四路优先简易抢答器设计
1．设计目的
（1）掌握用门电路和计数显示芯片完成四路抢答器的设计方法。 （2）对设计的数字电路进行仿真和调试。 2．设计任务
四路优先简易抢答器，是通过逻辑电路判断哪一个预定状态优先发生的一个装置，具体要求如下：
（1）4个S1、S2、S3、S4为抢答输入开关，一个控制开关S5，LED数码管为抢答成功显示。
（2）在按下控制开关S5时，再按下S1、S2、S3、S4是处于无效的状态；以及在无人按下抢答开关时的状态，这两种情况下LED数码管显示均为字符“5”。
（3）开关S1、S2、S3、S4中有一个按下时，对应LED数码管显示出相应的数字“1”、“2”、“3”、“4”，并且被锁存起来，而其他的开关再按则无效。
（4）按下控制开关S5时，电路恢复为等待抢答状态，S5开关复位时准备下一次抢答。
（5）信号发生器产生的时基信号CP周期，应大于一次手动触键开关后的抖动时间，否则抢答器就不能锁定。 3．设计要求
（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用Multisim电路仿真软件）；
（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）； (3) 对电路进行局部或整体仿真分析；
（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。
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4．参考资料
（l）李立主编. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社，2005 （2）高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004
（3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003
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四路优先抢答器设计报告
目录
一、任务设计与要求 ......................................................................... 4 二、设计方案与论证 ......................................................................... 5 二、电路设计计算与分析 ................................................................. 6
3.1 555定时器 ........................................................................ 6
3.1.1 555定时器构成的多谐振荡器 .............................. 9 3.2 8线—3线优先编码器74LS148集成电路芯片 ............. 11 3.3 四D触发器74LS175 ......................................................... 15 3.4 关于竞争现象 .................................................................... 17 3.5整体仿真 ............................................................................. 21 四、总结与心得 ............................................................................... 22 五、附录 ........................................................................................... 24 六、参考文献 ................................................................................... 25
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一、任务设计与要求
四路优先简易抢答器，是通过逻辑电路判断哪一个预定状态优先发生的一个装置，具体要求如下：
（1）4个S1、S2、S3、S4为抢答输入开关，一个控制开关S5，LED数码管为抢答成功显示。
（2）在按下控制开关S5时，再按下S1、S2、S3、S4是处于无效的状态；以及在无人按下抢答开关时的状态，这两种情况下LED数码管显示均为字符“5”。
（3）开关S1、S2、S3、S4中有一个按下时，对应LED数码管显示出相应的数字“1”、“2”、“3”、“4”，并且被锁存起来，而其他的开关再按则无效。
（4）按下控制开关S5时，电路恢复为等待抢答状态，S5开关复位时准备下一次抢答。
（5）信号发生器产生的时基信号CP周期，应大于一次手动触键开关后的抖动时间，否则抢答器就不能锁定。
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二、设计方案与论证
方案：用一片四D触发器74LS175、两个与非门、一个四输入或门和八线—三线优先译码器74LS148实现。四D触发器74LS175输出接经四输入或门和两个与非门同时接入信号源作为四D触发器的时钟信号，四D触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。四D触发器的另外四个输入门接入八线—三线优先译码器，在LED数码管上显示抢答结果。
本设计电路主要由控制电路、脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和报警产生电路组成。如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到”清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器为5；主持人将开关置;开始”状态，宣布”开始”抢答器工作，选手开始抢答。抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人再次操作”清除”和”开始”状态开关。 图1. 四路优先抢答器框图
抢答 开关 优先编码开关 锁存译码电路 译码 显示 控制 开关 控制 电路 时基产生电路
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二、 电路设计计算与分析
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555定时器
图2 555定时器的电路结构和管脚图
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表3.1.1 555定时器的功能表 TH（6） TR（2） R（4） OUT（3） * >2/3Vcc * * L H H H L L 不变 H T管 导通 导通 不变 截止 D（7） L L 不变 H <2/3Vcc >1/3Vcc <2/3Vcc
555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。
1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。
当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；
2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值
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端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入 电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。
4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。
5脚是控制端。
7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。
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3.1.1 555定时器构成的多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。
图3多谐振荡器和工作波形
多谐振荡器电路 工作波形
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仿真电路图如下：
仿真结果
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3.2 8线—3线优先编码器74LS148集成电路芯片
图4 74LS148集成芯片设计电路
仿真结果
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图5 8线—3线74LS148优先译码器管脚图
