一、设计题目：四路抢答器设计二、技术指导和技术要求：用集成芯片设计并制作简易四路抢答器，具体要求如下：1.每个参加者控制一个按钮，用按动按钮发出抢答信号；2.抢答组数分为四组，即序号A、B、C、D，对应数字编码1、2、3、4，优先抢答者按动本组序号开关，该组对应数字编码立即锁存到LED显示器上，同时封锁其他组号，并有蜂鸣器声音提示。
此后其他3人再按动按钮对电路不起作用；3.竞赛主持人另有一个按钮，用于将电路复位。
三、选择总体方案，确定电路1、提出电路的方案方案（1）：如图1所示为总体方框图。
其工作原理为：通电源后，抢答器处于工作状态，编号显示器灯灭，主持人宣布“开始”，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，禁止二次抢答。
如果再次抢答必须由主持人操作“复位”开关。
图1 电路原理框图方案（2）：下面是用74LS175、74LS00、74LS20得到的4路抢答器的电路，如图2。
这个电路只是通过发光二极管来显示其结果，没有达到按照选手的号码来显示数字，并且其电路抢答没有声音，所要求集成块个数跟方案(1)相当，但实现功能稍逊方案(1)。
2、方案的选择与论证比较方案（1）和方案（2），发现方案（1）需要元器件数量稍微多一点，但所需元件都是比较简易，电路不是很复杂，并且所显示的效果比方案(2)要多，达到了实验的要求。
而方案(2)不能有效达到设计指标（没有声音、无数字显示），所以选择方案（1）。
图2 方案(2)电路图四、单元电路推导和电路元器件参数计算(1)优先锁存、门控电路：CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED，其引脚图和功能表如图3。
图3 CD4511的引脚图和功能表门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能，由一个开关R连入电路实现。
分析CD4511的功能表可知，给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。
在抢答的准备阶段，主持人按下开关R后，CD4001 RS触发器输出端4号端口输出低电平，即CD4511的LE端口为低电平，4511处于消隐工作状态，LED数码管不显示；当第一个在抢答键按下时，5V电源通过二极管D3、D4、D5或者D6加至CD4001RS触发器S端，即1号脚输入高电平，其输出端4号脚变为高电平输出，即给LE一个高电平，锁存此时的编号，同时数码管显示相应的编号。
观察CD4511的逻辑真值表发现，数码管显示“0”时与数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时，CD4511的输出端e、f有不同的特性，显“0”时给LE端一个低电平，显“1”、“2”、“3”、“4”时给LE端一个高电平。
（2）抢答编码电路：A、B、C、D组成1~4路抢答器，任一抢答键按下都需编成BCD码，将高电平加到CD4511的A、B、C、D、4个BCD码输入端。
分析CD4511的逻辑功能表，要在数码管上显示的4个十进制编号“1”、“2”、“3”、“4”所对应输入的BCD码应为“0001”、“0010”、“0011”、“0100”，4个二进制位从左到右分别对应CD4511的D、C、B、A4个编码输入端。
显示“1”、“2”、“4”比较容易实现，只需要通过按键接通电源直接将高电平加到相应的端口A、B、C。
而显示“3”则在A、B端口加高电平，这通过编码二极管D1、D2来实现，按键同时接在这两个二级管的正极，二极管的负极分别接在CD4511的A、B端，只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平，以实现编码。
按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。
抢答编码连接电路图如下图4所示：图4 抢答编码连接电路图（3）译码电路：由于需要用LED数码管显示抢答的相应编号，选用常见的BCD----七段锁存/译码/驱动集成电路CD4511。
其工作的逻辑真值表如表1所示。
将CD 4511的七段译码输出端A、B、C、D、E、F、G分别与数码管的7个端口连接，由于CD4511输出端的电压为5V，而数码管的前向导通电压和开门电压分别为1.66V和5V，这时CD4511与数码管连接时中间需要加限流电阻R7～R13=668Ω，限流电阻需要小于这个阻值，这里取330Ω。
连接后的译码、数显电流如下图5所示。
图5 抢答译码连接电路图（4）声响显示电路：在CD4511的4、5端，用集成555定时器构成多谐振荡器，连接一个音频多谐振荡电路，并联一个喇叭，组成音频多谐振荡器，使抢答成功后的提示在LED 显示及声音显示。
如下图6：图6 蜂鸣器、LED数码管显示图五、总体电路图与电路工作原理说明电路如图7所示。
该电路完成两个功能：一是实现优先抢答的锁存、译码输出驱动LED数码管显示先抢答者的号码，同时四路抢答器发出响声，其他选手再抢答视为无效抢答；二是主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。
工作过程：抢答前，主持人按下“复位”R按钮后，RS触发器的 Q端输出为低电平，即CD4511端4号引脚接低电平，所以CD4511 处于消隐工作状态，a-g 全为 0，即LED 数码管不显示，多谐振荡器不产生振荡，蜂鸣器不响。
