.3清零装置………………………………………………………………… 123.4显示、声响电路………………………………………………………… 12
总结……………………………………………………………………………… 14参考文献…………………………………………………………………………15附录
附录一 电路原理图……………………………………………………………… 16附录二元器件清单…………………………………………………………………17附录三PS-MH4015L型蜂鸣器参数表……………………………………………18
摘 要
电子课程设计是检验学生掌握电子学科的理论知识的程度，也是学科教学中的一个十分重要的环节。通过把理论与实践相结合，提高理论水平，锻炼实践动手能力。在以前没有抢答器的时候，人们就举手来抢答。这样就不能够准确的判断哪个首先举手。因此产生矛盾。然后出现了一些机械似的抢答器，但是准确度都不高，而且又太贵，现在用的是电子产品，精确度大大的提高了，而且有的可调精确度。
抢答器是一个用于智力抢答的简易器械，通过他可以实现对由谁获得回答权的自动判断，假如仅靠人的判断，很难保证先做出抢答的选手获得答题权，运用抢答器可以消除这种可能性从而保证比赛的公平公正性。抢答器多见于一些益智类节目中，抢答器可以锻炼选手的快速反应能力，而且活跃现场气氛。
该报告主要介绍了简易三路抢答器的设计原理以及器件选择和主要器件分析以及原理图等。
关键词 抢答器 可调精确度 快速反应能力 设计原理 器件选择 原理图
简易三人抢答器
1设计方案
1.1概述：
简易三人抢答器是一名的主持人，它的任务是从三名竞赛者中确定出最先的抢答者。
1.2 电路组成和工作原理
根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答计事系统的组成框图如下图1-1所示。它主要有五部分组成：
图1-1 整体框架图
如图为这个三路抢答器的方案流程图，其具体介绍如下：选手抢答按键由三个可自动复位开关组成；多谐振荡器由555定时器和电容和电阻构成；主持人复位键使用一个可自动复位按键；声光提示部分由三个发光二极管和一个扬声器构成；抢答信号分析主体部分由一个四D触发器74LS175和两个二输入与非门（由74LS00提供）和一个三输入与非门（由74LS10提供）构成。
该抢答器工作流程：抢答开始前，主持人按下复位键，此时，三个发光二极管均为熄灭状态，扬声器不发声。当主持人表示开始抢答时，选手按下抢答器按键，和该选手对应的指示灯即发光二极管亮，扬声器发出声音，同时通过与非门电路将抢答信号反馈回来，锁住抢答器主体，使之不再接收其他选手的抢答信号，从而保证只有第一个按下抢答按键的选手获得答题权。等到进入下一抢答环节，主持人按下复位键，抢答器再次处于可抢答状态。
1.2.1抢答器
智力竞赛抢答器的核心。当参赛者的任意一位首先按下抢答开关事，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二极管亮（或音响电路发出声音），与此同时，封锁住其他参赛者的输入信号。
1.2.2抢答控制器
抢答控制器由三个开关组成。三名参赛者各控制一个，拨动开关使相应控制端的信号为高电平或低电平。
1.2.3清零装置
供比赛开始前裁判或主持人使用。它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误动作和抢答过程的不公平。
1.2.4显示、声响电路
比赛开始，当某一参赛者按下抢答器开关时，触发器就接受该信号，在封锁其他开关信号的同时，使该路的发光二极管发出亮光和蜂鸣器发出声响，以引起人们的注意。
1.2.5振荡电路
它提供给抢答器工作的控制脉冲。
2 元器件选型
2.1 电阻
因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。
在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
作用：主要职能就是阻碍电流流过，多应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。
2.2发光二极管
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
2.3二输入4与非门74LS00
图2-1 二输入4与非门74LS00的内部逻辑图
