数字式竞赛抢答器的设计与制作.docx

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数字式竞赛抢答器的设计与制作

摘要…………………………………………………………………………………2

第1章概述

1.1抢答器的应用………………………………………………………………4

1.2抢答器的基本功能与扩展功能………………………………………41.3数字式抢答器的性能指标与技术要求……………………………………5

第2章系统方案的确定

2.1系统方案的论证与比较……………………………………………………6

2.2数字显示方案的设计………………………………………………………7

2.3电源…………………………………………………………………………9

第3章数字显示方案的结构设计…………………………………………………10

第4章元器件分析

4.1电阻………………………………………………………………………14

4.2电阻色环标法………………………………………………………………14

4.3二极管………………………………………………………………………14

第5章安装和调试

5.1调试前的直观检查…………………………………………………………16

5.2调试方法……………………………………………………………………16

5.3调试中注意事项……………………………………………………………17

结束语……………………………………………………………………………19

致谢……………………………………………………………………………20

参考文献…………………………………………………………………………21

数字式竞赛抢答器的设计与制作

作者:

杜锋

【摘要】

本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。

随着电子技术的发展，它在各个领域的应用也越来越广泛。

人们对他的认识也逐步加深。

人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。

如：

智能抢答器的设计与制作。

抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路。

数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。

本课题主要是由数字电路形成实现其功能，以LED显示器显示出来，以CD4511为主控元件，实现其抢答功能。

【关键词】

抢答器数字式CD4511

前言

在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍迹了千家万户，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

使设计越来越受到人们的重视，通过设计。

可以设计出更好更新的科技产品，这将给科技的发展带来很好的积极作用，也使科技的水平得到一定的高。

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的兴趣。

第一章概述

1．1抢答器的应用

工厂、学校和电视台等单位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。

为解决这个问题，我们小组准备就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。

1．2抢答器的基本功能与扩展功能

1.基本功能：

（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（3）抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

2.扩展功能：

1．抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动“开始”开关后，定时开始绿灯亮红灯灭允许作答，定时结束绿灯灭红灯亮不得做作答。

2．可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。

3．在主持人读题的过程中，禁止抢答，可以在主持人控制的开关上另接一个犯规式电路，即可实现“违规者可见”的功能，即在主持人读题时如果有人违反比赛规定抢先按动按钮，显示器可以显示是哪个参赛队抢先，便于作出相应的处理。

4．如果提供相应的器材及时间上的宽限，我想我们已定可以完成上述扩展功能，进一步完善我们的作品。

1．3数字式抢答器的性能指标与技术要求

1.3.1设计任务与要求：

1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3.抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。

5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示0。

第2章系统方案的确定

2．1系统方案的论证与比较

（一）用硬件实现的八路数字定时抢答器

系统方框图，细箭头表示控制，粗箭头表示数据流向

要求:

（1）数字式抢答器基本功能：

1.设计制作一个可容纳八组参赛的数字式抢答器，每组设一个抢答按钮供抢答者使用。

2.电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。

在主持人将系统复位并发出抢答指令后，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，同时扬声器发出音响。

此时,电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用。

3.抢答器具有定时抢答功能，时间由主持人设定。

主持人启动“开始”键后，定时器立即减计，并显示。

4.参赛选手在设定时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间。

5.如果定时抢答的时间已到，没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行封锁，禁止超时后抢答。

（2）扩展功能：

1.设置计分功能。

每组在开始时预置成100分，抢答后由主持人记分，答对一次加10分,否则减10分。

2.设置犯规惩罚功能。

对提前抢答和超时抢答的组别鸣喇叭示警，并由组别电路显示出犯规组别，禁止下一回合的抢答。

（二）由CD4511与LED数码显示器组成的抢答器

整体系统结构如下：

该课题主要是由数字电路的形式来实现整个电路的控制功能，以七段数码显示器作为其显示电路的元件，以CD4511译码器为主控制元件，实现其抢答器的抢答功能。

综上所述：

上面两种方案均属于制作抢答的制作方案，但第一种相对来说较复杂，技术指标要求较高，很难达到所要求的指标，而第二种方案较为简单，元器件属于常见的类型，此设计是我们所学知识的综合应用，该电路设计介绍了一种以CD4511芯片和数码管为核心的八路数字抢答器系统,分别从硬件和软件两方面阐述了该控制系统的设计方法,并经过调试和运行使该系统达到预期目标，具有反应快、功能齐全、实用性强的特点,所以我们选择了第二种方案。

2．2数字显示方案的设计

2．2．1抢答器的工作原理

如下2.2.2电路原理图所示，集成电路CD4511是数码显示抢答器的主要部分。

这是一块BCD-7段锁存/译码/驱动电路。

它的1、2、6、7脚为BCD码输入端。

第9～15脚为显示输出端。

该电路完成两个功能：

一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。

S1～S8为8人抢答按键，CD4511是BCD码7段译码器，二极管D1～D8用于对抢答键进行BCD编码。

初始状态下，CD4511驱动LED数码管显示为0，即a、b、c、d、e、f这六个笔画为1，仅g笔画为0，现将g笔画信号用三极管Q1反相，这样，在初始状态下，7段译码器CD4511处在译码状态，这时按键信号可以输入。

