基于74LS175芯片的四人抢答器设计

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1、 西安电子科技大学长安学院课程设计（论文） 西安电子科技大学长安学院课 程 设 计 论 文课题名称：基于74LS175芯片的四人抢答器设计 姓 名: 李 渊 学 号: 11211019 专 业: 电子信息工程 日 期: 2013年12月 目 录摘要2Abstract3第一章 引言41.1设计要求5第2章 功能介绍5第3章 抢答器设计模块63.1总体设计模块63.2四路抢答器的简介63.3四路抢答器的原理63.4单元模块设计103.5实验设备与器件103.674LS175芯片10第4章 实验步骤与要求114.1电路图设计114.2电路仿真134.3检测与查阅器件144.4连接电路144.5电路调

2、试144.6电路功能试验144.7电路分析14结束语15参考文献16致谢17基于74LS175芯片四人抢答器的设计摘要：随着电子技术的发展，它在各个领域的应用也越来越广泛。人们对它的认识也逐步加深。人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。如：智能抢答器的设计与制作。抢答器是竞赛问题中一种常用的必备装置，从原理上讲，它是一种典型的数字电路。触发器是数字电路中的基本逻辑记忆单元，具有两个稳定状态用以表示逻辑状态“l”和“0”。在电路中它具有记忆信号的功能，是构成各种时序电路的最基本逻辑单元.本文通过对枪答器电路设计的详细分析，以加深对触发器的功能以及其应用的认识和理解。数字抢答器由主

3、体电路与扩展电路组成。触发器电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。通过两个与门电路实现屏蔽功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。供四人用的竞赛抢答器装置线路，用以判断抢答优先权。它有三部分构成：1个D触发器74LS175，它具有置0端，置1端和CP端；1个4输入与门，1个二输入与门；四个轻触开关，它们组成抢答电路中的CP时钟脉冲源，抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S，74LS175的输出Q 1非Q 4非全为1，所有发光二极管LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后，首先作出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光

4、二极管点亮，同时，通过与门送出信号锁住其余三个抢答者的电路，不再接受其它信号，直到主持人再次清除信号为止.关键词：数字电路设计 ；触发器；优先抢答Based on the 74 LS175 chip of the design of vies to answer first four peopleAbstract ： With the development of electronic technology, its application in all fields more and more widely. People the knowledge of it also deepened

5、step by step. People use electronic technology and relevant knowledge to resolve some problems. Such as: intelligent vies to answer first is the design and manufacture. The problem is a competition vies to answer first used the necessary device, from the principle of speaking, it is a kind of typica

6、l digital circuits. Flip-flop is in digital circuits basic logic memory unit, with two steady state is used to represent the logical state l and 0. In a circuit it has the function of memory signals, it is to make the most of the sequential circuits basic logic unit. This article through to the gun

7、a processor circuit design detailed analysis, in order to deepen our understanding of the function of the application and trigger the understanding and the understanding. Digital vies to answer first is composed of main circuit and expanding the circuit. Trigger circuit will be the teams input signa

8、l on a display output; Press the start button beckoned to start the, the above two parts subject circuit. Through the two gate and realize the shielding function, constitute expansion circuit. After wiring, welding, commissioning work digital vies to answer first is forming.For four of the competiti

9、on with the device vies to answer first line to determine vies to answer first priority. It is composed of three parts: 1 D flip-flop 74 LS175, it has to buy the 0, buy 1 end and the CP end; A 4 input to the door, a second input and the door; Four light touch switch, they constitute the CP clock pul

10、se vies to answer first circuit source, vies to answer first began, the host clear signal, press the reset switch S, 74 LS175 output Q and the Q and the total for the 1, all leds are LED to put out, when the host announced vies to answer first start, first to judge the press the switch immediately,

11、the corresponding leds light, and at the same time, through the door and send out signals to lock the three who vies to answer first the circuit, no longer accept other signals until the host again so clear signal.Keywords: Digital circuit design Flip-flop First vies to answer first- 17 - 西安电子科技大学长安

12、学院课程设计（论文） 第1章 引言随着经济水平的不断提高，当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，人们在物质文明得到满足的同时更注重精神文明的追求，各种节目不断涌现，提高节目的质量尤为重要。本次设计是针对活动中用到的抢答器而设计的。抢答器是为竞赛参赛者答题时进行抢答而设计的一种优先判决器电路，广泛应用于各种知识竞赛、文娱活动等场合。通过抢答和必答两种答题方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模

