八路抢答器套件讲义V11.docx
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八路抢答器套件讲义V11
实训项目
八路抢答器套件原理及制作说明
八路抢答器主要由抢答、复位、编码，锁存、译码、显示及振荡蜂鸣电路组成。
它的任务是：
1．八个参赛者每人控制一个抢答按钮（S1—S8），按下按钮，蜂鸣声发出抢答信号,同时数码管显示优先抢答者的号数并锁存，其他选手再抢答，显示也不会改变。
2.抢答主持人控制一个复位按钮（S），用来控制系统清零和抢答的开始。
复位后，显示清零，继续下一轮的抢答。
引脚排列和功能：
任务一认识电路
1、电路工作原理
下图所示为八路抢答器电路原理图。
该电路由抢答按钮S1~S8、复位按钮S9、编码电路D1~D12、一块含BCD--7段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路CD4511（U1）、显示数码管（DS1）、NE555（J1）及外围电路组成的抢答器讯响电路组成。
某位选手按下抢答按钮，通过二极管编码电路把该位选手的号码编为对应的8421BCD码（知识链接一）送入CD4511的8421BCD码输入端（1、2、6、7脚），经过CD4511译码、驱动7段数码管显示该选手的号码并锁存该号码（知识链接二）。
另方面选手按下抢答按钮，通过D15、D16、D17、D18给555集成电路的7脚提供了高电平，555集成电路产生振荡，输出矩形脉冲驱动蜂鸣器发出抢答信号（知识链接三）。
2、实物图
任务二元器件的识别和检测
任务二元器件的识别和检测
1、电路元器件的识别
制作前请对照表一进行元器件识别。
表一
代号
名称
实物图
规格
检测结果
R1~R6
R16~R17
色环电阻器
10KΩ
实测值：
R7
色环电阻器
2K2
实测值：
R8
色环电阻器
100K
实测值：
R9~R15
色环电阻器
360Ω
实测值：
C1
瓷片电容器
103
标称容量的识读：
质量：
C2
瓷片电容器
104
标称容量的识读：
质量：
C3
电解电容器
100uF/25V
极性：
质量：
C4
电解电容器
47uF/25V
极性：
质量：
D1~D18
二极管
4148
正、反向电阻：
质量
S1~S9
按键
开关
质量
Q1
三极管
9013
类型：
引脚排列：
质量及放大倍数：
DS1
数码管
7段共阴极
引脚排列：
字形显示：
SP
蜂鸣器
质量：
U1
集成电路
CD4511
引脚排列：
引脚功能：
插座
16脚
J1
集成电路
NE555
引脚排列：
引脚功能：
插座
8脚
VCC
直流电源
5V
2、电路元器件的检测
（1）电阻、电容、二极管、开关、三极管及蜂鸣器的检测方法。
色环电阻器：
主要识读其标称阻值，并用万用表检测其实际阻值；
瓷片电容器：
主要识读其标称容量值，并用万用表检测其质量；
电解电容器：
识读其标称容量值，识别其正负极性，并用万用表检测其质量的好坏；
二极管：
识别其正负极性，并用万用表测量正、反向电阻，判断其质量的好坏；
按健开关：
用万用表电阻档X1档检测各触点的导通，判断其质量好坏；
三极管：
判断其类型和三个引脚的排列，并用万用表测量其放大倍数；
蜂鸣器：
识别其正负极性和质量的好坏；
（2）数码管的检测：
在数字电路中广泛采用的数码管是七段LED数码管，引脚排列如图1所示。
单个数码管共有10个引脚，包含8个笔段引脚和2个公共端（3、8引脚）。
图1七段LED数码显示管
当七段LED数码管不同笔段的发光二极管组合发光时，就能显示出不同的数字，如图2所示。
如要显示数字0时，只要g段和dp段不亮，而a、b、c、d、e、f六段发光即可。
图2七段数码管的显示字型
（3）CD4511集成电路引脚识别及引脚功能介绍
显示译码器CD4511的主要作用是将输入的BCD码转换为共阴极数码管所需的相应七段码,其引脚排列和逻辑符号如图3所示。
图3CD4511显示译码器引脚排列和逻辑符号
CD4511各引脚的功能如下：
A、B、C、D：
显示数据输入端。
a～g：
数码管段码输出端。
：
测试端。
当
端接低电平时，不管输入端BCD码为何数值，输出端a～g全为高电平，数码管显示字型“8”。
：
消隐端。
低电平有效，当
端接低电平时，不论输入端BCD码为何数值，输出端a～g全为低电平，数码管不显示，用来暂时熄灭数码管。
LE：
锁存端。
当LE端接高电平时，MC14511输出端（a～g）保持不变，便于瞬间观测快速变化的数值；而在接低电平时，对正常的七段译码功能无影响.
