电工电子创新实验报告四路抢答器设计.docx

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电工电子创新实验报告四路抢答器设计

一、设计题目：

四路抢答器设计

二、技术指导和技术要求：

用集成芯片设计并制作简易四路抢答器，具体要求如下：

1.每个参加者控制一个按钮，用按动按钮发出抢答信号；

2.抢答组数分为四组，即序号A、B、C、D，对应数字编码1、2、3、4，优先抢答者按动本组序号开关，该组对应数字编码立即锁存到LED显示器上，同时封锁其他组号，并有蜂鸣器声音提示。

此后其他3人再按动按钮对电路不起作用；

3.竞赛主持人另有一个按钮，用于将电路复位。

三、选择总体方案，确定电路

1、提出电路的方案

方案

（1）：

如图1所示为总体方框图。

其工作原理为：

通电源后，抢答器处于工作状态，编号显示器灯灭，主持人宣布“开始”，选手开始抢答，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示。

当一轮抢答之后，禁止二次抢答。

如果再次抢答必须由主持人操作“复位”开关。

图1电路原理框图

方案

（2）：

下面是用74LS175、74LS00、74LS20得到的4路抢答器的电路，如图2。

这个电路只是通过发光二极管来显示其结果，没有达到按照选手的号码来显示数字，并且其电路抢答没有声音，所要求集成块个数跟方案

（1）相当，但实现功能稍逊方案

（1）。

2、方案的选择与论证

比较方案

（1）和方案

（2），发现方案

（1）需要元器件数量稍微多一点，但所需元件都是比较简易，电路不是很复杂，并且所显示的效果比方案

（2）要多，达到了实验的要求。

而方案

（2）不能有效达到设计指标（没有声音、无数字显示），所以选择方案

（1）。

图2方案

（2）电路图

四、单元电路推导和电路元器件参数计算

（1）优先锁存、门控电路：

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，其引脚图和功能表如图3。

图3CD4511的引脚图和功能表

门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能，由一个开关R连入电路实现。

分析CD4511的功能表可知，给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。

在抢答的准备阶段，主持人按下开关R后，CD4001RS触发器输出端4号端口输出低电平，即CD4511的LE端口为低电平，4511处于消隐工作状态，LED数码管不显示；当第一个在抢答键按下时，5V电源通过二极管D3、D4、D5或者D6加至CD4001RS触发器S端，即1号脚输入高电平，其输出端4号脚变为高电平输出，即给LE一个高电平，锁存此时的编号，同时数码管显示相应的编号。

观察CD4511的逻辑真值表发现，数码管显示“0”时与数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时，CD4511的输出端e、f有不同的特性，显“0”时给LE端一个低电平，显“1”、“2”、“3”、“4”时给LE端一个高电平。

（2）抢答编码电路：

A、B、C、D组成1~4路抢答器，任一抢答键按下都需编成BCD码，将高电平加到CD4511的A、B、C、D、4个BCD码输入端。

分析CD4511的逻辑功能表，要在数码管上显示的4个十进制编号“1”、“2”、“3”、“4”所对应输入的BCD码应为“0001”、“0010”、“0011”、“0100”，4个二进制位从左到右分别对应CD4511的D、C、B、A4个编码输入端。

显示“1”、“2”、“4”比较容易实现，只需要通过按键接通电源直接将高电平加到相应的端口A、B、C。

而显示“3”则在A、B端口加高电平，这通过编码二极管D1、D2来实现，按键同时接在这两个二级管的正极，二极管的负极分别接在CD4511的A、B端，只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平，以实现编码。

按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。

抢答编码连接电路图如下图4所示：

图4抢答编码连接电路图

（3）译码电路：

由于需要用LED数码管显示抢答的相应编号，选用常见的BCD----七段锁存/译码/驱动集成电路CD4511。

其工作的逻辑真值表如表1所示。

表1CD4511逻辑真值功能表

输入

输出

显示

日

熄灭

锁存

将CD4511的七段译码输出端A、B、C、D、E、F、G分别与数码管的7个端口连接，由于CD4511输出端的电压为5V，而数码管的前向导通电压和开门电压分别为1.66V和5V，这时CD4511与数码管连接时中间需要加限流电阻R7～R13=668Ω，限流电阻需要小于这个阻值，这里取330Ω。

