數(shù)電課程設計八路搶答器

1、數(shù)字電子技術課程設計題 目 八路搶答器 專業(yè)班級 11級通信工程三班 院 （系） 信息工程學院 完成時間 2013 年11月28日 目 錄1 課程設計的目的12 課程設計的任務與要求13 設計方案與論證13.1 方案選擇與論證13.2 搶答器的原理方框圖24 設計原理與功能說明34.1 元器件選用原理34.2 總體電路原理65 單元電路設計95.1 NE555接成音多諧振蕩器構成的報警電路95.2 復位鍵與搶答鍵的工作原理96 仿真與電路的連接96.1 電路的仿真96.2 電路的連接107 實訓報告10參考文獻12附件一：元器件清單13附件二：實物圖141 課程設計的目的通過這次課程設計,主要

2、了解簡單數(shù)字電路搶答器的基本工作原理，學會設計與分析優(yōu)先編碼電路、數(shù)碼顯示電路、報警電路，在鞏固數(shù)電知識的基礎上，提高自身邏輯思維能力，拓展實際操作能力，同時學會利用團隊力量解決某些技術難關。從而正確設計出各個單元電路，并簡單掌握電路仿真技術。2 課程設計的任務與要求 設計一個八路搶答器，以CD4511集成芯片為核心原件來實現(xiàn)功能要求，在搶答過程中，可以更好的精確選手搶答的先后。此搶答器主要運用于競賽活動中。此搶答器可以容納八個選手，每個選手都有一個搶答按鈕。在主持人按下復位鍵宣布搶答開始的時候，選手就開始進行搶答，在指定時間內(nèi)選手進行搶答，數(shù)碼顯示屏上會顯示最先搶答選手的編號。如果主持人沒有

3、按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的編號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按復位鍵，新一輪搶答開始。1 3 設計方案與論證3.1 方案選擇與論證 八路搶答器的關鍵部分是數(shù)字優(yōu)先編碼電路、鎖存/譯碼/驅動電路，由數(shù)碼顯示電路和報警電路組控制信號的產(chǎn)生。下面列出兩種方案：方案一：該方案采用了74LS148來實現(xiàn)搶答器的選號，采用了74LS279芯片實現(xiàn)對號碼的鎖存，采用了74LS192實現(xiàn)十進制的減法計數(shù)，555芯片產(chǎn)生秒脈沖信號來共同實現(xiàn)倒計時，采用了74LS121單穩(wěn)態(tài)芯片來實現(xiàn)報警信號的輸出。此方案主要由搶答電路、定時電路、報警電路、時序電路組成，在選用元器件時，主要用到74LS2

4、79、74LS48、74LS148、74LS192、74LS121、74LS00、74LS20、NE555等。所用元器件復雜多樣，購買時麻煩，而且成本較大，增大了此方案實施難度。3方案二：該方案主要由數(shù)字優(yōu)先編碼電路、鎖存/譯碼/驅動電路于一體的CD4511集成電路、數(shù)碼顯示電路和報警電路組成。優(yōu)先編碼電路、CD4511集成電路將參賽隊的輸入信號在數(shù)碼顯示管上輸出，用報警電路對時間進行嚴格控制，這樣就構成了八路智能搶答器電路。八路數(shù)字搶答器電路包括搶答，編碼，優(yōu)先，鎖存，數(shù)顯，復位及搶答鍵。搶答器數(shù)字優(yōu)先編碼電路由D1-D12組成，實現(xiàn)數(shù)字的編碼。CD4511是一塊含BCD-7段鎖存/譯 碼/

5、驅動電路于一體的集成電路。搶答器報警電路由NE555接成音多諧振蕩器構成。搶答器數(shù)碼顯示電路由數(shù)碼管組成，輸入的BCD碼自動地由 CD4511內(nèi)部電路譯碼成十進制數(shù)在數(shù)碼管上顯示。8與方案一相比，方案二有著明顯的優(yōu)點。方案二選用元器件時，用CD4511集成芯片實現(xiàn)了BCD-7段鎖存/譯 碼/驅動電路,從而代替方案一種74LS48、74LS279、74LS192等芯片的功能。無論在購買原件或焊接過程中都省去了很多麻煩。比較之后，本次課程設計我選用的是方案二。3.2 搶答器的原理方框圖該電路包含八個組成部分（如圖3-1所示），分別是復位鍵、控制電路、搶答按鍵、報警電路、編碼電路、優(yōu)先鎖存電路、譯碼

6、電路、顯示電路。在搶答準備階段,主持人會按復位鍵數(shù)顯為”0”態(tài).正是這種情況下,搶答開始.搶答開始時開始計時，顯示器上會出現(xiàn)最先搶答選手的編號。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的編號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按復位鍵，新一輪搶答開始。6圖3-1 電路原理方框圖4 設計原理與功能說明4.1 元器件選用原理1. 集成芯片的選擇選用的芯片應具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流且可直接驅動LED顯示器。CD4511是一種在市場上很普遍的一種集成電路，主要用于驅動共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，引腳

