抢答器

一、 实验目的

1. 综合运用 D 触发器、门控时钟、计数器等。
2. 用 LED 和数码管显示抢答成功的组号。
3. 了解小型综合数字系统实验的调试和故障排除方法。

二、 实验原理及内容

完整的实验电路图如下图：

1.抢答模块
抢答模块电路如下：

抢答开始前，由主持人按下𝑅𝐷复位开关， 74LS175 的𝑄0-𝑄3的输出为 0。当抢答开
始后，反应最快的参赛者按下开关，对应的 LED 点亮，同时，切断了 74LS175 的时钟信
号，电路不再接受其他参赛者的抢答。
2.数码管显示模块
将抢答模块输出换接为数码管，并用或门设计相应电路图，使数码管显示抢答成功
的组号。
3.分频模块
分频模块电路及双 4 位十进制计数器 74LS390 功能表如下：

由功能表分析电路可知，每一个 7 输出信号频率为输入信号频率的十分之一，则输
入 1KHz 信号经过三次分频就可以得到 1Hz 的输出信号。
4. 倒计时模块
倒计时模块电路及十进制计数器 74LS192 功能表如下：

由功能表分析电路可知，使用减计数，从预设数 9 开始，由于输入时钟信号频率为
1Hz，故每秒倒计时一次，输入 D=0 时不倒计时。
5. D 触发器
D 触发器位于完整电路图右上角。本次采用的是边沿触发的 D 触发器。当倒计时模
块从 0 又到 9 时，输出端 BO 会产生一个负脉冲，此时 D 触发器输出端 Q=1,𝑄′ = 0，
从而使倒计时模块停止倒计时，可实现锁“9”的功能。

三、 实验结果

1.测试各逻辑门和触发器的逻辑功能
测试 D 触发器的逻辑功能，得到如下特性表：

D 触发器特性方程为𝑄∗ = 𝐷.
2.测试抢答模块电路功能
测试得知，初始时输出全为 0.将𝑅𝐷置为高电平，当𝐷𝑖最先置为 1 时，对应𝑄𝑖输出
为 1，其余为 0，并且即使其他输入端此时输入高电平，对应的输出端也不会输出高电
平。将输入端恢复为 0，复位开关𝑅𝐷置为低电平又置为高电平后，又可重复上述过程，
则抢答模块功能正常。
3.试实现在一个数码管上显示抢答成功的组号，画出电路图。
先列出 74LS175 输出端与数码管输入端对应的真值表：

真值表未列出的项为无关项，则可得到逻辑函数为：
𝐴 = 𝑄0 + 𝑄2 , 𝐵 = 𝑄1 + 𝑄2 ,𝐶 = 𝑄3 , 𝐷 = 0
根据真值表画出电路图为：
连接好电路后，再次模拟抢答操作，数码管显示符合实验要求。
4.搭建分频模块，用示波器测量其输出频率
使用示波器调节输入端信号频率，使其等于 1KHz，再测量第一片 74LS390 输出信
号频率。实验测得输入频率为 1.037KHz，输出频率为 10.37KHz，由于第一片 74LS390
经过了两次分频，输出变为百分之一，故分频模块功能无误。
5.测试计数器 74LS192 功能后接入电路中
将 74LS192 输出端𝑄0到𝑄3依次接到数码管的 A、 B、 C、 D 端。给 CL𝐾𝐷端通入 1Hz 的
脉冲信号。先给 LD 通入高电平， 由于预设数为 9，当 LD 置为低电平时，数码管显示从
9 每秒一次开始倒计时，到 0 后又再次从 9 开始。
6.倒计时模块中增加 D 触发器，实现锁 9 功能，直到按下复位开关。
将各模块连接在一起得到总电路图如下,其中 1Hz 脉冲由分频模块提供。

（1） 计时器显示答题时间
当计时器的 D 端接抢答模块 A 端时，计时器显示为答题时间。主持人将复
位开关从低电平拨至高电平，此时可以开始抢答。抢答前， A 端输出为 0，计
时模块不计时，显示为 0。当某一组抢答成功后，抢答模块显示其组号，其他
组不能进行抢答，此时 A 端输出为 1，计时模块开始计时， 从 9 每秒一次倒数
计时直到重新返回 9.此时 BO 产生一个负脉冲， D 触发器将𝑄′置为 0 从 C 端，
使计数器𝐶𝐿𝐾𝐷恒为高电平，计数器停止计数，锁定为“9” .主持人拨下复位开
关，并且将抢答端开关复位后，可以开始新一轮的抢答。
（2） 计时器显示抢答时间
当计时器的 D 端接抢答模块 B 端时，计时器显示为抢答时间。 初始时复位
开关为高电平。 主持人将复位开关从低电平拨至高电平，开始抢答。 此时， B
端输出为 1，计时器开始计时。 当某一组在计时器返回到 9 之前抢答成功时，
抢答模块显示其组号，其他组不能进行抢答，此时 B 端输出为 0，计时模块停
止计时；若没有任意组抢答成功，则此时 BO 产生一个负脉冲， D 触发器将𝑄′
置为 0 从 C 端，使计数器𝐶𝐿𝐾𝐷恒为高电平，计数器停止计数，锁定为“9” .
主持人拨下复位开关，并且将抢答端开关复位后，可以开始新一轮的抢答。

四、思考题

问题： 在本实验的基础上设计一个 60 秒的答题倒计时电路， 要求计时显示精确到秒。
解答：
设计思路： 60 秒的计数器需要给两个数码管提供输入。 一个从 5 开始且每隔 10 秒
倒数一次作为 10 位， 一个从 9 开始且每隔 1 秒倒数一次作为个位。 一种自然的想法是
再使用一片 74LS192， 利用前一片从 0 到 9 时 BO 端输出的一个负脉冲来为下一片计时，
并且此时两片 74LS192 的锁 5 与锁 9 功能由第二片的 BO 端连接 D 触发器来实现。
设计电路：

上述电路中 74LS175 输出端用实验 3 的电路接入数码管， 两片 74LS192 输出端分
别从高位到低位接入两个数码管。

五、 反思总结

本次实验属于综合性实验， 若要完成整个实验， 每一个模块都不能有误， 因此在将每个
模块连接在一起之前需要单独检查每个模块是否正常工作。 由于接线非常多， 若有一根导线
出现问题则很可能检查不出错误的来源， 所以接线之前先检查导线连接是否良好也是非常必
要的。