多功能数字抢答器设计

电子技术课程设计 题目：多功能数字显示抢答器设计 院（系）名称 信 息 工 程 学 院 专 业 班 级 10 普 本 测控 学 号 学 生 姓 名 刘新雅 指 导 教 师 乐丽琴 2012 年 12 月 12 日 摘 要 在现代社会生活中，智力竞赛作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众 极大兴趣。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，各组一般要 进行抢答，对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器 作为裁判员， 抢答器刚好为这种比赛提供了方便。整个流程是任一组选手按下抢答按 钮，经编码器编码后输出一组二进制代码传送给 D 触发器，同时编码器输出的代码通 过发光二极管所组成的或门输出高电平，使 RS 触发器置 0，D 触发器的脉冲为低电平， 编码器传送到 D 触发器的二进制代码被 D 触发器锁存，经译码器，把锁存的数据通过 数码管显示出来。 关键词：编码器 40147，锁存器 CC4042，译码器 CC4511，数码管 目 录 1 绪论.1 1.1 课题描述.1 1.2 设计目的.1 1.3 设计任务及要求.1 2 基本工作原理及框图.1 3 整体电路设计.2 3.1 工作原理.2 3.2 8 路智力竞赛抢答器的原理图.2 4 相关芯片及硬件电路设计.3 4.1 数码显示译码器.3 4.2 CC4511 芯片功能特性及说明. .3 4.3 CC4042 芯片的功能特性.及功能说明. .6 4.4 CC40147 芯片的功能特性. .7 总 结.9 致 谢.10 参考文献.11 1 绪论 1.1 课题描述 现在，工厂、学校和电视台等单位经常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是 必要设备。在我校举行的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题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。就这个问题，本课题研究的内容就是以 数字集成芯片 CC4511、CC4042 和 CC40147 为主要控制元件，设计出一种 8 路智 力竞赛抢答硬件。 1.2 设计目的 1）掌握 8 人抢答器电路的设计、组装与调试方法。 2）熟悉数字集成电路的设计和使用方法。 1.3 设计任务及要求 1）能实现 8 路的智能抢答器显示。 2）鉴别出 8 个输出信号中的第一个到来者，而对随后到来的其他输入信 号不再输出和做出响应，数码管 LED 可显示抢答到的顺序。 2 基本工作原理及框图 本课程设计的 8 路智力竞赛抢答器由抢答器系统、优先编码器系统、锁存 器系统、译码器系统、译码显示系统，控制电路构成。其基本工作原理：接通 电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，然后主持人 按下复位开关，选手开始抢答，抢答器完成，主持人看译码显示器数字确定抢 答到的选手。基本工作原理框图如图 1 所示。 图 1 基本工作原理框图 3 整体电路设计 优先编码器 CC40147 抢答器锁存器 CC4042 译码器 CC4511 译码显示 控制电路主持人控制 开关 3.1 工作原理 本抢答器电路主要用 10 线-4 线优先编码器 CC40147，锁存器 CC4042（四 D 锁存器） ，4 线-7 线译码器 CC4511，或非门 CC4001，数码管 BS202，电阻 20K2 只，10K8 只，电容 100PF1 只。电路工作时 CC4042 的极性控制端为高电平， CP 端电平有 CC4001 所构成的 RS 触发器输出端决定。 3.2 8 路智力竞赛抢答器的原理图 当主持人按一下 SB0 时，RS 触发器置 1，D 触发器处于接受状态，若此时 任一选手按下按钮，比如 SB3 按下编码器输出为 0101，D 触发器的输出也是 0101，同时编码器的输出 0101 通过 4 个发光二极管 VD1VD2VD3VD4 所组成的或 门输出高电平，使 RS 触发器置 0，D 触发器的 CP 端为 0，D 触发器的状态被锁 存为 0101，经 CC4511 译码器后，LED 数码管显示数字“5” ，此时若其他选手按 下按钮，由于 D 触发器处于锁存状态，不再接收信号，数码管所显示的数字不 再变化。进行下一轮抢答时，主持人需要再按下按钮 SB0,D 触发器的 CP 端重新 为 1，D 触发器又处于接受状态，可以再次进行抢答。其工作原理图如图 2 所示。 /LT A 2 a LE b A 0A 1A 3 /B I cdefg C C 4 511 Q 0Q 1Q 2Q 3 D 0D 1D 2D 3 C PPO LC C 4 042 +V D D Y 0Y 1Y 2Y 3 I9 I1I2I3I4I5I6I7I8 C C 4 014 7 +V D D I0 +V D D = 1= 1 20 K S B 010 00 pF +V D D 20 K C C 40 01 V D 1V D 4 10 K * 8 S B 1 S B 8 +V D D 图 2 8 路智力竞赛抢答器的原理图 4 相关芯片及硬件电路设计 4.1 数码显示译码器 LED 数码管是目前最常用的数字显示器，一个 LED 数码管可用来显示一位 09 十进制和一个小数点，小型数码管（0.5 寸和 0.36 寸）每段二极管的正向 压降，随显示光（通常为红，绿，黄，橙色）的颜色不同略有差别，通常约为 2 2.5，每个发光二极管的点亮电流在 510mV。LED 数码管要显示 BCD 码所 表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能， 还要有相当的驱动功能。 七段发光二极管（LED）数码管引脚如图 3 所示。 a bcdefg 图 3 七段发光二极管（LED）数码管引脚 4.2 CC4511 芯片的功能特性及说明 CC4511 是 BCD-7 段锁存译码驱动器，在同一单片解构上由 COS/MOS 逻辑器 件和 n-p-n 双极型晶体管器件构成。