毕业设计（论文）-八路数字抢答器设计.doc

中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书 八路数字抢答器设计摘要随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。我所设计的数字抢答器具有电路简单，元件易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发，用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该抢答器的设计利用Protel99完成了原理图设计和电路仿真，具有互锁自锁、倒计时显示等功能。关键词：自锁，抢答器，数字电子技术Design of Eight Digital ResponderAbstract With the continuous development of science and technology, promote learning science, science and technology, knowledge of the variety of means.Responder is a tool that has been widely used in various intelligence and knowledge competitions occasions. I of the designed digital vies to answer first instruments have circuit is simple, easy to buy components etc, and solves the difficult and hard to buy makers make the problem.The design to eight-way quiz Responder basic concepts, from the practical application,with digital, analog electronics design extension of the answering device.The design of the Responder by Protel99 completed schematic design and circuit simulation, with the interlocking self-locking, the countdown display.Key words:lock itself,Responder,digital electronic technology目 录1 引言 11.1 本项研究的目的和范围 11.2 本项研究工作在国民经济中的实用价值与理论意义 11.3 本研究课题范围内国内外己有文献的综述 21.4 理论依据和实验设备条件 21.5 本文所要解决的问题 31.6 论文内容安排 42 抢答器的系统概述 52.1 系统主要功能简介52.2 系统电路框图 52.3 系统原理说明 63 抢答器的单元电路设计 73.1 抢答电路 氌73.1.1 控制电路原理 73.1.2 报警电路 153.2 定时电路 163.2.1 NE555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器 173.2.2 外围门电路 193.2.3 74LS192构成的递减计数电路 243.2.4 译码显示电路 264 总结 31附录 32参考文献 33致谢 34第 I 页 共I页1 引言1.1 本项研究的目的和范围抢答器是政府机关、金融单位、广播电视系统或党委、工会、团委、企事业单位等部门举办竞赛问答、各种知识测试、娱乐活动中一种常用的必备的理想设备，也是为各种知识竞赛、文娱活动提供公正客观快速裁决的一种常用电子设备，还是一种逐渐成型的电子产品。我通过了解简单多功能数字电路抢答器的组成原理，初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，提高思考能力和实践能力。同时通过本课题设计，巩固已学的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法.传统的数字电路设。题目和实验内容在可扩展性、综合性及与理论知识结合程度方面略显不足，大多数为验证性和单一功能性电路，而本数字智能抢答器系统设计尝试在实训中加入典型小型数字系统设计的环节，提高我的自主的动手能力以及对小型数字系统的分析设计能力，加深了对数字电路理论知识的掌握。1.2 本项研究工作在国民经济中的实用价值与理论意义 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，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。 抢答器是一种应用非常广泛的设备，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。通过一些方式如数码管显示抢答成功者的信息，或者通过声音来判别成功抢答的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。1 随着电子技术的发展，抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越高，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。本论文通过参考大量文献对抢答器的工作原理做了系统介绍，通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为学校等单位举行的简单的抢答活动提供了简单设计思路，对于企业了解抢答器产品生产技术及其发展状况十分有益。1.3 本研究课题范围内国内外己有文献的综述随着我国抢答器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。了解国内外抢答器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要。抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。电子抢答器的中心构造一般都是由抢答器由数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。