13、的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场本文设计的抢答器，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。抢答器在竞赛中有很大用处,它能准确、公正、直观地判断出第1抢答者。通过抢答器的指示灯显示手段指示出第1抢答者1。本论文设计宗旨在培养学生综合模拟、数字电路知识，解决电子信息方面常见实际问题的能力，掌握一般电子电路设计方法与设计步骤。促使学生积累实际电子制作经验，准备走向更复杂更实用的应用领域。目的在于巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用。功能简介：参加竞赛者对主持人提出的问题要在短时间内作出判断，并按下抢答按键回答问题。当第一个人按下按键后，同

14、时电路将其他抢答按键封锁，使其不起作用。主持人有开时间和复位键，按下开时间后才能开始抢答，否者犯规。抢答前主持人操作开关使抢答有效，显示灯全熄灭。当四人中有人抢答有效时，其对应的显示灯亮，此时其余的开关不起作用，即其对应的显示灯灭。连接电路并进行操作，观测抢答器的工作情况。数字电路产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。这些给人们带来了生活，工作等方面带来了极大的方便。数字电路的发展，使得这门课程对于我们来说是很有必要学好。数字电路设备实现简单，速度和可靠性好。在这次的数字电路制作中，本人制作四路竞赛抢答器。抢答器在比赛等场合中不可缺少的设备

15、。本文就是从电路模块的功能简介开始，利用功能不同的数字电路芯片的组合来实现多路抢答器的功能；首先简要的介绍四路竞赛抢答器的设计要求和目的，然后介绍多路抢答器的原理和设计过程，最后介绍几个主要集成芯片的管脚功能和用法以及总结部分，讲一些电路在实际设计中的检测。1.1设计要求按照抢答的规则，对这种电路的功能要求分析如下。首先.电路能对第一个按下抢答开关的答题者迅速做出反应，对应的灯要亮，并且灯亮起之后，该答题者不必长按开关，电路可以自行工作，保持灯亮。其次，当有一盏抢答灯亮起之后，其他答题者后继的开关按下信号不会使其它的信号灯亮。最后，当本次答题结束后，主持人的开关可以关闭亮起来的灯，使电路恢复初

16、始状态，等待下一次的抢答。根据以上的分析，电路要有以下功能:（1）记忆功能。电路能够保存第一个按下开关者的信号，让其对应的信号灯自动保持长亮，从而答题者不用长按开关。并且该信号还要对屏蔽电路起作用。（2）屏蔽功能。当第一个灯亮起之后，电路能够使用记忆的信号，屏蔽掉其他后继答题者的开关信号，使其他的灯不会再亮.（3）恢复功能.主持人开关可以使电路恢复到初始状态2。第2章 功能介绍（1）抢答器最多可供4名选手参赛，编号为1-4号，各队对应用一个按钮S1-S4中一个控制，并设置一个清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制20。（2）抢答器具有锁存功能，直到主持人，清零。（3）开关S作为清零及抢答控制

17、开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，当开关S松开后这允许抢答，输入抢答信号由抢答按钮开关S1-S4实现。（4）有抢答信号输入，即开关S1-S4中的任意一个开关被按下时，对应的LED灯变亮，此时再按其它任何一个开关被按下均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变3。第3章 抢答器设计模块四路抢答器的设计思路：先从总体功能模块再细分到每一片芯片和部件的功能。如：抢答控制模块是由74LS175芯片和两个与门构成的19。3.1总体设计模块四路抢答器由主持人控制开关S，抢答开关S1-S4,控制电路（74LS175芯片），逻辑与门，LED显示电路等模块组成。如下图3.1所示

18、：主持人抢 答按 钮控 制电 路（D触发器）显 示电 路反 馈 电 路31 总体模块图3.2四路竞赛抢答器的简介四路竞赛抢答器是供四人用的竞赛抢答器装置线路，用以判断抢答优先权。它有四部分构成：2个JK触发器74LS112，它具有置0端和CP端；1个双4输入与非门74LS20，一块芯片中有两个独立的与非门；四个轻触开关，它们组成抢答电路中的CP时钟脉冲源，抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开关S，74LS112的输出全为1，所有发光二极管LED均熄灭，当主持人宣布“抢答开始”后，首先作出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光二极管点亮，同时，通过与非门74LS20送出信号锁住其余三个抢答者的