这些器件的组合，使 CC4511 具有低静态耗 散其它显示仪器,/LT、/BI、LE 输入端可分别检测显示，亮度调制、存贮或选 通-BCD 码等功能，当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的 符号。 CC4511 提供了 16 引脚多层陶瓷双列直插（D） 、熔封陶瓷双列直插（J） 、 塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种形式。其外引线引脚如图 4 所示。 /LT A2 a LE b A0A1A3 /BI c d efg CC4511 图 4 CC4511 4 线-7 线外引线引脚图 CC4511 状态表及功能表说明： (1)灯测试功能：/LT 可检查七段显示器各字段是否能正常发光。当/LT=0 时，不论 Q0-Q3 状态如何，七段全部显示，以检查各字段的好坏。 (2)消隐功能：当/BI=0 时，输出 a-b 都为低电平，各字段熄灯。 (3)数码显示：当/BI=1 /LE=1 LE=0，译码器工作，当 Q3Q2Q1Q0 端输入 8421BCD 码。 (4)锁存：在 LE 从“0”转换到“1”时，输出显示由输入的 BCD 码决定。 CD4511 状态表说明如下表 1 所示。 如表 1 CC4511 状态表 显示输入输出 LE/BI/LEA3A2A1A0abcdefg 001100001111111 101100010110000 201100101101101 301100111111011 401101000110011 501101011011011 601101100011111 701101111110000 801100001111111 901100011110011 101O 消隐 011 1111 0000000 消隐 X01XXXX0000000 锁存 111XXXX 锁存 灯测试 XX0XXXX1111111 4.3 CC4042 芯片的功能特性及说明 CC4042 包含四个锁存器电路，由公共时钟选通，每个电路有互补缓冲输出， n 和 p 沟道输出器件的阻抗相同，所以输出电特性一致。输入端的数据在由 M 选择的 CP 电平期间传送至 Q 和/Q 输出端，当 M=0, 定义的 M 和 CP 电平同时存 在时，输出跟随数据输入。当 CP 电平转换时（M=0,为正；M=1,为负） ，输出端 数据的 CP 转换期间保持在输出端，直至 CP 电平发生转换。 CC4042 提供了 16 引脚多层陶瓷双列直插（D） 、熔封陶瓷双列直插（J） 、 塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。其外部引脚如下图 5 所示。 Q0Q1Q2Q3 D0D1D2D3 C PPO LC C 4042 +V DD 图 5 CC4042 四 D 锁存器外引线引脚图 CC4042 锁存器功能说明： (1)D：同步信号输出端; (2)CP：触发时钟端，由 POL 状态决定触发边沿； (3)POL:极性选择控制端，POL=0 时，触发时钟 CP 上升沿触发；POL=1 时， 触发时钟 CP 下降沿触发。 其功能状态表如下表 2 所示。 表 2 CC4042 状态表 POLCPDiQ/Q 00000 00110 0X 锁存 11001 11110 1X 锁存 4.4 CC40147 芯片的功能特性 CC40147 编码器具有对输入信号进行优先编码的功能，可保证仅有最高级 数据线编码。10 条数据输入线（09）编码为四条线（AD） （BCD 输出） 。最 高优先线为第九线。当所有输入线为逻辑 0 时，所有输出线为逻辑 1，所有输 入和输出都 经过缓冲，且每个输出可驱动一个 TTL 低功耗肖特基负载。 74LS147 优先编码器外部引脚如下图 6 所示，其状态表如下表 3 所示。 Y0Y1Y2Y3 I9I0 I1I2I3I4I5I6I7I8 CC40147 +V DD 图 6 74LS147 优先译码器外引线引脚图 表 3 CC40147 的状态表 输入输出 I0I1I2I3I4I5I6I7I8I9Y3Y2Y1Y0 00000000001111 10000000000000 X1000000000001 XX100000000010 XXX10000000011 XXXX1000000100 XXXXX100000101 XXXXXX10000110 XXXXXXX1000111 XXXXXXXX101000 XXXXXXXXX11001 总 结 通过十余天的时间，是我对数字电子电路有了更深的了解，在设计竞 赛抢答器的过程中，通过翻阅资料，上网搜索，我对各电路器件（如：CC4511 译码器,或非门和 LED 显像管等）及原理有了更深刻的认识，既增强了我的理解 能力，也使我能更好的运用所学的知识。开始时我还不太明白电路是如何连接 的，并且对其原理也不是很了解，但通过对所学知识更深的了解之后，最终使 我克服难关，并成功的做出设计。这个 8 路智力竞赛抢答器从整体来说，设计 的结构比较简单，做成产品也很容易，单个成品价格也很便宜，但整个设计原 理图用的芯片比较多，如果大量生产的话，是不经济的。希望自己多加努力， 有机会把它设计的更经济点。 致 谢 经过十余天的奋战，终于完成了一个简单的设计，这几天我过的很充实， 看着自己的劳动成果，心里有种说不出的感觉，毕竟自己的努力还是有所回报， 我为自己的努力感到骄傲，当然我也认识到自己的不足，看到了自己在运用知 识方面欠缺。 我想说;为了完成课程设计老师和我们有很辛苦，但能苦中作乐。我们一边 忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们每个人都很珍贵.课程设计做 完了，总算可以轻松点了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的收获更加 可喜。从这次课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学会了许多其它知识， 我知道了每一个课程之间是融会贯通的。再次感谢老师对我们的辅导，老师您 辛苦了！ 参考文献 1 宋家友 乐丽琴.数字电子技术M.哈尔滨工程大学出