语音记分抢答器是由一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成，具有记分等功能。电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。无线电脑抢答器的构成是由：主机和抢答器专用的软件和无线按钮。无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑再和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。1抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块 ,而专用集成块的购买又很困难。而我所设计的数字抢答器具有电路简单，元件普通 ,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。1.4 理论依据和实验设备条件本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，同时供八名选手或八个代表队比赛，分别用八个按钮S1-S8表示。设置一个系统清除和抢答控制按钮，该按钮由主持人控制。抢答器具有自锁与显示功能，即选手按动按钮，锁存相应电路，相应指示灯发光，同时扬声器发出报警声响提示，同时显示器显示倒计时时间。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的指示灯一直保持到主持人将系统清除为止。本设计从实际应用出发，用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该抢答器的设计利用Protel99完成了原理图设计和电路仿真，具有互锁自锁、倒计时显示等功能。1.5 本文所要解决的问题随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。随着现代科学技术的发展，抢答器械也由以前的各种传统式抢答器演变到现在的数字式抢答器。抢答器应用广泛，工厂、学校和电视台等单位长举办各种智力竞赛，抢答器是必要设备。在各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。从而达不到抢答的真正效果，为了解决此类问题，现代科学技术把抢答器推上一个新的平台，从而告别了传统抢答模式。数字抢答器是利用一些数字集成电路组成，其中包括抢答电路、定时电路、控制电路、报警电路等组成。数字抢答器能够弥补以前的诸多不足之处，以提高信号接收的快速性、精确性、应用到日常生活中能够给人们带来更大的方便，以提高效率。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。目前多数抢答器存在3个不足之处2：首先，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。其次，电路复杂。因为简单逻辑电路只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用简单逻辑电路扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。最后，容易出现选手抢按成功现象。本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。主持人有开始、复位键，在后台主持人可以修改抢答时间，如抢答时间设置为30秒。主持人按下开始键后，数码显示屏显示抢答倒计时，当有选手优先按下抢答按钮时，扬声器发声表示有选手抢答，同时该选手对应的指示灯亮显示该选手抢答成功，并且其他选手无法抢答，此时数码显示屏停止倒计时。此轮回答结束后主持人按下复位按钮从新开始新一轮抢答。通过研究并在设计后发现，采用数字电路技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都能通过数字电路完成，第二，工作性能可靠，抗千扰能力优于目前抢答器。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。1.6 论文内容安排本论文章节结构和内容安排如下：第一章：引言。简要介绍抢答器的发展现状，说明本课题研究的内容。第二章：抢答器系统概述。简单概述了本课题的总体结构，说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。第三章：抢答器的单元电路设计。详细描述了本课题各单元电路的设计。结论：总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。2 抢答器的系统概述2.1 系统主要功能简介（1）可同时八组选手参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。（2）节目主持人设置两个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。（3）数字抢答器具有自锁、指示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并且相应的指示灯亮，同时扬声器给出音响的提示。此外，要锁存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的指示灯显示一直保持到主持人将系统清零为止。（4）抢答器定时为30S，启动电源键后，定时器开始工作，立即减计，并在显示器上显示出来。（5）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。2.2 系统电路框图抢答按钮抢答自锁电路报警电路主持人控制开关减计数电路译码显示电路秒脉冲发生器图2.1 抢答器系统框图2.3 系统原理说明抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛时，当主持人发出开始命令后，有多个新号同时或不同时输入主电路中，由三极管组成的自锁电路判断出第一抢答信号，并对第一信号形成自锁，使其他信号抢答无效，同时由三极管组成互补多谐振荡器使扬声器发声，表示已有人抢答。定时电路由NE555提供秒脉冲，使同步计数器74LS192开始进行30S减记时，显示电路由74LS48七段数码管译码器驱动器和七段共阴极数码管组成，对减计时进行译码并显示，同时NE555和外围门电路实现对计时器的控制，当有选手抢答时通过外围门电路时计数器暂停计时，并显示当时的时间。