19、电路，不再接受其它信号，直到主持人再次清除信号为止4。3.3 四路竞赛抢答器的原理在设计要求中，抢答器电路要实现的三个功能里最主要的就是“记忆”。通过记忆信号，可以保持抢答灯的长亮:使用记忆信号，可以屏蔽其他答题者的后继开关信号18。那么，可以选择“触发器”来实现记忆的功能;为实现屏蔽的功能，要选择与门来构成屏蔽的电路5。3.3.1 触发器触发器是数字电路中能够实现记忆功能的基本逻辑器件，是二进制信息存贮器件。触发器具有两种能自行保存的稳定状态，用来记忆0或1两种逻辑状态。0或l两种逻辑状态在实际电路中可以用低电压(逻辑0)和高电压(逻辑l)来实现，就是通常所说的线路中没电、有电两种情况。简单

20、来说，触发器的工作就是将电能存下来或不存6。触发器所处的状态通常用其输出端的输出信号来表示。例如，设正信号输出端为变量Q，反信号输出端为变量当Q=0 =1时，表示0状态;当Q=1 =0时，表示l状态。触发器能够根据其输入端的不同输入信号，将JK所处的状态置成0或l。换句话说，在一定的外界信号作用下，触发器可以从一个稳定状态(0或l)翻转到另一个稳定状态(0或l)。并且，在置数信号消失后触发器能将新置入的0状态或l状态保存下来，其输出端会持续地输出低电压或高电压6。触发器的这些功能完全满足智力竞赛抢答电路设计中“记忆”功能的要求。3.3.2与门“与”运算是逻辑运算中的一种基本逻辑关系，它的逻辑描

21、述是:当完成某一个事件的所有的条件都满足时，结果才会发生。换句话说，只要所有的条件中有一个不满足，结果就不会发生。下面通过逻辑函数的方法对“与”关系进行分析。当有两个条件时，设两个条件为变量A、B，结果为变量Y则“与”关系可以表示为Y=AB用1来表示“满足”，用0来表示“不满足”、结果的“发生”用1来表示，结果的“不发生”用0来表示：当A=1时，根据“与”关系的描述，若B=0则Y=0;若B=1，则Y=1，说明当A=1时Y的逻辑值与B的逻辑值是相同的21。当A=0时，无论B=0或B=1，根据“与”关系的描述，Y的逻辑值都是0，说明当A=0时Y的逻辑值与B的逻辑值无关，恒等于022。将两个条件的“

22、与”关系进行放大，当有多个条件变量时，只要其中有一个条件变量的值等于0，无论其它条件变量的逻辑取值是多少，结果变量恒等于07。在数字电路中，表示“与”关系的逻辑电路称为与门，其中条件变量对应与门的输入端，结果变量对应与门的输出端.根据上面的函数分析可以看出，在与门中只要有一个输入端的输入信号为0(低电压)，该0信号就可以屏蔽掉其它输入端的输入信号，使得输出恒等于0(低电压)17。利用与门的这种功能就可以实现智力竞赛抢答电路的屏蔽要求。3.3.3器件选择抢答开关每人只有一个，因此在输入信号为单端信号的情况下，D型触发器用来最为方便，其状态方程为:Qn+1=D(CP上升沿有效)，从D型触发器的公式

23、可以看出，其输入变量只有一个，故物理上只有一个输入端而且其输出状态与输入信号是相同的23。“CP上升沿有效”，说明触发器输出状态的更新发生在CP脉冲信号的上升沿(脉冲电压由低电压上升到高电压的过程)，新状态只取决于脉冲信号到来前D端的状态，故又称为上升沿触发的边沿D型触发器8。D型触发器的应用很广，可用作数字信号的寄存、位移寄存、分频和波形发生等。在集成产品中，也有很多种型号可供不同用途的需要而选用。如集成双D74LS74、集成四D74LS175、集成六D74LS174等.设计要求是四人使用，故选择74LS17524。74LS175是四上升沿D型触发器，在芯片上集成了4个相互独立的D型触发器.

