抢答器控制电路Word文档格式.docx
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前言4
二、电路的组成及工作原理5
三、单元设计7
（一）、抢答器7
（二）、抢答控制电路11
（三）、清零装置12
（四）、计时电路13
（五）、显示电路14
（六）、声响电路18
（七）、声响控制电路19
（八）、振荡电路20
四、安装和调试22
（一）、抢答器显示的功能测试22
（二）、清零功能测试23
（三）、计时功能测试23
（四）、声响电路的功能测试23
五、问题讨论24
六、参考文献25
七、设计总结26
前言
智力竞赛抢答计时器是人们常用于各种需抢答比赛时用的电路器件，它是一名公证的裁判员。
抢答计时器的出现给人们带来极大的方便，它能准确无误地从若干名参赛者中确定出最先的抢答者，并具有计时、显示、声响等功效。
它的设计要求是：
（a）一个三个人参加的抢答计时器；
（b）当有一个参赛者首先按下抢答开关时，相应显示灯亮并伴有声响，此时，抢答器不再接收其它输入信号；
（c）电路具有回答问题时间控制功能，要求回答问题的时间少于10秒（显示为0～9），时间显示采用倒计时方式，当达到限定时间后，能够发出声响以示警告。
智力竞赛抢答计时器电路选用中规模cmos集成电路cc4000系列，工作电压为5～10V，能和TTL电路公用电源，也便于连接，该系列的输入输出端加有反向器作缓冲级，具有对称的驱动能力和输出波形，输出高、低电平时的抗干扰能力相同，电路的外部引线排列图和对应序号同国外产品一致。
它是当前发展最快、应用最普遍的cmos器件。
因此在本次设计中主要选用中规模cmos集成电路cc4000系列。
智力竞赛抢答计时器系统主要由六部分组成：
抢答器、抢答控制电路、清零装置、显示、声响电路和计时电路。
其中，倒计时功能的集成块选用一片CC40192组成十进制减法计数器电路，规定时间为10秒。
中规模集成D触发器选用CC4013与非门G1选用CC4012。
显示器的集成块选用CC4511。
除了以上所需的元件外，还有石英晶体振荡器，D型解发器，发光二极管、电阻、电容等。
下面，就从智力竞赛抢答器的设计到组装，再经调试这一系列过程分别进行系统阐述。
二、电路的组成及工作原理
根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答器系统的组成框图如图一所示，它主要由六部分构成：
（图一）
在三人抢答逻辑电路的要求是这样的：
三名参赛者每人控制一个按钮，比赛开始后，先按下按钮者对应的指示灯亮，同时蜂鸣器开始发出叫声，以后其他两人再按下则不起作用，并要求参赛者在规定的时间里回答完问题。
（图二）
图二电路就是按照上述要求设计的总电路图。
图中的A、B、C三个按钮分别由三名参赛者控制，按钮J由竞赛主持人控制，DA、DB、DC是三个发光二极管。
抢答开始前，竞赛主持人先按以下按钮J，将触发器FA FB FC全部置成零状态，时钟信号CP（100KHZ），通过门G，同时加到三个触发器上。
抢答开始后，假定按钮A首先被按下时，则FA的D端输入高电平在CP作用FA迅速被置1，FA的Q非端变为低电平，这个低电平一方面将门G1封锁，以保证即使在按下按钮B或C时，FB、FC也不会置1，另一方面将使对应的发光二极管DA点亮，同时使门G2输出高电平，打开门G3让1KHZ的信号通过门G3送给蜂鸣器，发出叫声，这种状态会一直维持下去，直到竞赛主持人再次按下按钮J为止。
此外，计时电路在9秒向0秒倒计时再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲往反相器G4得到列一个高电平，这个高电平信号也能使蜂鸣器发声以示警告。
三、单元设计
（一）、抢答器
抢答器是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器开关时，抢答器即刻收到该信号，指使相应发光二极管（或音响电路发出声音），与此同时，封锁住其它参赛者的输入信号，该抢答器由三个D型触发器和非门G1组成，三个D型触发器可由二号CC4013集成块得到。
其外部引线图见（图三），功能表见表一，与非门由CC4012集成块得到，其外部引线见（图四）。
（图三）（图四）
表一
任时钟信号操作下，D触发器只有置1和置0两种功能，从表一可得出其特性方程为QN+1=DQN+D