（4）NE555集成电路引脚识别及引脚功能介绍
（4）NE555集成电路引脚排列如下图：
NE555集成电路的引脚排列图
各引脚的功能如下：
1脚（GND）:
接地端
2脚（
触发）：
低触发端，1/3VCC比较输入端
3脚（OUT输出）：
输出端，驱动负载
4脚（
复位）：
复位输入端，当其接低电平0，强制Q输出为0
5脚（控制CO）：
控制电压输入端
6脚（阈值TH）：
高触发端，2/3VCC比较输入端
7脚（DIS）：
放电端
8脚（Vcc）：
电源端
任务三电路制作和调试
1.电路安装制作步骤
（1）按工艺要求对元器件的引脚进行成形加工。
（2）对应电路板的元器件位置依次进行元器件的插装。
二极管、电解电容及蜂鸣器注意正负极性。
CD4511、NE555集成电路注意引脚方向。
三极管注意引脚排列。
（3）电阻器、二极管采用卧式安装，电解电容、瓷片电容及三极管采用立式安装，蜂鸣器紧贴电路板安装，CD4511、NE555集成电路采用底座安装。
（4）按焊接工艺要求对元器件进行焊接。
（5）电路板上所有的J*的元件是焊接跳线用的接口，请自行用电阻腿等导体焊接，否则电路不能正常工作，
2.焊接注意事项
先将所有元件按要求焊接在印制板上，注意焊接顺序及焊接的时间，防止损坏元件，只要焊接无误一般都能正常工作。
特别是集成电路CD4511、NE555的焊接，不能将方向焊反，同时由于该产品的外壳为塑料材料制成，在焊接变压器电源端引线时必须掌握技巧，先将插头铜片用刀刮开净，然后用松香等助焊剂将刮好的铜片上锡，操作过程时间要短，否则极易使塑料熔化，待上好锡的铜片冷却后，再进行变压器引线的焊接。
3、电路调试
接通电源，按任意抢答按钮，该电路可能出现的故障情况：
（1）数码管能正确显示该选手的号码，但蜂鸣器没有发出抢答信号。
首先检查D15、D16、D17、D18是否接反，是否击穿。
然后再检查NE555（J1）的功能是否正常。
最后检查NE555（J1）的外围电路中的电容、电阻是否工作正常。
（2）蜂鸣器发出抢答信号，但数码管不能正确显示该选手的号码。
首先检查CD4511的功能是否正常，然后检查数码管的工作是否正常。
（3）蜂鸣器没有发出抢答信号，数码管也不能正确显示该选手的号码。
首先检查电源是否接好，然后检查按键受否正常，最后检查D1~D12是否有接反或开路现象。
（4）电路不能锁定。
检查D13、D14、Q1的工作情况。
任务四电路测试和分析
测试1、先按下裁判复位按键K9，用万用表分别测量CD4511（13脚、12脚、11脚、10脚、9脚、、14脚）的电压，并观察数码管有无显示号码。
条件
测量电压值（高电平用1表示，低电平用0表示）
数码管的
显示号码
13脚
（a）
12脚
（b）
11脚
（c）
10脚
（d）
9脚
（e）
15脚
（f）
14脚
（g）
按下复位按键S9
测试2、按下抢答按钮K1，用万用表测量CD4511输入端（6脚、2脚、1脚、7脚）和输出端（13脚、12脚、11脚、10脚、9脚、14脚）的电压，并观察数码管额显示号码。
然后按复位按钮复位，再按下抢答按钮K2，用万用表分别测量CD4511输入端（6脚、2脚、1脚、7脚）和输出端（13脚、12脚、11脚、10脚、9脚、14脚）的电压，并观察数码管额显示号码。