当倒计时时间到时仍无人抢答，主持人按下清零按钮开始新一轮抢答。3 抢答器的单元电路设计3.1 抢答电路如图3.1是八路抢答器的抢答电路原理图。图3.1 抢答电路 本电路可分为两部分：一、控制电路：S1-S8为八个常开开关，作为八路抢答器的抢答按钮。S9是常闭开关，作为复位按钮，S10为电源开关。D9是二极管，VT1-VT8、VT10-TV17是三极管，D1-D8是发光二极管，作为指示灯，分别组成八个自锁和指示电路。二、多谐振荡电路：VT9、VT18、C9、R12组成多谐振荡电路，多谐振荡电路通过扬声器L3发出提示的声音。3.1.1 控制电路原理说明该电路的形成是模拟了可控硅的工作过程，可控硅又叫晶闸管今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。3在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。P型半导体一边的空间电荷是负离子，N型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。3在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。3半导体二极管（简称二极管）是由PN结加上电极引线和管壳组成的。由P区引出的电极为阳极（或称正极），由N区引出的电极为阴极（或称负极），箭头表示正向电流的方向。3其符号如图3.2所示图3.2 二极管的符号在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门坎电压”，又称“死区电压”，锗管约为0.1V，硅管约为0.5V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。3在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。3半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。 晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大，他是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管。三极管基本机构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。3如图3.3 所示图3.3 晶体管的结构示意图和符号PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic 这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib 式中：1为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：=Ic/Ib 式中称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。3晶体管在电路中工作时，依据两个PN结的偏置情况不同，其工作状态可分为三种：放大状态（发射结正向偏置、集电结反向偏置）、饱和状态（发射结正向偏置、集电结正向偏置）、截止状态（发射结反向偏置、集电结反向偏置）。其中又以放大状态最为复杂，主要用于小信号的放大领域，常用的三极管放大电路形式有：共发射极放大电路，共集电极放大电路，共基极放大电路三种，其中共集电路用于电流放大（功率放大），共基电路用于高频放大，共射电路用于低频放大。3三极管放大电路包含静态参数和动态参数两大类，静态参数又称静态工作点，是保证三极管正常工作的基础，意义是在输入条件为零时，晶体管的基极电流Ib，集电极电流Ic，be极之间的电压Ubc，管压降Uceq。当有输入信号时，晶体管呈现的输入电阻Ri，输出电阻Ro，电压增益Au等参数被称为动态参数。另外还有一类参数被称为放大电路频率特性参数，主要包括放大电路的低频端截止频率，高频端截止频率，通频带，增益平坦度，幅（度）频（率）特性曲线等。3晶极管放大时管子内部的工作原理：1、发射区向基区发射电子 电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。2、基区中电子的扩散与复合 电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。3、集电区收集电子 由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。3从晶闸管的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，4其等效图解如图3.4所示图3.4 可控硅等效图解图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。4由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 4由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，5此条件见表3.1表3.1 可控硅导通和关断条件状 态条 件说 明从关断到导通1、 阳极电位高于阴极电位2、 控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、 阳极电位高于阴极电位2、 阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、 阳极电位低于阴极电位2、 阳极电流小于维持电流任一条件即可如图3.5所示为抢答控制电路原理图。图3.5 控制电路电路中有八组自锁电路,每组电路由一只PNP型三极管和一只NPN型三极管及其外围电路组成，三极管VT1和VT10为一组，三极管VT2和VT11为另一组，这样共有八组。根据要求可以很方便地增加或减少抢答器的路数。如果只需要四路，那么就可以少装两路的元器件。工作原理：电路在初始状态时，每组的两个三极管都处在截止状态。如VT10通过电阻R1接电源负极，所以三极管VT10截止，这样三极管VT1的基极也得不到基极电流而截止。假如当按钮开关S1接通时，电源电压通过电阻器R10，二极管D9加到三极管VT10的 基极上，三极管VT10导通，发光二极管D1亮，三极管VT10的集电极电压下降，使三极管VT1也跟着导通。