24、每个触发器对应一个输入端D和互补的两个输出端Q、。并且4个触发器共用置0端RD非和工作脉冲输入端CP。4个D触发器受到同一个工作脉冲输入端的控制，只有在CP信号处于上升沿时(低电压变化到高电压的过程)，触发器的状态才能发生改变25。RD非的输入端的有效信号是低电压16。当RD非=0时，Q1Q4=0。对应的 1 4=1，即4个D触发器同时被置0，并且该置0端信号有效性与CP信号无关。与门选择两个，一个四输入与门，一个二输入与门。通过与门的性质，用两个与门就可以完全实现屏蔽电路的设计9。现实产品中集成与门器件很多，我们可以根据需要选择.基于以上器件，现设计逻辑电路图如下图3.2图3.2D触发器构成

25、的智力竞赛抢答器基本电路图3.3.4电路说明如图所示为由集成D触发器组成的智力竞赛抢答电路，图中3号芯片为四上升沿D触发器74LS175:KI，K2，K3，K4为抢答开关;Q1Q4分别接4个LED发光二极管; 1 4 同时接入,四输入与门(l号芯片)，其输出与外接CP信号同时输入二输入与门(2号芯片)，二输入与门的输出接入74LS175的工作脉冲输入端CP;S为主持人开关，当其打开时，+5v电源接入RD非，则RD非=1(高电压，无效信号)10。在进行抢答之前，KlK4抢答开关全部打开接地(低电压)，则Q1Q4=0(低电压)。由主持人清除信号，按下复位开关S。由电路知，此时RD非=0，74LS1

26、75的输出Q1Q4同时被置为0，所有发光二极管均熄灭11。此时 1 4=1，1号与门和2号与门都打开，工作脉冲输入端CP能够接收到外接工作脉冲。当主持人宣布“抢答开始”后，首先做出判断的答题者立即按下抢答开关K，此时开关接通+5V电源，电流就会通过开关，进入触发器，整个电路就要工作了。例如，K1开关被按下，则D1=1(高电平)，使得Q1=l，对应的发光二极管亮起来。同时， 1=0，使得1号与门输出为0，2号与门的一个输入端输入为0，则输入2号与门的外接工作脉冲信被解蔽，74LS175的CP端输入信号恒等于0，失去工作脉冲，则74LS175这种边沿触发器就不会接受其它三个抢答者的开关信号12。而

27、目.答题者放开K1开关后，由于触发器具有记忆功能，D1触发器也会保持信号输出不变，其对应的灯也会长亮并且万解蔽信号依然存在13。这种状态会一直持续到主持人再次按下S，清除信号为止。3.4单元模块设计该电路主要完成两个功能：（1）分辨出选手按键的先后，LED亮灯；（2）禁止其他选手按键，其按键操作无效。3.5实训设备与器件（1）+5V直流电源 ，按键式开关5个，指示灯（发光二极管）四只、510电阻4个、5.1K电阻1个、导线若干。 （2）直流数字电压表 （3）1个74LS175、1个四输入与门，1个二输入与门。3.674LS175芯片74LS175是四D触发器，是上升沿触发的边沿触发器。D触发器

28、的状态方程为：Qn+1 D，引脚功能及逻辑符号如图3-4所示，上升沿触发D触发器的功能如表3-5所示。D是数据输入端，是触发器状态更新的依据，Q与 为两个互补输出端。通常把 Q0、1的状态定为触发器“0”状态；而把Q1，0定为“1”状态14。 图33 74LS175四D触发器引脚排列及逻辑符号输入输出DQQLLHHHL表3-1 上升沿触发D触发器的功能第4章 实验步骤与要求4.1电路图设计图41 电路图4.2电路仿真图42 仿真图4.3检测与查阅器件 用数字集成电路测试仪检测所用的集成电路。通过查阅集成电路手册，标出图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。 4.4连接电路 按图 3-1连接电路。

29、先在实验电路板上插接好器件。在插接器件时，要注意芯片的豁口方向（都朝左侧），同时要保证芯片的管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。指示灯的正、负极不能接反。在通电前先用万用表检查各芯片的电源接线是否正确。 4.5电路调试 首先按抢答器功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要设法查找并排除故障。排除故障可按信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可按信息流程逆向（由输出到输入）查找。例如：当有抢答信号输入时，观察对应指示灯是否点亮，若不亮，可用万用表（逻辑笔）分别测量相关与非门输入、输出端电平状态是否正确，由此检查线路的连接及芯片的好坏。 若抢答开关按下时指示灯亮

