八位抢答器论文.doc

成绩 徐州工程学院电子电路设计报告 设 计 名 称 八路数码显示抢答器的设计 学 院 信电工程学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 学 生 姓 名 学 号 目 录1设计要求与内容-12 设计原理与电路图-2 2.1 电路总体设计及原理图-2 2.1.1原理图-3 2.1.2抢答器的工作原理-3 2.2 电路各模块工作原理-4 2.2.1抢答器设计中的数字编码电路-4 2.2.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路-6 2.2.3抢答器设计中的数码显示电路-9 2.2.4抢答器设计中的报警电路-93安装与调试-104总结-124.1参考文献-125附录-1321 设计要求与内容一、设计内容1、设计一个能正常工作的八路数码显示抢答器，其功能要求如下：（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1 S8 表示抢答键。（2）设置一个系统复位按钮S9，该开关由主持人控制。（3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。2、完成产品的安装与调试3、完成设计报告二、设计要求1、熟悉八路数码显示抢答器的基本工作原理2、掌握常用元器件分类命名型号规格参数表达方法、常用元器件识别及测量方法、元器件安装使用方法以及元器件检测与筛选方法3、掌握实现抢答、编码、优先、锁存、数显、复位及讯响电路的基本原理与方法4、掌握555定时、CD4511及数码管的原理及应用方法5、掌握手工焊接的基本技能，以及常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的调试方法。2 设计原理与电路图2.1 电路总体设计及原理图2.1.1原理图通过对电路的一些功能需求分析，我们运用了Protel 99 SE软件对电路图进行了设计，将抢答器工作原理电路图设计出来，如图所示：2.1.2抢答器的工作原理抢答器讯响电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。C1=0。01，R16 没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声。S1-S8组成1-8路抢答键，D1-D12组成数字编码器，任一抢答案键按下，都须通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端，从CD4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的D，C，B，A位（D这高位，A为低位，即D，C，B，A分别代表BCD码8，4，2，1位）。设S8键按下，高电平加到CD4511的6脚，而2，1，7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码这“1000”。又如设S5键按下，此时高电平通过两只二极管D6，D7加到CD4511的2脚与7脚，而6，1脚保持低电平。此时CD4511输入的BCD码是“0101”依此类推，按下第几号抢管键，输入的BCD码就是键的号码并自动地由CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住,同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路可完成这一功能，当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”.则CD4511的输出端a,b,c,d,e,f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这10个数字的分析（见CD4511真值表）可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平而g为低度电平,这时Q1导通,D13,D14的阳极均为低电平,使CD4511的第5脚,即LE端为低电平”0”.这种状态下,CD4511没有锁存而允许BCD码输入,在抢答准备阶段,主持人会按复位键数显为”0”态.正是这种情况下,抢答开始.当S1-S8任一键按下时,CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平,这两种状态必有一个存在或都存在,迫使CD4511的LE端(第5脚)由0到1,反映抢答键信号的BCD码允许输入,并使CD4511的a,b,c,d,e,f,g七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码之显示状态.例如S1按下,数码管应显示1,此时仅e,f为高电平,而d为低电平.此时三极管Q1的基极亦为低电平,集电极为高电平.经D13加至CD4511第5脚,即LE由0-1状态.则在LE为”0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据,被判定优先而锁存.所以数码管显示对应S1送来的信号是1,S1之后的任一按键信号都不显示.为了进行下一题的抢答,主持人顺先按下复位键S9,清除锁存器内的数值,数显先是熄灭一下,再复”0”显状态,此后若S5键第一个按下,这时应立即显”5”.与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平(10脚d为低电平,12脚b为低电平,Q1截止),并通过D14使CD4511的第4脚为高电平.此时LE呈”0”“1”状态,于是电路判定优先锁存.后边接蹲面来的其它按键信号被封住,可见电路”优先锁存”后,任何抢答键均失去作用.2.2 电路各模块工作原理八路智能抢答器主要由数字编码电路、译码优先锁存驱动电路、数码显示电路和讯响电路组成。现简单介绍八路智能抢答器设计中的各单元电路的设计的情况。2.2.1抢答器设计中的数字编码电路参考电路如图3-1所示，S1S8组成18路抢答器，D1D12组成数字编码器。该电路完成的功能是：通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端。从CD4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的 D、C、B、A位（D这高位，A为低位，即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位）。工作过程：当电路上电，主持人按下复位键，选手就可以开始抢答。当选手1按下S1抢答键，高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚（A位），7脚为高电平，1、2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0001”；当选手2按下S2抢答键，高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚（B位），1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0010”；当选手3按下S3抢答键，高电平通过编码二极管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7脚（B、A位），1、7脚为高电平，2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0011”；当选手4按下S4抢答键，高电平通过编码二极管D5加到CD4511集成芯片的2脚（C位），2脚为高电平，1、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0100”；当选手5按下S5抢答键，高电平通过编码二极管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7脚（C、A位），2、7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0101”； 当选手6按下S6抢答键，高电平通过编码二极管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2脚（B、C位），1、2脚为高电平，6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0110”； 当选手7按下S7抢答键，高电平通过编码二极管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7脚（B、C、A位），1、2、7脚为高电平，6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0111”； 当选手8按下S8抢答键，高电平加到CD4511集成芯片的6脚（D位），6脚为高电平，1、2、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“1000”。 