此时就是按钮开关S1断开，三极管VT1还能继续为三极管VT10的基极提供工作电流，维持三极管VT10的导通饱和状态，而三极管VT10的导通也继续为三极管VT1的导通提供了条件。这就是电路的自锁过程，电阻R9为发光二极管的限流电阻。6图3.6为某两组自锁电路图。图3.6 某两组自锁电路当某一组电路导通饱和时，其他按钮开关即使再被接通，这一路上的发光二极管也不会亮，这是因为电阻R10的作用。由于某一组电路导通饱和时，电阻R10下端电压下降，约为0.9V，通过二极管VT9后，开关下端电压只有0.3V，因为开关上端加了电阻，高电平不能通过开关向下，若其他按钮开关接通，经过开关上端电阻后，电压继续下降，三极管的导通需要至少0.6的电压，所以这样低的电压不能使其他三极管导通。一旦某一组电路饱和导通后，其他各路自锁电路也就得不到正常电压，受到了封锁，使其开关失效。要消除这种状态，只有按下常闭开关S9使电路断电后再启动。3.1.2 报警电路原理说明图3.7为报警电路图图3.7 报警电路电路中的PNP型三极管VT9和NPN型三极管VT18及其外围电阻器电容构成了互补多谐振荡器。7在任意按钮开关都没有接通时，由于电阻器R10的作用使PNP型三极管VT9截止，振荡器则不能够工作，扬声器不响。当某一按钮开关接通时，这一组电路立即饱和导通，电阻器R10的下端电压下降，PNP型三极管VT9开始导通，互补多谐振荡器工作，扬声器鸣叫，表示抢答成功。3.2 定时电路图3.8为抢答器的定时电路原理图图3.8 定时电路 该定时电路由NE555组成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器，给74LS192构成的减计数器提供脉冲信号，当主持人按下开始开关秒脉冲发生器开始工作，减计数器开始减计数，74LS48译码器对其进行译码并在半导体数码管上显示倒计时过程。当有选手抢答成功时，通过外围门电路使计数器停止工作，数码管停在当时的倒计时时间上。如没有选手抢答，则计数器减计数到结束。当主持人按下复位开关时，所有状态清零，开始下一轮抢答。3.2.1 NE555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器图3.9为555构成的秒脉冲发生器图3.9 秒脉冲发生器 把555定时器的2、6两个输入端连接起来，再外接电阻R1，R2和电容C，便构成了多谐振荡器，8其内部电路结构如图3.10所示。图3.10 由555定时器构成的多谐振荡器的内部电路结构 该电路不需要外加触发信号，通电后能产生周期性的矩形脉冲或方波。工作原理：多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上的电压VC略低于VCC ,VO输出高电平，VD截止，电源VCC通过R1，R2给电容C充电。随着充电的进行，VC逐渐增高，但只要VCCVCVCC，输出电压VO就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。3当电容C上的电压VC略微超过VCC时，RS触发器置0，使输出电压从原来的高电平翻转到低电平，即VO=0，VD饱和导通，此时电容C通过R2和TD放电。随着电容放电，VC下降，但只要VCCVCVCC，VO就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。3当VC下降到略微低于VCC时，RS触发器置1，电路输出又变为VO=1，TD截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图3.11所示。 图3.11 由555定时器组成的多谐振荡器的工作波形 因为两个状态会随着电容的充、放电自动结束，所以两个状态都成为暂稳态。 电容充电时间T1 （3.2.1.1） 电容放电时间T2 （3.2.1.2） 电路的振荡周期为 （3.2.1.3） 振荡频率为 （3.2.1.4） 取R1=15K，R2=68K，C=10uF,可得振荡频率为 （3.2.1.5） 所以T=1s。3 由Multisim仿真得到如图3.12的波形，符合秒脉冲的要求。图3.12 多谐振荡器频率仿真波形3.2.2 外围门电路外围门电路由两个二输入与非门U1AA和U3AA和一个三输入与非门U2AA构成。下面分别对其进行介绍。（1）图3.13为二输入与非门电路图和逻辑符号图3.13 二输入与非门电路图和逻辑符号A、B为输入端，Y为输出端。与非门是当输入端中有1个或1个以上是低电平时，输出为高电平；只有所有的输入是高电平时，输出才是低电平。其逻辑表达式为。9图3.14所示为二输入端与非门波形图图3.14 二输入端与非门波形图表3.2为二输入端与非门真值表，1表示高电平，0表示低电平，表3.2 二输入端与非门真值表输 入输 出ABY001011101110（2）图3.15所示为四输入端与非门的逻辑符号图3.15 四输入端与非门逻辑符号A、B、C、D为四个输入端，Y为输出端。同样该与非门是当输入端中有1个或1个以上是低电平时，输出为高电平；只有所有的输入是高电平时，输出才是低电平。其逻辑表达式是。11下表3.2为四输入端与非门真值表表3.3 四输入端与非门真值表输 入输 出ABCDY00001000110010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110111110 外围门电路图如图3.16所示图3.16 外围门电路图当主持人按下开始按钮时，如果没有选手抢答，此时U1AA的两个输入端均为低电平，根据二输入端与非门真值表可知其输出端为高电平。U1AA的输出端接U2AA的两个输入端1、2，所以四输入端与非门U2AA的输入端1、2为高电平，此时NE555构成的秒脉冲发生器开始发出脉冲信号，当四输入端与非门输入端4为高电平时，由于此时减计数器还未开始减计数，四输入端与非门输入端5为高电平，根据四输入端与非门真值表可知此时U2AA的输出为高电平，同时根据真值表U3AA的输出为高电平，接减计数器的减计数脉冲输入端CD，此时减计数器开始工作；而当四输入与非门输入端4为低电平时，U2AA输出为高电平，则U3AA输出为低电平，接减计数器的减计数脉冲输入端CD，此时减计数器暂停工作。这两种状态持续的时间为一秒，所以减计数器可以成秒计数。当有选手抢答时，U1AA的两个输入端都为高电平，根据二输入端与非门真值表可知其输出为低电平，而根据四输入与非门真值表可知，不论U2AA的4、5两个输入端是何种电平，由于1、2两输入端均为低电平，所以U2AA的输出端始终输出高电平，此高电平作为U3AA的输入，所以根据二输入端与非门真值表可知，此时U3AA始终输出低电平。