7、排列如圖4-1-2所示。CD4511是一個用于驅動共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，引腳排列如圖4-1-1所示。其中A、B、C、D為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅動共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“

8、6”時，a段消隱；顯示數(shù)“9”時，d段消隱。根據(jù)CD4511工作原理可得其真值表如圖4-1-1所示。24圖4-1-1 CD4511真值表圖4-1-2 CD4511引腳排列圖2. 多諧振蕩器的選擇多諧振蕩器是本電路中重要的元器件之一。555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。本次課程設計我們選擇則的多諧振蕩器是NE555。NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不相同。圖4-2 555工作原理圖 將NE555多諧振

9、蕩器與成音多諧振蕩器連接起來，前一個振蕩器的輸出接到后一個振蕩器的復位端，后一個振蕩器的輸出接到揚聲器上。這樣，只有當前一個振蕩器輸出高電平時，才驅動后一個振蕩器振蕩，揚聲器揚聲器發(fā)聲；而前一個振蕩器輸出低電平時，導致后面振蕩器復位并停止振蕩，此時揚聲器無音頻輸出。53. 數(shù)碼管的選擇數(shù)碼管種類繁多，在此就不逐個介紹。前面所選核心原件CD4511是一個用于驅動共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器。因此我們選擇0.5寸共陰極數(shù)碼管。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應用中應接地。0.5寸共陰極數(shù)碼管各引腳及其工作原理如圖4-3所示：7圖4-3

10、數(shù)碼顯示管的結構及工作原理4.2 總體電路原理搶答器訊響電路由NE555接成音多諧振蕩器，其中R16=R17=10K，揚聲器通過100UF的電容器接在NE555 IC的3腳與地（GND）之間。R16沒有直接和電源相接，而是通過四只1N4148組成二極管或門電路，四只二極管的陽極分別接CD4511的1，2，6，7腳，任何搶答按鍵按下，訊響電路都能振蕩發(fā)出訊響聲。S1-S8組成1-8路搶答鍵，D1-D12組成數(shù)字編碼器，任一搶答案鍵按下，都須通過編碼二極管編成BCD碼，將高電平加到CD4511所對應的輸入端，從CD4511的引腳可以看出，引腳6，2，1，7分別為BCD碼的D，C，B，A位（D為高位

11、，A為低位，即D，C，B，A分別代表BCD碼8，4，2，1位）。設S8鍵按下，高電平加到CD4511的6腳，而2，1，7腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼這“1000”。又如設S5鍵按下，此時高電平通過兩只二極管D6，D7加到CD4511的2腳與7腳，而6，1腳保持低電平。此時CD4511輸入的BCD碼是“0101”依此類推，按下第幾號搶管鍵，輸入的BCD碼就是鍵的號碼并自動地由CD4511內(nèi)部電路譯碼成十進制數(shù)在數(shù)碼管上顯示。由于搶答器都是多路即須滿足多位搶答者搶答要求，這就有一個先后判定的鎖存優(yōu)先電路，確保第一個搶答信號鎖存住，同時數(shù)碼顯示并拒絕后面搶答信號的干擾。CD4511內(nèi)部

12、電路與Q1，R7，R8，D13，D14組成的控制電路可完成這一功能，當搶答鍵都未按下時，因為CD4511的BCD碼輸入端都有接地電阻（10K），所以BCD碼的輸入端為“0000”.則CD4511的輸a，b，c，d，e，f均為高電平，g為低電平。通過對0-9這10個數(shù)字的分析（見CD4511真值表）可以看到，只當數(shù)字為0時，才出現(xiàn)d為高電平而g為低度電平，這時Q1導通，D13，D14的陽極均為低電平，使CD4511的第5腳，即LE端為低電平“0”。這種狀態(tài)下，CD4511沒有鎖存而允許BCD碼輸入，在搶答準備階段，主持人會按復位鍵數(shù)顯為“0”態(tài)。正是這種情況下，搶答開始。當S1-S8任一鍵按下時

13、，CD4511的輸出端d為低電平或輸出端g為高電平，這兩種狀態(tài)必有一個存在或都存在，迫使CD4511的LE端(第5腳)由0到1，反映搶答鍵信號的BCD碼允許輸入，并使CD4511的a，b，c，d，e，f，g七個輸出鎖存保持在LE為0時輸入的BCD碼之顯示狀態(tài)。例如S1按下，數(shù)碼管應顯示1，此時僅e，f為高電平，而d為低電平。此時三極管Q1的基極亦為低電平，集電極為高電平.經(jīng)D13加至CD4511第5腳，即LE由0-1狀態(tài)。則在LE為“0”時輸入給CD4511的第一個BCD碼數(shù)據(jù),被判定優(yōu)先而鎖存。所以數(shù)碼管顯示對應S1送來的信號是1，S1之后的任一按鍵信號都不顯示。為了進行下一題的搶答,主持人