连接后的译码、数显电流如下图5所示。

图5抢答译码连接电路图

（4）声响显示电路：

在CD4511的4、5端，用集成555定时器构成多谐振荡器，连接一个音频多谐振荡电路，并联一个喇叭，组成音频多谐振荡器，使抢答成功后的提示在LED显示及声音显示。

如下图6：

图6蜂鸣器、LED数码管显示图

五、总体电路图与电路工作原理说明

电路如图7所示。

该电路完成两个功能：

一是实现优先抢答的锁存、译码输出驱动LED数码管显示先抢答者的号码，同时四路抢答器发出响声，其他选手再抢答视为无效抢答；二是主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。

工作过程：

抢答前，主持人按下“复位”R按钮后，RS触发器的Q端输出为低电平，即CD4511端4号引脚接低电平，所以CD4511处于消隐工作状态，a-g全为0，即LED数码管不显示，多谐振荡器不产生振荡，蜂鸣器不响。

开始抢答时，第一个抢答者按下按钮后，输入的高电平经4-3线编码电路编成对应的8421BCD码，然后输入到CD4511中，与此同时，CD4001RS触发器的S输入端1号脚输入高电平后，其输出端4号脚变为高电平，即CD4511的LE锁存控制端接高电平，所以CD4511处于锁存工作状态。

此时CD4511输入对应的译码输出将锁存起来，根据上述4-3线编码器功能真值表和CD4511真值表，即可查到此时候LED数码管显示值（高电平记为“1”，低电平记为“0”）。

此时，数码管保持显示第一个抢答者的号码，同时多谐振荡器开始产生振荡，蜂鸣器发出响声。

上电复位后的时刻，CD4001的6号脚瞬时输入高电平，4号脚输出低电平，使LED数码管不亮，多谐振荡器停止振荡，蜂鸣器不响。

集成器件CD4511的A、B、C输入端分别通过R4、R3、R1接“地”（低电平）。

图7总体电路原理图

六、元器件和实验设备清单

表2

器件名称

数量

万能电路板

1块

轻触型复位按钮

5个

20K电阻

6只

0.330K电阻

8只

12K电阻

1只

5.1K电阻

1只

0.020K电阻

1只

0.01uF瓷介电容

2只

1uF瓷介电容

1只

IN4148二极管

6只

共阴极型LED数码管

1只

蜂鸣器

1个

NE555定时器

1个

CD4001集成与或门

1个

CD4511组合逻辑译码器

1个

NPN型9013三极管

1个

数字万用表

1个

导线

若干

七、电路的组装、调试、功能验证

1、测试触发器及各逻辑门电路的逻辑功能，判断器件的好坏。

⑴测试锁存功能：

按原理图图7连接好CD4511逻辑门电路部分，准备测量CD4511的各个引脚的电位值，将其与上述图3CD4511功能图相对应，高电平即为“1”，低电平即为“0”。