U3AA输出端接减计数器的减计数脉冲输入端CD，因此减计数器暂停工作，数码显示管显示此时的时间。当支持人按下复位按钮，计数器清零，开始进行下一轮抢答。当主持人按下开始按钮后仍没有选手抢答，减计数器一直进行减计数，直到主持人按下复位按钮开始进行下一轮抢答。3.2.3 74LS192构成的递减计数电路74LS192是同步可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。12图3.17为74LS192的逻辑符号。图3.17 74LS192逻辑符号其中，P0-P3：并行数据输入端。Q0-Q3：数据输出端。CPU：加计数脉冲输入端。CPD：减计数脉冲输入端。MR：复位输入端，高电平有效，异步清除。PL：预置输入控制端，低电平有效，异步预置。TCU：加法计数时，进位输出端，低电平有效。TCD：减法计数时，借位输出端,低电平有效。下表3.4所示为74LS192的功能表表3.4 74LS192功能表输 入输 出MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba011XXXX加 计 数011XXXX减 计 数由74LS192构成的三十进制递减计数器的电路原理图如下图3.18所示，图3.18 减计数器工作原理：低位片的借位信号接到高位片的CPD，两片的CPU端都接高电平，当主持人按下开始键后，接通两片的74LS192的PL，开始进行减计数，预置数为N=(0011 0000)8421 BCD=(30)10只有当低位片的TCD端发出借位脉冲时，高位片才做减计数，当高，低位计数器处于全零，且CPD为0时，高位片BO2端发出借位脉冲。当有选手抢答成功时，由门电路组成的外围控制电路使得低位片的CPD脉冲输入端无脉冲输入，则计数器停止计数。当LD为电低平时，即主持人按下复位按钮，计数器完成并行置数。3.2.4 译码显示电路显示译码器:由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。译码显示电路由七段显示译码器74LS48和半导体数码管构成。图3.19为译码显示电路。图3.19 译码显示电路74LS48是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，它是输出高电平有效的译码器。其功能是把8421二十进制代码译成对应于数码管的七个字段信号，驱动数码管显示出相应的十进制数码。图3.20为74LS48的引脚图，图3.20 74LS48引脚图，BR，B/BR是使能端，起辅助控制作用。使能端的作用如下： (1) 是试灯输入端，当=0，B/BR=1时，不管其它输入是什么状态，ag七段全亮；(2)灭灯输入B，当B =0，不论其它输入状态如何，ag均为0，显示管熄灭；(3)动态灭零输入BR，当=1，BR =0时，如果A3A2A1A0=0000时，ag均为各段熄灭； (4)动态灭零输出BR，它与灭灯输入B共用一个引出端。当B=0或BR =0且=1，A3A2A1A0=0000时，输出才为0。BR与BR配合，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。13表3.5所示为74LS48七段译码驱动器真值表表3.5 74LS48七段译码驱动器真值表十进制数或功能输 入B/BR输 出BRA3A2A1A0abcdefg01X0000111 1111011X00011011000021X00101110110131X00111111100141X01001011001151X01011101101161X01101001111171X01111111000081X10001111111191X100111110011101X101010001101111X101110011001121X110010100011131X110111001011141X111010001111151X111110000000灭灯XXXXXX00000000灭零10000000000000试灯0XXXXX11 111111在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的七段字符显示器的驱动信号。目前用于电子电路系统中的显示器件主要有发光二极管组成的各种显示器件和液晶显示器件，这二种显示器件都有笔划段和点阵型两大类。笔划段型的由一些特定的笔划段组成，以显示一些特定的字型和符号；点阵型的由许多成行成列的发光元素点组成，由不同行和列上的发光点组成一定的字型、符号和图形。图3.21所示为比划段型显示器和点阵型显示器的示意图。14-17 （a）笔划段型显示器 （b）点阵型显示器图3.21 笔划段型和点阵型显示器的示意图LED发光二极管由砷化镓、磷砷化镓等半导体材料制成。LED显示器件的供电电压仅几伏，可以和TTL集成电路匹配，单个发光二极管的电流从零点几毫安到几个毫安。它是一种主动发光器件，周围光线越暗，发光显得越明亮，有红、绿、黄、橙、蓝等几种颜色。14-17字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。图2.22是七段LED数码管的引线图和显示数字情况。图3.22 七段LED数码管的引线图和显示数字情况示意图74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。数码管常用型号有BS201、BS202等。14-17图2.23是共阴式LED数码管的原理图。图3.23 共阴式LED数码管原理图使用时，公阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动，如图2.24所示。图3.24 共阴式LED数码管驱动电路第 35 页 共 34 页4 总结 本设计详细介绍了抢答器的设计方案，功能，这种抢答器主要是基于74系列集成芯片以及晶体管，成本较低，且基本能够使用于学校的一些活动中。该抢答器的设计采用数字电子、模拟电子等相关技术，把在学校四年所学知识连成一串，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。通过这次毕业设计,将电子技术理论与实际操作有机地联系起来，加深了我对所学理论课程的理解，培养和提高了我的实验能力、实际操作能力、独立分析问题和解决问题的能力，以及创新思维能力和理论联系实际的能力。通过本次设计，我掌握了基本理论、方法和操作技能，并具备一定的科学素养。并且由原先