输入的BCD码就是键的号码，并自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。图3-1 数字编码系统电路输 入输 出S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 D C B A1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 00 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 11 0 0 0 表3-1数字编码电路功能真值表2.2.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路 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。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图3-2-1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。（1）、CD4511的引脚图图3-2-1 CD4511的引脚图各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示BCD码的A、B、C、D位；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g；上边的引脚表示输入，下边的引脚表示输出；还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。其功能介绍如下：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”。如果该端为低电平，则译码器输出全为高电平，该端拥有最高级别权限，只要它为0，既有上述现象，而与其余所有输入端状态无关。这一功能主要用于测试目的，因此正常使用中应接高电平。LE：5脚是锁定控制端。当BI、LT为1时，若该端为高电平，则加在A、B、C、D端的外部编码信息不能进入译码，所以译码器的输出状态保持不变；当LE=0时，则A、B、C、D端的BCD码一经改变，译码器就立即输出新的译码值。A、B、C、D：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。（2）、译码驱动功能编码器实现了对开关信号的编码，并以BCD码的形式输出，为了将输出的BCD码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。CD4511真值表如图3-2-4所示。CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。图3-2-4 CD4511真值表（3）、锁存优先功能由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住。同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路（见图3-2-5 CD4511真值表）可完成这一功能。当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”，则CD4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这 10个数字的分析（见图4-2-5锁存优先功能电路图）可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平，而g为低度电平，这时Q1导通，D13、D14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚（即LE端）为低电平“0”，这种状态下，CD4511没有锁存而允许BCD码输入。在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当S1-S8任一键按下时，CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使CD4511的第5脚（即LE端）由0到1，反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g 七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码的显示状态。例如S1按下，数码管应显示1，此时仅e、f为高电平，而d为低电平，此时三极管Q1的基极亦为低电平，集电极为高电平，经D13加至CD4511第5脚（即LE端），即LE由0-1状态，则在LE为“0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据被判定优先而锁存，所以数码管显示对应S1送来的信号是1，S1之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答，主持人需要按下复位键S9，清除锁存器内的数值，数显先是熄灭一下，再复显“0”状态，此后若S5键第一个按下，这时应立即显“5”，与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平，10脚d为低电平，12脚b为低电平，Q1截止，并通过D14使CD4511的第4脚为高电平，此时LE呈01状态，于是电路判定优先锁存，后边输入的其它按键信号被封住，可见电路“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。 图3-2-5锁存优先功能电路图2.2.3抢答器设计中的数码显示电路共阴式LED数码管的原理图（图3-3-1数码显示管原理图），使用时，共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动。数码管接0.5寸共阴数码管。图3-3-1数码显示管原理图 显示字符gfedcba0011111110000110210110113100111141100110511011016111 1101 7000011181111111图3-3-3共阴极数码管显示字段码2.2.4抢答器设计中的报警电路参考电路如图3-4-1所示，抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。C1=0.01，R16没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，报警电路都能振荡发出讯响声。图3-4-1抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路如图3-4-1所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。555构成的多谐振荡器的工作原理如图3-4-2所示：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压uc由0按指数律上。当uc2/3 Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0，Q等于0，Q非等于1，输出uO跃到低电平UOL。于此同时。放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，uc随之下降。当uc下降到uc1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0，基本RS触发器被置为1，Q等于1，Q非等于0，输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。同时因Q非等于0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。电路又回到第一暂稳态。因此，电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。图3-4-2 555定时器工作原理图将NE555多谐振荡器与成音多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡，扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止振荡，此时扬声器无音频输出。3安装与调试安装将所有元件按照电路板上标明的位置放好，用电烙铁焊好，注意一些元件的正负方向问题。二极管正负极判断：有黑边的是正极电解电容：引脚长的那一端是正极瓷片电容：没有正负极电阻识别：用万用表测或者看色环识别三极管：将三极管放成右半圆状，引脚从上到下依次对应：发射极、基极、集电极。注意在焊接时不要虚焊。调试电路板各元器件焊接完成之后，就可对电路进行调试了。在调试之前，一定要先认真的做好目视检查，检查在焊接的过程中是否有可见的短路和管脚搭锡等故障；检查是否有元器件型号放置错误，第一脚放置错误，漏装配等问题。