30、，松开时又灭掉，说明电路不能保持，此时应检查与非门相互连接是否正确，直至排除全部故障为止。 4.6电路功能试验 （1）按下清零开关S后，所有指示灯灭。 （2）选择开关S1S4中的任何一个开关（如S1）按下，与之对应的指示灯(D1)应被点亮，此时再按其他开关均无效。 （3）按控制开关S，所有指示灯应全部熄灭。 （4）重复（2）和（3）步骤，依次检查各指示灯是否被点亮15。 4.7电路分析 分析实训电路，完成表 4-1各项内容 ，表中H表示指示灯亮，L表示指示灯灭。如果不能正确分析，可以通过试验检测来完成。 S4S3S2S1Q4Q3Q2Q1 LHHH1000HHHH0000HHLL0011HLHH

31、0100LHHL1001HHHL0001HHLH0010HLHL0101表 4-1 功能表结束语首先，从该电路设计本身来说，由集成D触发器74LS175组成的抢答电路，电路设计较简单，器件易采购。但需要外加CP工作脉冲(由于本文的重点是抢答，电路的设计，因此没有给出脉冲发生电路)。相比而言，其他类型的触发器，比如基本RS触发器和JK触发器，同样可以用于抢答器电路的设计并且不需要外加CP工作脉冲，但电路中使用的门器件较多，结构复杂。其次，从触发器的应用来说，只要电路设计中需要记忆单元，都可以用不同类型的触发器来实现，比如寄存器的设计，计数器的设计等等都需要触发器的参与。参考文献1 周良权,方小乔

32、编.数字电子技术.北京:高等教育出版社,19942 康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 20003 任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社. 19924 谢自美. 电子线路设计实验测试（第二版）. 华中科技大学出版社，20005 侯大年.数字电子技术.北京:电子工业出版社,19996 欧阳星明.数字逻辑.武汉:华中科技大学出版社，20007 杨晓辉,张彤,姜俊海.智能抢答器的设计与制作. 长春大学学报 , 2000,06(24-25)8 周南良.数字逻辑.长沙:国防科技大学出版社,19929 阎 石. 数字电子电路. 北京：高等教育出版社.

33、200710 解月珍.电子电路计算机辅助分析与设计,北京.北京邮电大学出版社.200111 江国强.现代数字逻辑电路.北京:电子工业出版社,200212 赵阳 .山东省农业管理千部学院学报 J 2007年第23卷第2期13刘建成. 电子线路试验教程. 北京气象出版社. 2004 年1月14蔡杏山. 零起步轻松学数字电路. 人民邮电出版社. 2006年 6月15王彩君/杨睿. 数字电路实验. 国防工业出版社. 2006年7月16王建新/姜萍. 电子线路实践教程. 科学出版社. 2003年9月17顾德仁/万栋义. 脉冲与数字电路. 高等教育出版社. 1985年7月18韩克. 电子技能与EDA技术.

34、 广州暨南大学出版社. 2004 年 4月19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20李晔.数字基础M.北京:清华大学出版社,2005.411-458.21张著.数字设计-电路与系统M.北京:北京理工大学出版社,1992.131-155.22余孟尝.数字电子技术基础(第2版)M.北京:清华大学出版社,1999.189-234.23（美）弗洛伊德 巴切勒.电子技术基础（数字部分）.清华大学出版社.2006年5月 .24（美）库克（C00k,N.P）.实用数字电子技术基础.清华大学出版社.2006年10月 .25James Bignell，Robert Donov

35、an.数字电子学.机械工业出版社.2003年8月.致 谢通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。我总结到：1.优点：电路功能原理清晰，各项功能均达到了要求，反应灵敏，无竞争冒险现象，基本满足了普通比赛的抢答要求。2.如果长按住按钮不放，主持人清零后将能获得抢答权，且由于编码器电路时优先译码器，所以如果两个人抢答时间间隔在1ms以内，将出现编号靠前的选手获得抢答权的情况。3.改

36、进：可以更改触发器的类型，如使用jk触发器代替，则长按无效，或者在抢答端添加一个发光二极管，当有人作弊，二极管就会亮，从而弥补选手长按按钮的缺陷。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。课程设计就是我们所学知识的见证，完成它既有一种收获感，又有一种失落感，可无论如何它代表着我的努力，当它终于完工的时候，我不禁想起了很多人，很多事，尤其是辛勤培养我的老师们，谢谢你们！在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!然后感谢我的同学和朋友，他们给予了我无私的帮助和无穷的精神动力。在我遇到知识上的的难点时，他们总是能给我及时的援助。感谢我的同学，谢谢他们在给我的帮助和关心。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文的老师！衷心地祝愿您身体健康、工作顺利！ 李渊 2013年12月