竞赛抢答器
竞赛抢答器
要求：
Ø 设计一个供四人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，并用声、光指示；
Ø 主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；
Ø 计时器计时采用倒计数的方式，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数定时器的时间可以随意预置；
Ø 每组有一个计分器。从预置的100分开始，由主持人控制。答对者加10分，答错则扣10分。
拓展要求：
Ø 具有较强的扩展性。
Ø 用无线的方式实现抢答。
设计提示：
Ø 关键是要存住第一抢答者的信息，并阻断以后抢答者的信号。可用集成的多组触发器或锁存器辅以逻辑门实现（例如用TTL电路的74373，CMOS电路的14599等)；
Ø 加减计分可以用十进制的可逆计数器完成，个位不变，仅十位以上参与加减；
Ø 倒计时可用减法计数器完成；
Ø 各单元电路分别设计、调试，最后合成。
1前言
关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。
在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。
这次设计的智力竞赛抢答器，主要是由三个部分构成：一个是由几个D触发器的构成的用于抢答的部分，一个是由几个JK触发器和74LS4511构成用于倒计时，另外一部分则是由两个74190构成的一个可逆计数器，即计分器。
2.总体方案设计2.总体方案设计
2.1 方案比较：
以下设计的是智力抢答器的方案流程图：
抢答器主要是由四个三极管、和四个D触发器以及四个或非门构成，其中三极管是与主持人一起配合使用，用来控制是否开始抢答，当主持人将开关接地时，三极管截至，此时三极管可以当作一个二极管使用当有选手抢答时就通过三极管将信号传送给D触发器，D触发器在将信号传送给或非门并将其他选手锁存，同时将信号送给发光二极管与喇叭。
其工作原理是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答。当有选手抢
时，抢答信号就通过三极管传入D触发器，并且最先收到抢答信息的D触发器送出一个反馈信号将其余三位选手的信号封锁。当选手回答完毕问题时，主持人启动计分器，并且给该选手加上或减去分数。计分器通过译码器将信号传送给一数码管显示出来。
方案二的抢答器则主要是由四个RS触发器，一个74LS48以及一个优先编码器74LS148构成，其中四个RS触发器的输出接74LS48，74LS48在接数码管，R端接5V电源其如图
S端接74LS48连接选手的输入信号，当主持人将开关接通时，RS触发器的R端为低电平，输出端也全部为低电，选手不能抢答。当断开时，RS触发器处于工作状态中，当有选手抢答时，信号输入S端，并且锁定其他选手。
2.2方案论证及选择
通过以上两种方案的比较可知，方案一的设计是每当有选手抢答成功时，都会有声光伴随，而且是具体到每一位，给人直观的感觉。方案二的设计则是用一个数码显示器显示抢答成功者的号码，与第一个相比显得不能让人一下就反映过来谁是抢答成功者；另外方案一更加的简洁、易行，而且使用到的元器件也都是我们所常用到的一些元件比如：555，74LS148以及开关 二极管 电容 电的电路与方案二比较显得更简单、明了。
这样就是就选择第一种方案。
3.单元模块设计 3.单元模块设计
此部分主要是详细介绍该智力抢答器各个组成模块，以及各模块的器件组成以及相应的功能。此智力竞赛抢答器由三部分组成：抢答器、计时器以及计分器。下面就依次介绍各组成部分的设计方法，功能等。
3.1抢答器电路 3.1抢答器电路
这个抢答器设计成可供四个人抢答使用，它的组成器件有：四个三极管、 四个D触发器（74LS74）、四个或非门以及用于起提示作用的发光二极管和扬声器。电路图如下：
图3.1 抢答器
其工作原理如下：
当主持人将开关拨至接通状态时，这样三极管处于截至状态，使选手无法抢答，整个抢答器处于被锁定状态，当主持人将开关断开时，三极管的集电极接高电平，这样三极管处于导通状态，当选手有抢答信号输入时可以通过三极管将信号传送给D触发器，而D触发器的作用则是判断选手的信号，并锁住其他选手的信号传入。
首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。
晶体三极管的电流放大作用 。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
晶体三极管的三种工作状态
截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0
且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，
=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=
，g=
=D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= 
=D，e=
=
。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
其次，而D触发器的的构成原件见下图：
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。晶体三极管的电流放大作用 。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
晶体三极管的三种工作状态
截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
其次，而D触发器的的构成原件见下图：
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