74LS00有外部14个管脚，内部由四个二输入与非门电路构成。现取其中一
个列其功能表：Y=AB表2-1 二输入与非门功能表
输入
ALLHH
BLHLH
YHHHL输出
2.4 三输入3与非门74LS10
图2-2 三输入3与非门74LS00的内部逻辑图
74LS10有外部14个管脚，内部由三个三输入与非门电路构成。现取其中一个列其功能表：Y=ABCA
输入输出
BCY
LLLH
LLHH
LHLH
LHHH
HLL
HLHH
HHLH
HHHL
表2-2 三输入与非门功能表
2.5 四D触发器74LS175
图2-3 74LS175引脚图
图2-4 四D触发器逻辑图
四D触发器，顾名思义，是由四个触发器构成，并且这四个触发器为上升沿触发，其功能表为：
表2-3 四D触发器74LS175的功能表输 入
RDLHHH
CP×↑HL
D1×D1××
D2×D2××
D3×D3××
D4×D4××
Q1LD1
输 出Q2LD2
Q3LD3
Q4LD4
保 持保 持
2.6 555定时器构成的多谐振荡器
2.6.1 555定时器
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
555 定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。
图2-5 555定时器内部结构
2.6.2 555定时器构成的多谐振荡器
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
用555定时器组成的多谐振荡器如图3.4.2所示。接通电源后，电容C被充电，当vc上升到
时，使vo为低电平，同时放电三极管TD导通，此时电容
时，vo翻转为高电平。电容C放电所需时间
C通过R2和TD放电, vc下降到为：
tpL= R2Cln 2≈0.7R2C
当放电结束时，TD截止，Vcc将通过R1 、R2向电容充电，vc由所需的时间为：
tpH=(R1+R2)Cln2≈0.7 (R1+R2)C
当vc上升到
（1-1）上升到
（1-2）
时，电路又翻转为低电平。如此循环往复，在输出端得到
一个周期性的矩形波。其振荡频率为：
f =1/( tpL + tpH) ≈1.43/[(R1+R2)C] （1-3）其振荡周期为:
T=1/ f =(R1+R2)C/1.43 （1-4）
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。
（a）电路图
(b)工作波形
2.7 抢答器按键部分
在本电路中，需要三位选手各一个抢答按键和主持人一个复位按键。考虑到抢答器实际需要，在此不采用单刀双掷开关，因为单刀双掷开关在选手抢答之后需要手动扳回，增加了操作的复杂性。所以选用可复位按键，以减少操作流程。如图（a）所示，选手按键区，在常态下，S1、S2、S3处于断开状态，输出端接地处于低电平。当按键按下去时接通电源，由于电阻R7、R8、R9的作用，输出端会输出高电平。松开按键，输出端再次变为低电平。图（b），常态下Rd端通过电阻R6接通5V电源，从而接收到高电平。当按下S0键，Rd端直接接地，变为低电平信号。松开S0，Rd再次变为高电平。
(a) 抢答部分 (b)复位键
图2-7 抢答器按键部分
2.8 抢答器指示及发声部分
图2-8抢答器指示及发声部分
抢答器指示部分主要有指示灯显示对应的作出抢答的选手，和发声部分。其中指示灯选取三个发光二极管接在相应的电路中，发声功能则选取一个扬声器来完成。当有选手抢答时，74ls175会发出一个高电平信号到发光二极管，此时能使二极管发光导通。74ls175输出的高电平电压为2.7v，高电平电流为0.4mA，经过二极管后，电压的压降约为1.3V。故我们选用了PS-MH4015L型号的蜂鸣器，该蜂鸣器的工作电压为1.2-1.5V，最大的工作电流为0.5mA，故在二极管发光时能使发出声音报告。因此我们选用这种蜂鸣器，省去了原来的射极放大电路。
3 电路的组成及控制原理
下图3-1为三人简易抢答器系统的原理图
图 3-1 抢答器原理图
3.1抢答控制电路
该系统有开关S1、S2、S3，分别有三名参赛者控制。常态时开关接地，比赛时，按下开关，使该端为高电平。
3.2抢答器