又因显示除0以外的其他数字时，a～g这7个笔画信号至少有一个是0，相应地，7段译码器CD4511处于锁存状态。

所以当某一按键按下时，使7段译码器CD4511将已键入的数字锁存显示。

这样，后按下的键就不起作用了，数码管就只显示最先按下的键号，起到了抢答的作用。

16脚接电源正极，8脚接电源负极。

2.2.2电路原理图

数字式抢答器电路图

2．3电源

2.3.1变压器的定义及其特性参数

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

电源变压器的特性参数

（1）工作频率

变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。

（2）额定功率

在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。

（3）额定电压

指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。

（4）电压比

指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。

（5）空载电流

变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。

空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。

对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。

（6）空载损耗

指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。

主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。

（7）效率

指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。

通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。

（8）绝缘电阻

表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。

绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。

第3章数字显示方案的结构设计

主题电路的设计

（一）CD4511引脚资料：

图3.1芯片CD4511

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

CD4511引脚图：

其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

1.CD4511的引脚

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。

其引脚图如上图所示。

各引脚的名称：

其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。

左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。

2.CD4511的工作原理

1.CD4511的工作真值表如下：

输入

输出

显示

消隐

锁存

2．锁存功能

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。

当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

3.译码

CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出

、

四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

4.消隐

BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。

消隐输出J的电平为

=（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

选用共阴极数码管，对于CD4511，它与数码管的基本连接方式如下图：

数码管使用条件：

a、段及小数点上加限流电阻。

b、使用电压：

段：

根据发光颜色决定；小数点：

根据发光颜色决定。

c、使用电流：

静态：

总电流80mA（每段10mA）；动态：

平均电流4-5mA 峰值电流100mA。

数码管使用注意事项说明：

（１）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；

（２）焊接温度：

２６０度；焊接时间：

５Ｓ；

（３）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。

第4章元器件分析

1、电阻

电阻（Resistor）是所有电子电路中使用最多的元件。

电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。

电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

通常来说，使用万用表可以很容易判断出电阻的好坏：

将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。

应注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。

但在实际手机维修中，很少出现电阻损坏，除少数机型的一些电阻外，也很少去关心电阻的阻值。

着重注意的是电阻是否虚焊，脱焊。

2、电阻色环标法

电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。

色环法在一般的的电阻上比较常见。

由于手机电路中的电阻一般比较小，很少被标上阻值，即使有，一般也采用数字法，即：

101——表示电阻的阻值为100Ω；102——表示电阻的阻值为1KΩ；103——表示电阻的阻值为10KΩ；104——表示电阻的阻值为100KΩ；105——表示电阻的阻值为1MΩ；106——表示电阻的阻值为10MΩ。

3、二极管工作原理，特性和应用

工作原理：

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

特性：

二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

１.正向特性

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

2.反向特性

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

应用：

1、整流二极管

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

2、开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3、限幅元件

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。

利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

第5章安装和调试

实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难于达到预期的效果。

这是因为在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性,分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。

调试的常用仪器：

万用表。

5.1调试前的直观检查

电路安装完毕，先不要接通电源进行初步检查。

1、连线是否正确

检查电路连线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时完全漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。

查线步骤：

1.按照电路图检查安装的线路；

2.按照实际线路来对照原理电路进行查线。

2、元器件安装检查

检查元、器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管、三极管、集成器件和电解电容极性等是否连接有误。

电源供电与信号源连线，检查电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确。

电源端对地（┸）是否存在短路，在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地（┸）是否存在短路。

若电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。

5.2调试方法

调试包括测试和调整两个方面。

所谓电子电路的调试，是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量一判断一调整一再测量的反复进行过程。

调试方法通常采用先分调后联调（总调）。

我们知道，任何复杂电路都是由一些基本单元电路组成。

1、通电观察

把经过准确测量的电源接入电路。

观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异常气味，手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。

如果出现异常，应立即切断电源，待排除故障后才能再通电。

然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压，以保证元器件正常工作。

通过通电观察，认为电路初步工作正常，就可转入正常调试。

2、静态调试

交流、直流并存是电子电路工作的一个重要特点。

一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。

因此，电子电路的调试有静态调试和动态调试之分。

静态调试一般是指在没有外加信号的条件下所进行的直流测试和调整过程。

例如，通过静态测试模拟电路的静态的工作点，数字电路的各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已经损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。

3、动态调试

动态调试是在静态调试的基础上进行的。

调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标。

发现故障现象，应采取不同的方法缩小故障范围，最后设法排除故障。

测试过程中不能凭感觉和印象，要始终借助仪器观察。

使用示波器时，最好把示波器的信号输入方式置于“DC”挡，通过直流耦合方式，可同时观察被测信号的交、直流成分。

通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标（如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等）是否满足设计要求，再进一步对电路参数提出合理的修正。

5.3调试中注意事项

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。

为了保证调试的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。

为此，需注意以下几点：

正确使用测量仪器的接地端。

凡是使用地端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应和放大器的接地端连接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。

根据这一原则，调试发射极偏置电路时，若需测量VCE。

不应把仪器的两端直接接在集电极和发射极上，而应分别对地测出VC、VE，然后将二者相减得VCE。

若使用干电池供电的万用表进行测量，由于电表的两个输入端是浮动的，可直接跨接到测量点间。

测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流，给测量结果带来很大误差。

测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

例如，MF－20型万用表的工作频率为20～20000HZ。

如果放大器

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