方案二的抢答器则主要是由四个RS触发器，一个74LS48以及一个优先编码器74LS148构成，其中四个RS触发器的输出接74LS48，74LS48在接数码管，R端接5V电源其如图
S端接74LS48连接选手的输入信号，当主持人将开关接通时，RS触发器的R端为低电平，输出端也全部为低电，选手不能抢答。当断开时，RS触发器处于工作状态中，当有选手抢答时，信号输入S端，并且锁定其他选手。
2.2方案论证及选择
通过以上两种方案的比较可知，方案一的设计是每当有选手抢答成功时，都会有声光伴随，而且是具体到每一位，给人直观的感觉。方案二的设计则是用一个数码显示器显示抢答成功者的号码，与第一个相比显得不能让人一下就反映过来谁是抢答成功者；另外方案一更加的简洁、易行，而且使用到的元器件也都是我们所常用到的一些元件比如：555，74LS148以及开关 二极管 电容 电的电路与方案二比较显得更简单、明了。
这样就是就选择第一种方案。
3.单元模块设计 3.单元模块设计
此部分主要是详细介绍该智力抢答器各个组成模块，以及各模块的器件组成以及相应的功能。此智力竞赛抢答器由三部分组成：抢答器、计时器以及计分器。下面就依次介绍各组成部分的设计方法，功能等。
3.1抢答器电路 3.1抢答器电路
这个抢答器设计成可供四个人抢答使用，它的组成器件有：四个三极管、 四个D触发器（74LS74）、四个或非门以及用于起提示作用的发光二极管和扬声器。电路图如下： 图3.1 抢答器
其工作原理如下：
当主持人将开关拨至接通状态时，这样三极管处于截至状态，使选手无法抢答，整个抢答器处于被锁定状态，当主持人将开关断开时，三极管的集电极接高电平，这样三极管处于导通状态，当选手有抢答信号输入时可以通过三极管将信号传送给D触发器，而D触发器的作用则是判断选手的信号，并锁住其他选手的信号传入。
首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。
晶体三极管的电流放大作用 。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
晶体三极管的三种工作状态
截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
其次，而D触发器的的构成原件见下图：
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。晶体三极管的电流放大作用 。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
晶体三极管的三种工作状态
截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
其次，而D触发器的的构成原件见下图：
图3.2 D触发器
此D触发器又叫维持——阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：
Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：
①、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g==D。
②、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e==。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
③、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：
表3.1 D触发器真值表
Sd
| Rd
| CP
| D
|
|
|
1
| 0
| ×
| ×
| ×
| 0
|
0
| 1
|
|
|
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 0
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 0
| 1
| 0
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 0
| 1
|
1
| 1
| ↑
| 1
| 1
| 1
|
通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。
3.2计时器电路
3.2计时器电路
设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：
图3.3 计时器电路图
下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。
3.2.1 555定时器
3.2.1 555定时器
555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
图3.4 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表3.2 555功能表
输入
| 输出
| |||||
阀值输入（VI1）
| R
| 出发输入（VI2）
| S
| 复位（Rd）
| 输出（Vo ）
| 放电管T
|
×
|
| ×
|
| 0
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| <1/3Vcc
| 0
| 1
| 1
| 截止
|
>2/3Vcc
| 0
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 0
| 导通
|
<2/3Vcc
| 1
| >1/3Vcc
| 1
| 1
| 不变
| 不变
|
3.2.2减法计数器
3.2.2减法计数器
图3.5 JK倒计时器电路图
