八路电子抢答器论文.doc

八路电子抢答器的设计1. 设计目的通过课题设计一个八路电子抢答器，运用所学数字电子电路的知识进行理论设计、安装调试、后期制作、分析总结等环节，以提高在电子技术方面的实践技能和科学作风，学习掌握工程设计的方法和组织实践的基本技能。2. 设计指标及要求2.1 设计一个可供8名选手参加比赛的8路数字显示抢答器。他们的编号分别为“1”“2”“3”“4”各用一个抢答按钮，编号与参赛者的号码一一对应，此外还有一个按钮给主持人用来清零。2.2 抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出来。在主持人将系统清零后，若有参赛者按动按钮，数码管立即显示出最先动作的选手的编号，（也可同时用蜂鸣器发出间歇声响，并保持到主持人清零以后。2.3 抢答器对抢答选手动作的先后有很强的分辨能力，即使他们的动作仅相差几毫秒，也能分辨出抢答者的先后来。即不显示后动作的选手编号。2.4 主持人有控制开关，可以手动清零复位3. 总体框图设计 图1.1设计原理方框图设计原理框图如图1.1所示，锁存器输入信号均为同一电平时，控制电路输入控制信号使锁存器打开，这时锁存器输入端的电平送往相应的输出端，当有一输入端电平发生跳变时，其对应输出端电平也随着变，此变化的输出电平送入控制电路，控制电路产生使锁存器锁存的控制信号，锁存一旦进入锁存工作状态，无论哪个输入端电平发生变化，各输出端电平均保持不变，与其他输出端电平不同的呢个输出端的电平经编码器后送入数码显示译码器，控制驱动器驱动七段数码管进行数码显示。4. 功能模块设计及系统工作分析图1.2八路电子抢答器电路原理图4.1功能模块设计八路电子抢答器的电路原理图如图1.2，该抢答器电路由复位电路、抢答触发控制电路、 LED 数码显示电路和音频电路等组成。复位电路由复位按钮J0、限流电阻R9、两输入与非门74LS00、八输入与非门74LS30以及D锁存器74LS373的两个使能控制端锁存允许端LE端（高电平有效）和三态允许控制端OE端（低电平有效）等组成。抢答触发控制电路由抢答按钮J1-J8、限流电阻R1-R8以及74LS373的八个输入端等组成。LED 数码显示电路由10线-4线的编码器74LS147、七段译码器CD4511、七段共阴数码管等组成。音频电路由电阻R10、电容器C1、扬声器 BL 、二极管VD和音乐集成电路IC1（选用KD型“叮咚”音乐集成电路作为音响提示电路）以及两个非门电路74LS04等组成。4.2 系统工作原理分析八路电子抢答器的电路原理图如图1.2，该电路采用6个数字集成电路，其中74LS373为D锁存器，74LS30为8输入的与非门，74LS00为两输入与非门，74LS147为10线-4线的编码器、CD4511为七段译码器、以及七段共阴数码管等组成。为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74LS373的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74LS373的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示，这样正好满足了电路的要求。比赛时，J1，J2J8由参赛选手控制，J0由主持人控制。该键在主持人喊“开始”前按下，开始后当任意一个选手抢先按下按钮时，74LS30的输出将跳变为低电平，这个低电平使74LS373处于锁存状态，那么其他选手再按抢答按钮就无效了。此时它的输出Q0,Q1.Q7被锁存，随即编码器进行编码。74LS147为10线到4线的编码器，输入端为低电平有效，输出为反码。编码完毕经CD4511译码后通过七段共阴数码管将相应抢答选手编号显示出来。同时74LS30的这个低电平使二极管VD导通，电路通过电容C1触发音乐集成电路 IC1 , 使其工作，驱动扬声器 BL 发出 “叮、咚 ”声。一轮抢答结束，由主持人按动清除复位按钮J0，对D锁存器进行解锁。又进行下一轮抢答。当允许数据输入时，74LS373的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。同时BL不发音。4.3 主要元器件功能介绍4.3.1 8 D锁存器(74LS373) 8 D 锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性) 373为三态输出的8 D透明锁存器373 的输出端O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据D 而变。当LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端 O0O7 输出端 外部管腿图如图1.3： 图1.3 74LS373引脚图逻辑图如图1.4：图1.4 74LS373逻辑图真值表如表1.1所示：表1.1 74LS373的真值表 极限值: 电源电压 . 7V 输入电压 . 7V 输出高阻态时高电平电压 5.5V 工作环境温度. 070 存储温度 . -651504.3.2 编码器（74LS147）优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147的引脚图如图3.4所示，其中第9脚NC为空。74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。 图1.5 74LS147引脚图4.3.3 译码器（CD4511）CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。引脚排列如图 3.5 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。 图1.6 CD4511引脚图BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。4.3.4控制电路(74LS00和74LS30)74LS30 74LS00的引脚图真值表下（图1.7和图1.8）：图1.7 74LS30的引脚图及真值表图1.8 74LS00的引脚图及真值表4.3.5共阴七段数码管LED数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。 将条状发光二极管按照共阴极(负极)或共阳极(正极)的方法连接，组成“8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了LED数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从09的系列数字。同荧光数码管(VFD)、辉光数码管(NRT)相比，它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS电路兼容等的数显器件。5.元器件清单的选择表1.1八路电子抢答器元器件清单表种类数目100K电阻93K电阻174ls373174ls00174ls30174ls147174LS042Cd45111共阴7段数码管1KD型“叮咚”音乐集成电路1电容器C1扬声器BL11N4007 硅整流二极管15伏直流电压源1触发开关9其中：R1-R10均选用1/4w碳膜电阻器 电容C选用耐压值为16V的电解电容VD为1N4007 硅整流二极管J0-J9为动合型开关74LS373为8D锁存器 74LS30为8输入与非门74LS00为2输入与非门 74LS147为10-4线的编码器 选用两个非门74LS04 CD4511为译码器为七段译码器IC1为选用KD型“叮咚”音乐集成电路作为音响提示电路6.