依次类推，完成下列表格。
条件
输入端电压值（高电平用1表示，低电平用0表示）
输出端电压值（高电平用1表示，低电平用0表示）
数码管的显示号码
6脚
（D）
2脚
（C）
1脚
（B）
7脚
（A）
13脚
（a）
12脚
（b）
11脚
（c）
10脚
（d）
9脚
（e）
15脚
（f）
14脚
（g）
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
测试3、任意按下抢答按键，用示波器观察NE555集成电路2脚（或6脚）、3脚的电位，并画出波形。
测试项目
2脚或者6脚
3脚
观察并画出波形
分析1、为什么按下抢答按钮，蜂鸣器会发出抢答信号？
分析电路如下：
a.没有按下抢答按钮时,NE555的6脚电压既
=OV,触发端都为OV,可知NE555输出为高电平（知识链接三）。
b.按下任意抢答按钮，D15~D18四个二极管至少有一个导通，电源通过
向电容C1充电,当电容电压
处于
之间时,集成定时器仍保持前状态,输出高电平。
c.电容C1继续充电，当
〉
时，集成定时器翻转，输出变为低电平。
d.输出变为低电平时,放电管V导通,电容C1上的电荷通过
，V释放,当电容放电使
降到
以下时，集成定时器又输出高电平,放电管V随即截止,电容C1由放电转而开始充电。
e.这样往复循环，输出即为矩形脉冲。
所以蜂鸣器发出抢答信号。
实训项目评价
班级
姓名
学号
得分
项目
考核要求
配分
评分标准
扣分
元器件识别和检测
按要求对所有元器件进行识别和检测
10
1、元器件识别错一个，扣1分
2、元器件检测错一个，口2分
焊接
质量
1、焊点均匀、光滑、一致，无毛刺、无虚焊现象
2、焊点上引脚不能过长
30
1、有搭锡、假焊、虚焊、漏焊、焊盘脱落等现象，每处扣2分
2、出现毛刺、焊料过多、焊料过少、焊接点不光滑、引线过长等现象，每处扣2分。
电路
调试
1、接通电源，按复位按键，数码管无显示。
2、按抢答按钮，蜂鸣器发出抢答信号，数码管显示抢答号码。
30
1、不安要求进行调试，扣5~10分
2、蜂鸣器发出抢答信号，但数码管不显示抢答号码，扣10分
3、数码管显示抢答号码，但蜂鸣器不发出抢答信号，扣10分
4、既无抢答信号，又不显示抢答号码，扣20~30分。
电路测试
1、正确使用万用表测量CD4511集成电路各引脚电压值
2、正确使用示波器观察555集成电路3脚和6脚电压波形
20
1、不会正确使用万用表测量各引脚电压值，扣5~10分
2、不会正确使用示波器观察555集成电路3脚和6脚电压波形，扣5~10分
安全文明操作
1、工作台上工具摆放整齐
2、严格遵守安全操作规程
10
1、工作台上工具摆放不整齐，扣3分
2、违反安全操作规程，扣5~10分
合计
100
教师签名
知识链接一编码及编码电路
一、编码的概念
在数字电路中，经常要把输入的各种信号（如10进制数、文字、符号等）转换成若干位2进制码，这种转换过程称为编码，能够完成编码功能的组合逻辑电路称为编码器。
之所以要转换成2进制码，是因为2进制码便于对其进行存储、运算等各种数字信号处理，而且电路容易实现。
编码器按编码形式可分为2进制编码器和BCD码编码器。
二、编码电路
