运放电路制作抢答器

电子技术基础课程设计任务书2013－2014学年第一学期第19周－20周题目运放电路制作抢答器内容及要求1、具有抢答器等待显示功能；2、具有抢答成功显示功能，且不受外界干扰；3、具有复位功能。进度安排1、方案论证2天2、分析、设计、3天3、焊接、调试、实现3天4、检查、整理、写设计报告、小结2天学生姓名：杨接柯俊指导时间指导地点:F楼409室任务下达2014年1月6日任务完成2014年1月17日考核方式1.评阅□2.答辩□3.实际操作□4.其它□指导教师系（部）主任目录TOC\o"1-3"\h\u12704摘要 323416一、实验目的 426374二、设计要求与内容 49613三、方案选择及论证 543703.1总体方案设计 5146363.1.1设计思路 584613.2设计方案 5103113.2.1方案一 5306433.2.2方案二 7135863.2.3方案论证及选择 7105583.2.4元件清单 831310四、设计步骤及方法 910007五、绘制电路图、印刷板（PCB）图及仿真 121729六、安装调试 149186七、收获和体会 173475八、参考文献 18摘要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。本设计以运放电路抢答器为基本概念，从实际应用出发,利用电子设计自动化(EDA)技术,采用LM324运算放大器制成的抢答器具有线路简单、成本低廉、制作容易的特点。关键词:电子设计自动化；运算放大电路；抢答器；仿真一、实验目的通过运放抢答器的设计实验，要求学生回顾所学模拟电路电子技术的基础理论和基础实验，掌握运放电路和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握LM324的应用方法，达到电子技术实验课程大纲所要求掌握的基本内容。二、设计要求与内容在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过灯光或音响等多种手段指示出第一抢答者。（1）设计制作一个可容纳多组参赛的运放抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。（2）电路正常工作时有等待显示（3）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人系统发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时指示灯(发光二极管)亮。此时，电路应具备自锁存功能，使别组的抢答开关不起作用。（4）主持人处有复位按钮三、方案选择及论证3.1总体方案设计3.1.1设计思路（1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。（2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。（3）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人系统发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时指示灯(发光二极管)亮。此时，电路应具备自锁存功能，使别组的抢答开关不起作用。（4）主持人处有复位按钮3.2设计方案3.2.1方案一２２０Ｖ交流电经变压器降压，Ｄ１～Ｄ４整流，Ｃ１滤波，得＋１２Ｖ直流电压，当按下ＳＷ时（同时调ＲＰ在＋５Ｖ左右），ＬＥＤ４灯亮，指示等待状态，抢答开始后，假设Ｋ１键最先按下，直流继电器Ｊ１动作→Ｊ２、Ｊ３被封锁（Ｊ１－２、Ｊ１－３由常闭变为常开）、Ｊ１－４常开闭合自保，Ｊ１－１常开闭合ＬＭ３２４①脚高电平经Ｊ１－１送ＳＣＲ１可控硅控制极触发ＳＣＲ１导通，ＬＥＤ１灯亮，指示Ｋ１抢答成功（注：ＬＭ３２４①脚输出低电平必须调到能维持ＳＣＲ１可控硅导通状态），ＬＥＤ４灯熄灭。其余Ｋ２、Ｋ３任何键按下Ｊ２、Ｊ３均不动作。同理，若Ｋ２键最先按下，只有Ｊ２动作，Ｊ１、Ｊ２均不动作。该电路在任何时候只有唯一性。原理图如下：图3-2-1方案一原理图根据原文及电路图可知，开关ＳＷ闭合，ＬＭ３２４②脚（虚地），低于③脚电位，ＬＭ３２４正向输入，经ＬＭ３２４比较器后，①脚输出高电平。当按下Ｋ１后，ＬＭ３２４的①脚高电平触发ＳＣＲ１可控硅导通，＋１１Ｖ经ＬＥＤ１（灯亮、降压约２Ｖ）、ＬＭ３２４②脚电位由低变高（约８Ｖ），并高于ＬＭ３２４③脚电位，经ＬＭ３２４比较后①脚输出低电平（ＬＥＤ４熄灭）。此时有两种可能：其一，若抢答人员按住Ｋ１不放，ＬＭ３２４①脚的低电平仍使ＳＣＲ１可控硅导通；如果该电压不能维持ＳＣＲ１导通状态，将使ＳＣＲ１变为阻断状态，ＬＥＤ１灯熄灭，ＬＭ３２４的②脚电位由高变低且低于ＬＭ３２４③脚，ＬＭ３２４①脚将输出高电平，又触发ＳＣＲ可控硅导通，ＬＥＤ１灯又亮，进入循环闪亮，同时，若按下Ｋ２、Ｋ３，此时ＳＣＲ２、ＳＣＲ３将与ＳＣＲ１可控硅导通阻断状态相同；如果该电压能维持ＳＣＲ１可控硅导通状态，按下Ｋ２、Ｋ３也同样能维持ＳＣＲ２、ＳＣＲ３可控硅处于导通状态。