设计步骤及各功能电路调试6.1 测试各元器件及各逻辑门的逻辑功能。6.2 按图1.2设计好的原理图，在标准板或面包板上搭接组装电路。6.3 调试锁存器电路。如果不能锁存，或是锁存不了1和7，则问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。锁存电路的设计原理是：启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。如何设计呢，我们对09十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。由此可以区分0与其它数字。我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1（锁存与否）。当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时， LE=1，芯片锁存。这样只要显示器上显示为0，CD4511译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示18的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。例如J1键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按J2J8，显示器上仍显示1，J1按下之后的任一按键信号均不显示。直到主持人按清零键J0，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。若所有的数字都不能锁存，说明不管LED显示什么数字，CD4511管脚的5脚输入为电平，可能是5脚与地短接或者是锁存电路的两个二极管VD13和VD14断开等故障；若只有1和7两个数字不显示则可以分析一下其原因：显示1和7数字时g段不亮，CD4511的g输出端为低电平，VD14截止，而b段亮d段不亮本应该三极管VT截止而使VT13导通，产生高电平（锁存信号）给LE，现在不能锁存说明VD13截止，推断是三极管击穿损坏。6.4 调试译码显示电路。显示器上不显示数字，我们从后级往前级进行测试，首先用1.52V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。若完好则继续检测CD4511芯片是否完好。在CD4511的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码，看是否能显示数字。无显示的故障一般问题出在这两个环节。若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出ag与LED管的ag笔段是否连接有错。其方法是CD4511的输出ag分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。6.5 调试控制电路。在测试的过程中一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。比如，针对LED管，高电平只能用1.52V,而在CD4511的输入端高电平要用到8V以上的电源电压。选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。6.6 进行整体电路调试，观察抢答器工作情况，并记录结果。7.心得体会通过这个课题的设计，我初步的了解了工程设计的基本方法，并学会了运用所学数电理论知识去分析和解决实际问题。同时也使我在独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高方面都受益非浅。特别是能将所学用于实际中，感觉很有趣！经过老师指导才发现自己只考虑了理论的可行性，没有考虑实际中的干扰问题，其中最大的一个问题是组合逻辑电路和时序逻辑电路在实际应用中是不能线与的，否则会产生误信号，干扰电路运行。说实话，第一遍看题目时脑海里只有一堆问号，再仔细看了几遍后找到了些许入手点。主要是要能实现：多人抢答、锁存、清零、显示输入数据的功能。回想所学知识，抢答：也就是将多个数据源输入的数据有选择地送到公共输出端，那么应该可以选用具有特定功能的集成时序逻辑电路来实现。锁存功能可以用集成时序逻辑电路的使能控制端来控制。清零可以考虑反馈清零法。至于显示通过编码译码后用LED数码管显示就可以。有了想法就有了动力，经过我激情澎湃的查完资料后，发现了许多自己对器件的认识使用上的错误，在此，发现自己对于数字电子，甚至是电子学这一科又前进了一步。在吸取前辈宝贵经验后我初步整理出两个方案。一个主要采用集成组合逻辑电路，方案二主要采用的是集成时序逻辑电路。具体方案如下：方案一：该方案核心元件是一个8D锁存器74LS373来实现抢答与锁存功能。它的8个输入分别由限流电阻接到抢答按钮处由选手控制。主持人控制清零复位按钮。74LS373的8个输入接到8输入与非门与非后的结果再与电阻R9与非后接到74LS373的所存允许控制端LE端。如此一来，在主持人按下清零按钮后，只要有一个选手按下抢答按钮，则经过一系列与非LE就跳变高电平，使得74LS373处于锁存状态。那么其他选手再按抢答按钮就无效了。同时74LS373的 8个输出接到编码器的输入端，编码后再由译码器译码后由七段共阴数码管显示出来。为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74LS373的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74LS373的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。音频电路可以用二极管的开关特性来控制。方案二：该电路采用的主要是一个8D触发器集成电路74LS273，接通电源后，复位电路产生复位电压并加至 IC1 的CR端，使 IC1 清零复位。 在未按动抢答按钮 S1-S8 时 ,IC1 的八个输入端 (D1 D8 )和八个输出端 (Q1 Q8) 均为低电平，晶闸管 VT 处于截止状态，LED 数码显示器无显示，扬声器 BL 无声音。当按动抢答按钮 S1-S8 中某只开关时，与该开关相接的隔离二极管将导通，使 VT 导通，其阴极变为高电平；一方面通过C2触发音乐集成电路 IC3 , 使其工作，驱动扬声器 BL 发出 “叮、咚 ”声；另一方面使 IC1 的 CK 端由低电平变为高电平，使 IC1 内相应的触发器动作，相应的输出端输出高电平并被锁存。此高电平经IC2译码处理后，驱动 LED 数码显示器显示相应的数字( 若按动按钮S8，则 IC1 的D8和Q8端均变为高电平，LED 数码显示器显示数字“8”) 。一旦电路被触发工作后，再按其他各抢答开关时，均元法使 IC1 的输出数据再发生改变，LED 数码显示器中显示的数字也不会变化，扬声器 BL 也不会发声，从而实现了优先抢答。只有在主持人按动一下复位按钮 SO 后，电路将自动复位，LED 数码显示器上的数字