n=D，其状态转换图如（图五所示）。
（图五）
抢答器的电路图如下所示：
（图六）
它的工作原理是这样的，若参赛者A首先按下开关，使该端输入高电平信号，触发器FA的输入端D接收到该信号使输出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的G1的输入端，与非门个被封锁，使触发器的控制脉冲CP信号由于与非门G1的封锁而被截断，触发器FB、FC由于不具备CP脉冲而被迫停止工作，因此该电路只接受第一个信号，其他情况原理相同。
CMOS与非门（CC4012）的工作原理及工作特点。
（图七）是CMOS与非门电路及逻辑符号，其中T1、T2是NMOS管串联按，T3、T4是PMOS管，并联连接；
A、B为输入端、Y为输出端，VDD为正电源。
（图七）
下面用正逻辑值分析其工作原理，当A=B=0时，T1、T2截止，T3、T4导通，故Y=1，当A=1、B=0或A=0、B=1时，T1、T2中必有一个截止，T3和T4中必有一个导通，故Y=1；
；
当A=B=1时，T1、T2导通，T3、T4截止，故Y=0，上述结果列出真值表如（表二）所示。
A
B
Y
1
表二
工作特点：
（1）、输出高电平时，输出电阻随输入信号的取值不同而变化，因为T3、T4并联，其中一个或两个导通都输出高电平，但两者输出等效电阻是不同的。
（2）、输出低电平值不仅和T1、T2导通电阻有关，而且和串联管数目有关，当输入端数增加时，串联管数目也够，会使输出低电平抬高。
为了克服上述缺点，一般在电路输入和输出端加反相器作缓冲级，这样，与非门的电器特性和反相器就完全相同了。
（二）、抢答控制电路
该电路由三个联组成，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，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，抢答开也可以利用试验箱上的电平输出开关。
拨动逻辑开关，相等于输出逻辑高低电平，其电路图如（图八）所示。
（图八）
（三）、清零装置
供比赛开始前裁判员使用，为了保证电路正常工作，比赛开始前，裁判员都要将各触发器的状态统一清零，这时只需要用手按以下按钮J即可。
本系统利用D触发器的异步复位端实现清零功能，由表一CC4013集成块的功能表可以看出，该D触发器的异步复位端R低电平有效。
因此，将各触发器的异步复位端统一用一开关控制。
其电路如图九所示，正常比赛时使R和S均处于低电平，用R=0实现复位功能。
（图九）
（四）、计时电路
计时电路采用倒计时方式，最大显示为9秒，当裁判员给出请回答指令后，开始倒计时，当计时到0时，可驱动声响电路发出声响，当回答问题的队员听到声响后，就必须停止回答，说明回答问题时间到，倒计时器选用可预置数20进制，同步可逆计数器CC40192。
CC40192的功能和外部引线分别见表三和图十。
输入
输出
CP+
CP-
CR
C
D
QA
QB
QC
QD
×
a
b
c
d
↑
加法计数器
减法计数器
保持
表三
由表三不难看出，要使CC40192集成电路工作在减法计数状态，CP+必须为高电平，CR为低电平
为高电平。
（图十）
按功能表将这个十进制减法计数器接好，见图十一
（图十一）
（五）、显示电路
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，该触发器接收信号使其输出Q端的状态为高电平，相应的Q非端为低电平。
就有电流通过发光二极管使他发亮，计时系统的驱动显示电路选用BCD-7段锁存译码驱动器CC4511和七段数码管组成，其工作原理如下：
当计数器在CP脉冲的作用下开始计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号，这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。
CC4511是常用的七段显示译码器，它的内部除了七段译码电路外，还设有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出大驱动电流的能力，最大可达到25mA，可直接驱动LED数码管或萤光数码管。