结果，ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ４闪亮。其二，若抢答人员按下Ｋ１就放开按键（Ｋ１被断开），ＳＣＲ１可控硅控制极失去控制电压，ＳＣＲ１将由导通状态变为阻断状态，这时先后按下Ｋ２、Ｋ３，其结果与Ｋ１状态相同，即ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ４闪亮混乱。因此，原文及电路图无法正常工作，需作一些改进。改进电路只需在电路上增加三只直流继电器即可（Ｄ２－１２Ｖ）。3.2.2方案二该抢答器电路简洁，抢答判断采用亮灯提示的方式。本电路采用了一块LM324运算放大器，由于只需一路运放。。该抢答器电路若增加可控硅及对应LED、按钮开关，可无限级扩充抢答路数，应用起来比较的方便。电路中，用于抢答的按钮开关为常开型，用于复位的按钮开关SWR为常闭型。原理图如下：图3-2-1原理图电路安装好后，调节可调电阻PR使LED4点亮，抢答电路便可正常工作。例如按下抢答键SW1，运放1脚的高电平驱动可控硅导通，LED1点亮提示第一组抢答成功，。同时运放2脚电平上升高于3脚，运放1脚变为低电平，此时按下其它任何抢答键均无效。抢答结束，按一下复位按钮SWR，电路重新上电回到初始状态，可以开始新一轮的抢答3.2.3方案论证及选择方案一中，除LM324作为主要器件之外，自锁互锁功能由继电器实现。方案二中，除LM324作为主要器件之外，使用单项可控硅实现自锁功能，使用元器件较少，同时方便操作与制作，所以确定方案二为使用方案。3.2.4元件清单3-2-4元件清单设计步骤及方法方案中需要使用LM234，以及单向可控硅。因此，我们需要对这两个元件进行基本的了解。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4-1。参数描述：运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHz针脚数:14工作温度范围:0°Cto+70°C封装类型:SOIC-3dB带宽增益乘积:1.2MHz变化斜率:0.5V/μs器件标号:324器件标记:LM324AD增益带宽:1.2MHz工作温度最低:0°C工作温度最高:70°C放大器类型:低功耗温度范围:商用电源电压最大:32V电源电压最小:3V芯片标号:324表面安装器件:表面安装输入偏移电压最大:7mV运放特点:高增益频率补偿运算逻辑功能号:324额定电源电压,+:15VLM324的特点：1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能管脚图如下：图4-1LM324管脚图单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。单向可控硅的工作原理：可控硅导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。以上两个条件图4-2单向可控硅的工作原理图必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。可控硅参数符号参数符号说明:IT(AV)--通态平均电流VRRM--反向重复峰值电压IDRM--断态重复峰值电流ITSM--通态一个周波不重复浪涌电流VTM--通态峰值电压IGT--门极触发电流VGT--门极触发电压IH--维持电流dv/dt--断态电压临界上升率di/dt--通态电流临界上升率Rthjc--结壳热阻VISO--模块绝缘电压Tjm--额定结温VDRM--通态重复峰值电压IRRM--反向重复峰值电流IF(AV)--正向平均电流五、绘制电路图、印刷板（PCB）图及仿真确定方案后，使用protel99se制作电路图并生成PCB板，进而验证电路的可实施性。原理图如下：图5-1电路原理图PCB板图如下图5-2PCB板图运用仿真软件进行仿真，仿真图如下：图5-3仿真图通过仿真验证，无错误，可以进行实物安装。安装调试实物正面实物反面接通电源，常闭开关接通指示灯亮，显示待命状态。若有选手1号按下所在开关（抢答），。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。若有选手2号按下所在开关（抢答），。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。若有选手3号按下所在开关（抢答），。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。若需主持人重