数字电子电路课程设计三人智力抢答器

1、摘要：简易三人抢答器是一名的裁判员，它的任务是从三名竞赛者中确定出最先的抢答者，并显示出最少反应时间。1. 系统总体方案设计1.1电路组成和工作原理根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答计事系统的组成框图如下图1-1所示。它主要有五部分组成： 图1-1智力竞赛抢答器的核心。当参赛者的任意一位首先按下抢答开关事，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二极管亮（或音响电路发出声音），与此同时，封锁住其他参赛者的输入信号。由三个开关组成。三名参赛者各控制一个，拨动开关使相应控制端的信号为高电平或低电平。供比赛开始前裁判远使用。它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误动作和抢答过程的不公平。比赛开始，当某

2、一参赛者按下抢答器开关时，触发器就接受该信号，在封锁其他开关信号的同时，使该路的发光二极管发出亮光和蜂鸣器发出声响，以引起人们的注意。它应该提供给抢答器、计时系统和声响电路工作的控制脉冲。1.2设计步骤及方法下图1-2为三人简易抢答器系统的原理图。 图1-2 原理图该系统有开关A ，B ，C ，分别有三名参赛者控制。常态时开关接地，比赛时，按下开关，使该端为高电平。为实验方便，抢答开关也可以利用实验箱上电平输出开关。拨动逻辑开关，相当于书车逻辑高低电平。由有原理图看出，抢答器是由二个四管脚的D 型触发器和与非门G1组成。它的工作原理是这样的：若参赛者A 首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，

3、触发器输入端1D 接受该信号是输出Q 为高电平，相应的Q 非为低电平，这个低电平信号同时送到与非门G1的输入端，与非门G1被封锁，使触发器的控制脉冲CP 信号由于与非门G1封锁而被拘之门外，触发器2D 和3D 因为不具备CP 脉冲信号而不接收开关B 和C 控制端送入的信号（其他的两种情况类同）。因此该电路只接收第一个输入的信号，即使此时其他参赛者也按下开关，但由于与非门已被封锁，信号是输入不进去的。为了保证电路的正常工作，比赛开始前，裁判员都是要将各触发出发器的状态统一清零。本系统利用D 触发器的异步复位端实现清零功能。由原理图可以看出，该D 触发器的异步复位端为R ，低电平有效。因此，将各触

4、发器的异步复位端统一用一开关J 控制，正常比赛时，使R 非、S=0 非均处于高电平，用R =0非功能。声响显示电路需要在当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响。显示电路由发光二极管与电阻串联而成，发光二极管正极接电源端，负极接D 触发器的Q 非端。当某参赛者按下开关，该触发器接受该信号使其输出Q 端的状态为高电平，相应的Q 非端为低电平，就有电流流过发光二极管是它发亮。声响电路由两部分组成：一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出Q 非的与非，他说明只要有一Q 非为低电平，就使该

5、与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣器发声。2元器件选型2.1电阻因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。作用：主要职能就是阻碍电流流过，应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。2.2开关指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件，接点的“闭合

6、”表示电子接点导通，允许电流流过；开关的“开路”表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过。2.3 D触发器电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D 触发器也称为维持-阻塞边沿D 触发器。电路结构：该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS 触发器。 图2-1工作原理SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=1且RD=0时, 不论输

7、入端D 为何种状态，都会使Q=0，Q 非=1，即触发器置0；当/SD=0且/RD=1时，Q=1，Q 非=0，触发器置1,SD 和RD 通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D ，Q5=D，Q6=Q5非=D非当CP 由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5非=D，Q4=Q6非=D非。由基本RS 触发器的逻辑功能可知，Q=Q3=D。触发

8、器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的, 即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D 通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用, 故该反馈线称为置0维持线, 置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D 端简易三路抢答器 通往基本 RS 触发器的路径也被封锁。 输出端至 G6 反馈线起到 Q4 使触发器维持在 1 状态的作用，称作置 1 维持线；Q4 输出至 G3 输入的反馈线起到阻止触发器置 0 的作用,称为置 0 阻塞线。因 此，该触发器常称

9、为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在 CP 正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被 封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主 从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高 的工作速度。 特征方程： Qn+1=D 对边沿 D 触发器归纳为以下几点优点： 1.边沿 D 触发器具 有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器；2，边沿 D 触发器属 于脉冲触发方式；, 3.边沿 D 触发器不存在约束条件和一次变化 现象，抗干扰性能好，工作速度快。 CC4013 外部引线排列图 2-2 图 2-2 2.4 二极管 是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管

10、内部 6 简易三路抢答器 有一个 PN 结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向， 具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由 p 型半 导体和 n 型半导体烧结形成的 p-n 结界面。在其界面的两侧形成 空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于 p-n 结 两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电 流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。 2.5 三极管 按材料分有两种：锗管和硅管。 而每一种又有 NPN 和 PNP 两种结构形式，但使用最多的是硅 NPN 和锗 PNP 两种三极管， （其中，N 表示在高纯度硅中加入磷， 是指取代一些硅原子，在

11、电压刺激下产生自由电子导电，而 p 是 加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电） 。两者除了电源极性不 同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍 NPN 硅管的电流放大 原理。 对于 NPN 管，它是由 2 块 N 型半导体中间夹着一块 P 型 半导体所组成，发射区与基区之间形成的 PN 结称为发射结,而集 电区与基区形成的 PN 结称为集电结,三条引线分别称为发射极 e、 基极 b 和集电极 c。 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

12、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 7 简易三路抢答器 续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基

13、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，这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-称为直流放大倍数，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。 结论与展望 本次课程设计将我所学习的理论知识与实践活动想联系，增 强了我的动手、动脑能力，从而达到学有所用，更明确目

14、标，为 以后的学习树立了信心！对自己以前所学知识的巩固和今后的学 习起了举足轻重的作用。本次课程设计，更加深了我对电子技术 的热爱，也激发了我对未知领域进军的斗志。通过本次课程设计 我收获很多，通过发现问题、解决问题，学到了不少东西。认识 到了自己所学的专业知识的实用性，基本掌握了常用电子电路的 一般设计方法，提高了设计能力和实验技能，也掌握了 Protel99 的操作方法，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设 计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些 问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问 题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课 程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后 的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极 参加多种设计活动， 培养自己的综合能力， 从而适应社会的需求。 最后衷心感谢老师的悉心指导和同学的热心帮助! 8 简易三路