CC4511有四个输入端A、B、C、D和七个输出端a—g,它还具有输入BCD码锁存，灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测端LT、熄灭控制端BI来控制。
CC4511的管脚排列如图十二,CC4511的真值表见表四：
图十二
LE
e
f
g
显示
8
熄灭
2
3
4
5
6
7
9
1010-1111
为LE上跳前的BCD码决定
锁存
表四
由表四可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a—g随输入A—D端变化而变化，当LE=1时，锁存器锁定，输出端保持不变；
熄灭控制端
=0时，译码器输出全0，因此正常工作时应使
为高电平，另外灯测试端
=0时，译码器输出全1，数码管各段均亮，即显示全8，用来测数码管是否正常，当输入的BCD码大于1001时，七段显示输出全0，各段均不亮。
CC4511常用于驱动共阴极LED数码管，工作时一定要加限流电阻，由CC4511组成的基本数字显示电路如图十三所示，图中BS205为共阴极LED数码管，电阻R用于限制CC4511的输出电流大小，它决定LED的工作电流大小，从而调节LED的发光亮度，R值由下式决定：
式中V0H为CC4511输出的高电平（≈VDD），UD为LED的正向工作电压（1.5V～2.5V），ID为LED的笔段电流（约5～10mA）。
图十三
七段数码显示器（又称七段数码管或七段字符显示器）就是由七段能够独立发光直线段排列成日字形来显示数字的。
与火柴棒摆放的数字图形相似，常见的七段半导体数码管（又称LED数码管）是由七段发光二极管拼合而成。
图十四
图十四是半导体数码管的外形图和等效电路。
半导体数码管有共阳极型和共阴极两种类型。
图十四中，共阳极型中各发光二极管阳极连接在一起，接高电平，a~g和DP各引脚中任一脚为低电平时相应的发光段发光；
共阴极型号中各发光二极管的阴极连接在一起，接低电平，a~g和DP各引脚中任一脚为高电平时相应的发光段发光（DP为小数点）,这是采用的是共阴极接法。
一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。
小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，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1.5～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。
在使用时应串接限流阻。
（六）、声响电路
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，门按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D输出
的与非，它说明只要有一个
为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣器发声，另一个来自计时系统高位计算的借位信号OB，它说明计时电路在9秒向8.7.6.5.4.3.2.1.0秒再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平，这个高电平信号也能使蜂鸣器发声，为了保证电路的可靠性，也可采用与非门构成的基本RS触发器驱动。
CC40192的外部引线前面已经介绍过了，RS触发器的连接如图十五所示。
图十五
（七）、声响控制电路
比赛开始，当某一个参赛者按下抢答器开关时，触发器接受该信号，在封锁其它开关信号的同时，使该电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，见图十六：
图十六
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；
常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
蜂鸣器的功率较大时，门G2的输出需功率放大后再接蜂鸣器。
与非门G4、G2可选用四输入2与非门CC4011，其旬外部引线如图十七所示：
图十七
（八）、振荡电路
本设计电路需要产生不同频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；