经测试发现CD4511功能正常。

测试结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：

表3CD4511管脚电位测试结果

输入

输出

显示

消隐

4.1

4.0

⑵测试CD4001四2输入或非门功能：

按电路原理图7，测试CD4001各个引脚电位，高电位为“1”，低电位为“0”，观察结果是否符合逻辑表达式

，其中

（1）A=1号引脚，B=2号引脚，Y=3号引脚；

（2）A=5号引脚，B=6号引脚，C=4号引脚。

若符合逻辑表达式，则对应CD4001完好，测试发现器件正常。

测试各个引脚电位结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：

表4

1号引脚

2号引脚

3号引脚

4号引脚

5号引脚

6号引脚

⑶测试NE555定时器组成的多谐振荡器：

按原理图中图7连接好电路，蜂鸣器输出端接入示波器，观察其输出波形，若未抢答时候波形为正弦波，抢答成功后输出波形为方波，则多谐振荡电路正常。

经测试发现，元器件正常。

图8正弦波与方波

2、按原理图连接好四部分内容，检查连线无误后打开电源开关，测试抢答器的功能。

抢答开始，按下A、B、C、D某一按钮，观察对应LED显示器，是否显示相应得数字，按A开关时候，显示数字1，B显示数字2，C显示数字3，D显示数字4，并且蜂鸣器发出持续的声响；按下R复位开关时候，LED数码管不显示数字，蜂鸣器声响停止。

若LED显示器显示对应的开关号，并且按下其抢答开关，电路工作状态保持不变，则说明整个电路系统正常；否则就说明电路有问题，应仔细检查各部分连线是否正常。

同时检查蜂鸣器和显示器是否按照规定方案蜂鸣和显示。

如果都正常则实验成功。

八、测试结果分析

经检查，各部分连线无误，各部分间的连线都正确，每个元件都正常。

检测抢答器的最终功能，先将抢答器接到5V直流电源上，按钮A置“1”，LED显示1，蜂鸣器发出声响，按下其他抢答按钮不起作用；再次将复位按钮按下，LED无显示，蜂鸣器停止发出声响。

其测试项目如下表所示：

表5

测试开关号

测试项目

电路接通到5V直流电源

LED显示

开始显示

按动其它抢答按钮后显示

蜂鸣器

响

二极管

亮

主持人按钮复位

Led显示

无显示

蜂鸣器

不响

九、遇到的问题及解决

1.实验中出现的问题是电路稍微复杂，焊接该电路所需要的导线需要很多；再者在焊接电路过程中必须确保每一步焊接的电路正确，是电路搭接美观实用；最后是通过使用万用表来检测焊接电路的正确性。

2.焊接电路得保证焊点没有虚焊，为此我们焊接速度比较慢，谨慎焊接，保证每个焊点都没有虚焊。

3.在用示波器检测蜂鸣器输出端信号时候，发现信号残缺，后经过排故发现有一根导线脱焊，为此我们小组同学又重新焊接。

后来再测试发现信号没有残缺。

十、设计电路的特点和改进

（1）可靠性：

整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。

（2）易测性：

抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。

（3）实验改进：

由于实验需要焊接的电线很多，以至我们在检查电路时太浪费时间而且也不方便，因此我们有必要使用印制的电路板，这样所使用的连线就会少一些。

测试时候只需要把相应元器件正确安装在相应位置上即可。

这样我们在使用时也会变得更方便，出现问题或故障时能很快找出问题的所在。

印制的电路板如下图所示：

图9四路抢答器印制电路板图

十一、收获与体会

这次的实验是袁雷同学为组长，负责四路抢答器方案筛选、元器件的购买、焊接电路的检查、电路测试及实验报告书写整理工作；刘宝存同学负责焊接电路、检查电路、测试电路及部分实验报告书写工作；夏振龙同学负责部分电路焊接、实验报告检查、焊接电路检查等工作；尤旗同学负责电路检查、元器件性能测试等工作；程颐同学负责陪同组长购买元器件、实验报告书写及检查等工作。

在我们5人的分工合作之下完成了这次实验，通过这次实验我们收获颇多：

1.和组员拿着选定的题目觉得很简单。

脑海中马上就出现了几个设计思路，但在设计的几天里才发现设计并不是那么简单。

静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。

将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合。

2.在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查表，分析功能，即学即用，印象很深刻。

3.既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。

在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。

同时，也培养了我们认真严谨的工作作风。

十二、参考文献：

[1]《电工技术与电子技术实验》夏桂书著，中国民航飞行学院2003.3

[2]《电工学》秦曾煌著，高等教育出版社2009.6

[3]《制作天地》韦穗林著，广西水利水电职业技术学院2010.1

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