由有原理图看出，抢答器是由集成电路74LS175和与非门G1组成。它的工作原理是这样的：若参赛者A首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，74ls175的1D接受该信号是输出Q为高电平，相应的Q非为低电平，这个低电平信号同时送到与非门G1的输入端，与非门G1，使触发器的控制脉冲CP
信号由于与非门G1封锁而被拘之门外，使之不能进行工作。因此该电路只接收第一个输入的信号，即使此时其他参赛者也按下开关，但由于与非门已，信号是输入不进去的。
3.3清零装置
为了保证电路的正常工作，比赛开始前，裁判员都是要将各触发出发器的状态统一清零。按下复位键S0，CLR端接收到低电平信号，74LS175清零。松开按键S0，CLR端接收到高电平信号，抢答器复位至抢答前的状态，可以进入下一抢答环节。
3.4显示、声响电路
声响显示电路需要在当有参赛者按下抢答开关时，相应电路构成通路，发光二极管通电发光亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响。
总 结
经过了一个星期的查阅资料学习，使在这次的数字逻辑课程设计中，成功的仅利用了四D触发器具有存储功能，从而达到了保证三路抢答器的目的。使得有记忆功能，并对该电路有清“0”功能。
这种三路抢答器的组成原理简单易懂，只要知道D触发器的功能，就能利用4D 触发器，如果想要变成八路的话，则需要2个74LS175原件也就是2个4D触发器，所以此项抢答器具有无限升级的空间。具有相关基础知识的人都可以按照电路设计图进行该三路抢答器的组建；而且构造这种三路抢答器的原件基本属于常用零件，所需数量也比较少，也就是说，组合一个这样的三路抢答器所需的成本比较低而且耗时比较少，再者，按电路图谁都会做三路抢答器，但是如果要设计的话，就比较难了，所以这对与厂家来所可以说得上具有很强的竞争力，只有厂家才能制作出来。物美价廉，符合了现在的市场要求和经济效益。
此次课程设计虽然时间短，但是让我们体会到了团队合作的重要性，让我们学习到了各自的优点，发挥出了自己的长处，找到了各自缺点。让我们的能力又提升了一个新台阶。这次设计有不足之处，还希望老师给我们建议，让我们的能力更进一步。
主要参考文献
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
6 .徐国华，模拟及数字电子技术实验教程，北京航空航天大学出版社，2004；7 .杨志忠，电子技术课程设计，机械工业出版社，2007年11月；
8 .卢洁成，高世忻等，电子电路实验设计，中国科学技术大学出版,2006年第二版；
附录一
附录二
元器件清单
元器件名称
规格及数量
电阻2kΩ×3 5.1kΩ×2 20 kΩ×1
电容0.01uF×1 0.1uF×1
二极管5mm红光×3
蜂鸣器PS-MH4015L×1
555定时器NE555P×1
74LS175×1
74LS00×1
74LS10×1
附录三
PS-MH4015L型蜂鸣器参数表
Model NOFrequency rangeSensitivityImpedanceDirectivityS/N ratioStandard operation voltageMax operation voltageCurrent consumptionWeightPS-MH4015L20－16000Hz55-65dBLess than 2.2KΩOmnidirectional More than 58dB1.2-1.5V10.0V Max 0.5mAMax 0.15g 郑州轻工业学院
课程设计（论文）任务书
题目 简易三路抢答器
专业 电子科技10-1 学号 54********** 姓名 ****
主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容
1．阅读相关科技文献。2．学习protel软件的使用。3．学会整理和总结设计文档报告。4．学习如何查找器件手册及相关参数。
技术要求
1.要求电路实现抢答原理，即如果有一人比其余两人先按键，则此人获得回答权。要求说
明抢答器的最小反应时间。
2.要求电路设置一个按键，此按键能够起到复位的作用。3.要求电路能够通过声光的形式表明由谁获得回答权。
主要参考资料
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
完 成 期 限： 2013年01月11日 指导教师签章： 专业负责人签章：
2012 年 12月 28日