开始抢答时，第一个抢答者按下按钮后，输入的高电平经4-3线编码电路编成对应的 8421BCD 码，然后输入到 CD4511 中，与此同时，CD4001RS触发器的S输入端1号脚输入高电平后，其输出端4号脚变为高电平，即CD4511的LE锁存控制端接高电平，所以CD4511 处于锁存工作状态。
此时CD4511输入对应的译码输出将锁存起来，根据上述4-3线编码器功能真值表和CD4511真值表，即可查到此时候LED数码管显示值（高电平记为“1”，低电平记为“0”）。
此时，数码管保持显示第一个抢答者的号码，同时多谐振荡器开始产生振荡，蜂鸣器发出响声。
上电复位后的时刻，CD4001 的6号脚瞬时输入高电平，4号脚输出低电平，使LED数码管不亮，多谐振荡器停止振荡，蜂鸣器不响。
集成器件 CD4511 的 A、B、C 输入端分别通过R4、R3、R1接“地”（低电平）。
图7 总体电路原理图六、元器件和实验设备清单表2七、电路的组装、调试、功能验证1、测试触发器及各逻辑门电路的逻辑功能，判断器件的好坏。
⑴测试锁存功能：按原理图图7连接好CD4511逻辑门电路部分，准备测量CD4511的各个引脚的电位值，将其与上述图3 CD4511功能图相对应，高电平即为“1”，低电平即为“0”。
经测试发现CD4511功能正常。
测试结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：表3 CD4511 管脚电位测试结果⑵测试CD4001四2输入或非门功能：按电路原理图7，测试CD4001 各个引脚电位，高电位为“1”，低电位为“0”，观察结果是否符合逻辑表达式，其中（1）A=1号引脚，B=2号引脚，Y=3号引脚；（2）A=5号引脚，B=6号引脚，C=4号引脚。
若符合逻辑表达式，则对应CD4001完好，测试发现器件正常。
测试各个引脚电位结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：表4⑶测试NE555定时器组成的多谐振荡器：按原理图中图7连接好电路，蜂鸣器输出端接入示波器，观察其输出波形，若未抢答时候波形为正弦波，抢答成功后输出波形为方波，则多谐振荡电路正常。
经测试发现，元器件正常。
图8 正弦波与方波2、按原理图连接好四部分内容，检查连线无误后打开电源开关，测试抢答器的功能。
抢答开始，按下A、B、 C、D某一按钮，观察对应LED显示器，是否显示相应得数字，按A开关时候，显示数字1，B显示数字2，C显示数字3，D显示数字4 ，并且蜂鸣器发出持续的声响；按下R复位开关时候，LED数码管不显示数字，蜂鸣器声响停止。
若LED显示器显示对应的开关号，并且按下其抢答开关，电路工作状态保持不变，则说明整个电路系统正常；否则就说明电路有问题，应仔细检查各部分连线是否正常。
同时检查蜂鸣器和显示器是否按照规定方案蜂鸣和显示。
如果都正常则实验成功。
八、测试结果分析经检查，各部分连线无误，各部分间的连线都正确，每个元件都正常。
检测抢答器的最终功能，先将抢答器接到5V直流电源上，按钮A置“1”，LED显示1，蜂鸣器发出声响，按下其他抢答按钮不起作用；再次将复位按钮按下，LED无显示，蜂鸣器停止发出声响。
其测试项目如下表所示：表5九、遇到的问题及解决1.实验中出现的问题是电路稍微复杂，焊接该电路所需要的导线需要很多；再者在焊接电路过程中必须确保每一步焊接的电路正确，是电路搭接美观实用；最后是通过使用万用表来检测焊接电路的正确性。
2.焊接电路得保证焊点没有虚焊，为此我们焊接速度比较慢，谨慎焊接，保证每个焊点都没有虚焊。
3.在用示波器检测蜂鸣器输出端信号时候，发现信号残缺，后经过排故发现有一根导线脱焊，为此我们小组同学又重新焊接。
后来再测试发现信号没有残缺。
十、设计电路的特点和改进(1) 可靠性：整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。
(2) 易测性：抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。
(3)实验改进：由于实验需要焊接的电线很多，以至我们在检查电路时太浪费时间而且也不方便，因此我们有必要使用印制的电路板，这样所使用的连线就会少一些。
测试时候只需要把相应元器件正确安装在相应位置上即可。
这样我们在使用时也会变得更方便，出现问题或故障时能很快找出问题的所在。
印制的电路板如下图所示：图9 四路抢答器印制电路板图十一、收获与体会这次的实验是袁雷同学为组长，负责四路抢答器方案筛选、元器件的购买、焊接电路的检查、电路测试及实验报告书写整理工作；刘宝存同学负责焊接电路、检查电路、测试电路及部分实验报告书写工作；夏振龙同学负责部分电路焊接、实验报告检查、焊接电路检查等工作；尤旗同学负责电路检查、元器件性能测试等工作；程颐同学负责陪同组长购买元器件、实验报告书写及检查等工作。
在我们5人的分工合作之下完成了这次实验，通过这次实验我们收获颇多：1.和组员拿着选定的题目觉得很简单。
脑海中马上就出现了几个设计思路，但在设计的几天里才发现设计并不是那么简单。
静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。
将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合。
2.在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查表，分析功能，即学即用，印象很深刻。
3.既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。