一种是频率为100KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号；
第三种频率为1HZ的信号用于计时电路，以上电路可用555定时电路组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
为了保证时间信号的频率及稳定度，一般采用石英晶体振荡器，见图二十一
见图二十一
将图二十一产生的较高频率的信号进行分频，以得到计数所需的“秒”信号，石英晶体振荡器输出信号的频率fo=100KHZ，经过5次十分频电路可得到每秒振荡一次的脉冲信号。
用二十进制计数器C180构成的分频电路如图二十二所示：
当我们把石英晶体串进对称或多谐振荡器的反馈回路以后，因为石英晶体在外加电压频率为f时电抗最小，电压信号容易通过它而形成正反馈通路，所以振荡器的工作频率必然为f。
其它的频率电压信号经过石英晶体后严重衰减，不足以产生振荡，在电路接通电源后，门G5、G6的输出端VI1和VI2必然有噪声存在，而噪声电压的频率是非常宽的，其中一定含有fO频率的电压成分，虽然这个电压成分开始时可能极小，但经过电路反馈的作用增强，立即就能达到使电路饱和截止状态间转化所需要的输入信号幅度，我们把fo称作石英晶体的固有振荡频率，它只与石英晶体切割的方向，外形和尺寸有关，不受外围电路参数的影响，石英晶体谐振频率的稳定度可达到10-10～10-11，足以满足要求。
四、安装和调试
用中规模集成D触发器CC4013组成三人智力竞赛抢答器的逻辑电路如图二所示，
（一）、抢答器显示的功能测试
按图二的具体连线，将开关A、B、C全部处于低电平，首先拨动开关A，该端发光二极管亮，此时再拨动开关B或C，观察其它发光二极管的情况。
此时再拨动开关B或C，由于与非门G已锁，CP脉冲信号不接收开关B和C控制端送入的信号，因此B和C端发光二极管不亮。
（二）、清零功能测试
在以上实验的基础上，将CC4013所有的R端连在一起通过开关J控制。
由表可以看出，CC4013的异步控制信号高电平有效，因此可用R＝1实现复位功能，开关J可以用实验箱上的电平开关，常态时，它处于低电平，拨动开关J，观察发光二极管全部熄灭。
（三）、计时功能测试
按图十一的电路连接，计数器的输出端接发光二极管，在CP作用下，观察发光二极管的显示情况。
通过控制CP端的状态再观察发光二极管显示情况，通过控制端CR的状态，再观察发光二极管的发光情况。
在CP作用下，当CR＝0时，A、B、C、D输出端的发光二极管亮。
当CP＝1时，A、B、C、D输出端的发光二极管熄灭。
（四）、声响电路的功能测试
按三人智力竞赛抢答器的逻辑电路的有关部分连线，可将与非门和反相器的输入端分别通过电平开关控制状态，观察喇叭发声的情况。
当某参赛者按下抢答开关时，喇叭发出声响，若回答问题到达限定时间，喇叭也会发出声响。
五、问题讨论
（一）、利用CC40192的借位信号驱动声响电路
以CC40192的工作波形可以看出，其借位信号的脉冲周期是比较短的，为了保证电路工作的可靠性，可采用与非门组成的RS触发器驱动，具体电路见图十五所示。
（二）、由CC4012四D锁存器组成的四人抢答器电路如图二十三所示。
图二十三
六、参考文献
[1]阎石.数字电子电路.北京：
中央广播电视大学出版社.1992
[2]康华光.电子技术基础（数字部分）.北京：
高等教育出版社.2000
[3]任为民.数字电子电路学习和实验指导.北京：
广播电视大学出版社.1992
七、设计总结
下面将我的一点心得体会总结如下：
通过本次课程设计本人收获良多。
认识到了自己所学的专业知识的实用性和重要性。
对自己以前所学知识的巩固和今后的学习起了很大的作用。
本次课程设计，更加深了我对电工电子技术的热爱，也使我对以后的学习有了很大的信心。
我觉得自己得到了许多知识，也明白了许多道理.
首先，在我们的学习过程中，不能只局限于课本，在平时要多注意收集资料，特别是专业方面的，要开阔自己的眼界，扩展自己的知识面，只有如此，才能在工作和生活中达到事半功倍的效果。
其次，要有团队精神，在这次课程设计中，我们经常在一起讨论分析，取长补短，大大加快了工作效率，因此，在以后的学习生活和工作中，我们一定要懂得合作，时该不忘团队精神，我想只要做到此，无论做什么事，最终会得到成功的。
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