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表3.2.1 8线—3线74LS148二进制译码器真值表
输入 E1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 * 1 * * * * * * * 0 1 * 1 * * * * * * 0 1 2 * 1 * * * * * 0 1 1 3 * 1 * * * * 0 1 1 1 4 * 1 * * * 0 1 1 1 1 5 * 1 * * 0 1 1 1 1 1 6 * 1 * 0 1 1 1 1 1 1 7 * 1 0 1 1 1 1 1 1 1 输出 A2 A1 A0 Gs 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 E0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
74LS148工作原理如下：
该译码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先译码工作状态标志GS。当EI=0时，译码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，译码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有译码请求信号（逻辑0）时，优先译码工作状态标志GS为0。表明译码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输
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入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非译码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（译码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先译码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，„„，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。这就是优先译码器的工作原理
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3.3 四D触发器74LS175
图6 74LS175的管脚图和结构图
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表3 .3.1 74LS175的真值表
输入 Sd’ 0 1 0 1 1 1 Rd’ 1 0 0 1 1 1 CP * * * ↑ ↑ ↓ D * * * 1 0 * 输出 Qn+1 1 0 不定 1 0 Qn Qn+1‘ 0 1 不定 0 1 Qn’ 74LS175工作原理如下：
上图中的74ALS175N为一四路的锁存器，当CLK引脚输入上涨沿时，1D-4D被锁存到输出端（1Q-4Q）。在CLK其他状态时，输出与输入无关。
电路通电后，按下复位按键S，1Q、Q2、Q三、Q4输出高电平。电路进入筹办状态。这时候，假设有按键A被按下，4D的输出将由低酿成高电平，使4Q输输出为高电平经过或门U3A驱动数码管使数码管预示1（选手A的编号），同时使/4Q(4Q非)输出为低电平经过与门U4A输出低电平，此低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上涨沿作为74LS175 CLK的输入。因为74LS175是下降沿触发的，故按下除复位之外的不论什么的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定。达到了既定的功能方针。
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3.4 关于竞争现象
在组合逻辑电路中，某个输入变量通过两条或两条以上的途径传到输出端，由于每条途径延迟时间不同，到达输出门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。把不会产生错误输出的竞争的现象称为非临界竞争。把产生暂时性的或永久性错误输出的竞争现象称为临界竞争。
为了更好得观察抢答器竞争现象，所以调节R1和R2的大小使多谐振荡器的输出方波频率变为72Hz。抢答开始后，在时基脉冲反映之前抢答。
图7发生竞争现象是的输出
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由此可见看出单发生竞争现象的时候，由于最后的输出是经由74LS148优先译码器译码后输出，所以最后输出的总是完成抢答（逻辑0）的中优先级最高的一个，造成抢答出错。
为了避免竞争现象发生造成抢答出错，因尽量提高多谐振荡器输出方波的频率。而频率f1.43/R12R2C,可以调节R1和
R2的大小改变频率的大小。
选手抢答的间隔大约在50ms左右，四D触发器74LS175本身又有较长的反映时间，所以假定时间间隔是1ms，那么应有的频率f为1KHz。保险起见将多谐振荡器的频率f定位10KHz，则令R1=R2=100，实测频率f=8547Hz。
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图8更改后的抢答输出
可见抢答结果任然失真，继续提高多谐振荡器的输出频率f。由于Multisim中R1和R2最小为10，使R1=R2=10，实测的频率f=29.4kHz。
图9最小R1、R2的抢答输出
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抢答结果任然不理想，考虑改变电容C的大小。将电容C变为10nF,实测的频率f=124.5KHz。 图10 更改电容C的抢答输出
这时的输出才理想，可见在实际运用中至少要将频率f提高到1MHZ以上才能正常运行。
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3.5整体仿真
仿真电路图如下：
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四、 总结与心得
通过此次课程设计，我重新认识到了自学的重要性，以及学以致用的道理。我在图书馆查阅了大量的资料，同时也认识到了图书馆的重要作用。通过此次的抢答器的设计，让我重新拾起了以前所学习的电子知识，及我觉得此次设计让我更加巩固了所学的知识并在设计的过程中学会了与时俱进，克服了编程的枯燥感，让我受益匪浅。
经过了一段时间的努力我终于完成了四路抢答器的设计，对数字电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；从方案的选择，再到设计的实现。在这个过程中我学习到了很多在课本上不能学习到的知识，对一个产品也有了一个新的认识。
以前的我以为有了电路图，只有按图索骥就能做出产品，然而仅仅在仿真的电路图中，一味的照搬电路图任然会有许多毛病。只知其然而不知其所以然，造成许多问题不知出在何处；又要怎么去排除。在次课程设计中曾多次遇到四D触发器74LS175输入锁定出错和复位后马上锁定的问题，只能一次次的检测、列出真值表、找出问题所在，然后再设计方案排除问题。又因为方案不完善的原因引发新的问题，在不断提出、否定方案的过程中，我对四D触发器74LS175和8线—3线优先译码器74LS148的功能有了更深一步的理解。
在这段时间中我深深体会到没有付出就没有成功，成功的背
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后都是由汗水铺成的。在设计过程中需要反复实践，过程十分繁琐，有时花很长时间设计出来的电路还需要重做，那时心中也有点灰心，有时还想放弃，感觉自己对设计都无能为力了，但最终还是坚持了下来，完成了设计。
课程设计虽然结束了，但是还有很多的事情要做，对仍然不熟悉或不了解的知识点要尽快的去学习去了解，弥补自己的知识盲点，对课程设计中出现的问题我还要去认真的分析研究，错了的知道错在哪里，对了的也要知道成功在哪里。另外还需要去增强自己的动手能力，去不断的锻炼，只有这样该课程设计才能实现课设的最终目的。
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五、附录
附录一：主要元器件表
集成芯片 74LS175 74LS148 1个 1个 1个 6个 1个 2个 1个 显示器 开关 时基电路 门器件 DCD-HEX数码管 555定时器 74LS00 CC4072
附录二：总原理图
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六、 参考文献
1.朱小龙 ,梁秀荣.电工电子实验与课程指导.徐州:中国矿业
大学出版社,2013.
2.朱向阳，罗国强.实用数字电子技术项目教程.北京：科学出
版社，2009.
3.陈振源.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006. 4.黄允千.电工学实验基础.上海：同济大学出版社，2005.
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