14、順先按下復位鍵S9，清除鎖存器內(nèi)的數(shù)值，數(shù)顯先是熄滅一下，再復“0”顯狀態(tài)，此后若S5鍵第一個按下，這時應立即顯“5”。與此同時CD4511的輸出端14腳g為高電平(10腳d為低電平，12腳b為低電平，Q1截止)，并通過D14使CD4511的第4腳為高電平。此時LE呈“0”“1”狀態(tài)。于是電路判定優(yōu)先鎖存。后邊來的其它按鍵信號被封住,可見電路“優(yōu)先鎖存”后,任何搶答鍵均失去作用。4下面4-4是八路搶答器電路圖，電路中元器件：555為多諧振蕩器，555系列IC種類繁多，本次選用的是NE555。D1D18是型號為4148的二極管。圖4-4 總體電路原理圖5 單元電路設計5.1 NE555接成音多諧

15、振蕩器構成的報警電路圖5-1 NE555接成音多諧振蕩器構成的報警電路搶答器報警電路由NE555接成音多諧振蕩器，其中R16=R17=10K，揚聲器通過100UF的電容器接在NE555 IC的3腳與地（GND）之間。C1=0.01，R16 沒有直接和電源相接，而是通過四只1N4148組成二極管或門電路，四只二極管的陽極分別接CD4511的1，2，6，7腳，任何搶答按鍵按下，報警電路都能振蕩發(fā)出訊響聲。5.2 復位鍵與搶答鍵的工作原理由4-4總體電路原理圖知，S9為復位鍵，S1S8為搶答建。操作時，按下復位鍵搶答開始。如若S1S8在不用時刻向數(shù)碼管發(fā)出按鍵信號，由于D14與CD4511

16、的優(yōu)先鎖存原理，數(shù)碼管上會顯現(xiàn)出最先發(fā)出按鍵信號的相應數(shù)字代碼。對于后來的按鍵信號則會被封存，從而達到搶答的目的。當再次按下復位鍵，下次搶答開始。6 仿真與電路的連接6. 1 電路的連接電路的連接也是課程設計中的一個重要環(huán)節(jié)，連接電路時要判斷好電路的正負極、三極管的集電極、發(fā)射極、基極。同時要注意核心原件NE555、CD4511各管腳的作用。電路之間的連接不要短路。連接后反復檢查，如有錯誤及時改正，確保無誤時再接通電源。6. 2 電路的仿真選用multisim進行仿真時，又用了proteus元件庫中英對照軟件。在同學與老師的幫助下，勉強做好了仿真圖。圖6-1電路仿真圖7 實訓報告這次課程設計我

17、選的課題是運用數(shù)電知識設計一個八路搶答器，共用了兩周時間。以前都是學習的理論知識，從沒付諸過實踐，這次課程設計使我有機會使我學到的理論知識在實踐中驗證。在這次設計中遇到了很多實際性的問題，在實際設計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實際運用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。電路設計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力。它才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設計過程中大部分時間是用在單元電路的理解和設計上面。很多原件在課本上曾經(jīng)遇到過，但具體用法還是要查找更多資料。直到最后引腳的連接，各個引腳的用法都要仔細研究。設計電路的過程

18、，從網(wǎng)上查找資料猶如海里撈針，考慮到自身知識還有一定的欠缺，我選擇了一種比較簡單的方案，方案雖簡單，但原理要掌握清楚，否則很難成功。然后就是選用multisim進行仿真。在仿真時，有些元件不是特別熟悉，我借助于proteus元件庫中英對照軟件，最后實現(xiàn)了仿真。對于仿真這一塊，確實有一定的難度，但我相信，經(jīng)過多次訓練一定能把仿真技術提上去。我很感謝這次課程設計，不僅鞏固了理論知識，更拓展了我的實際操作能力。雖然我沒有做到最好，但我一直努力做到更好。兩周已過去，我也得到了回報。不僅僅是知識的提高，還有我的動手能力都有了很大的提高。我相信這次課程設計也會為未來的工作來一定的幫助。參考文獻1劉建清. 從零開始學數(shù)字電子技術M.北京：國防工業(yè)出版社，2007.1，7-118-04876-3.2楊剛，周群.電子系統(tǒng)設計與實踐M. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.1，7-5053-9593-9.3唐程山.電子技術基礎M. 高等教育出版社, 2004.4，978-7-04-014657-8.4 江曉安，董秀峰. 數(shù)字電子基礎（第3版）M. 陜西：西安電子科技大學出版社，20