1、2进制编码器的门电路实现
能够将各种输入信息编成2进制代码的电路称为2进制编码器。
图1所示为三位2进制编码器示意图，它共有8个输入信号I0～I7,可以表示10进制数0～7，也可以表示1～8号抢答选手等。
编码输出的是Y2、Y1、Y0三位2进制代码，因此，又称为8线－3线编码器。
图1三位2进制编码器示意图
它的内部结构图如下图2
当按键没有按下时（I0~I7全为0），所有或门输入端为低电平，因此，输出端Y2～Y0为000。
假设按下按键S5（输入变量I5=1），将使U1A的2脚输入高电平，Y2输出变为1，另外也使U2A的第4脚输入高电平，Y0输出变为1，而Y1保持0不变，因此，输出端Y2～Y0为101。
同理，可以分析其它按键的编码情况，得真值表如表1；因此，该编码器可将10进制数0～7编码为相应的2进制代码。
表13位2进制编码器简化真值表
输入
输出
Y2
Y1
Y0
I0
0
0
0
I1
0
0
1
I2
0
1
0
I3
0
1
1
I4
1
0
0
I5
1
0
1
I6
1
1
0
I7
1
1
1
2、二-十进制编码器
能将O～9十个十进制数编成二进制代码的电路，叫做二-十进制编码器。
8421BCD码编码器是二-十进制编码器中常用的一种。
要对十个信号进行编码，至少需要4位二进制代码（24=16>10），所以二-十进制编码器的输出信号为4位。
3、八路抢答器中的编码电路
电路图如下当没人抢答，按键没有按下时，所有二极管均截止，CD4511的7脚（A）、1脚（B）、2脚（C）、6脚（D）都是低电平，因此，DCBA=0000。
假设按下按键S6（第6号抢答），二极管D8、D9正向导通，VCC通过按键S6和二极管D8使CD4511的1脚（B）为高电平，另外VCC通过按键S6和二极管D9使CD4511的2脚（C）为高电平，因此，，DCBA=0110同理，可以分析其它按键的编码情况，得真值表如表2；因此，该编码器可将10进制数1～8编码为相应的8421BCD代码。
表2
输入
抢答号码
输出
D
C
B
A
S1
1
0
0
0
1
S2
2
0
0
1
0
S3
3
0
0
1
1
S4
4
0
1
0
0
S5
5
0
1
0
1
S6
6
0
1
1
0
S7
7
0
1
1
1
S8
8
1
0
0
0
知识链接二译码及译码电路
一、译码器
译码是编码的逆过程，是对编码内容的“翻译”。
例如，把编码器产生的2进制码译码翻译为原来的控制信号（通常为10进制数）就是一个典型使用。
能够完成译码功能的组合逻辑电路称为译码器。
常用的译码器有2进制译码器和数码显示译码器等。
1、2进制译码器
2进制译码器的功能是将输入的2进制码翻译成相应的控制信号，常用的2进制译码器有2线－4线译码器、3线-8线译码器、4线－10线译码器、4线-16线译码器等多种。
图8.23所示为译码器的逻辑符号。
一般左边为译码器输入端，右边为输出端。
由于有3个输入端A、B、C，输入的是2进制码，8个译码输出端Y0～Y7，输出对应2进制码的控制信号。
因此，它是一个3线－8线2进制译码器。
例如，当输入2进制码CBA=011时，经过译码器翻译后，将输出相应的控制信号，即输出端Y3输出为1，其他输出端保持为0不变。
图8.23译码器逻辑符号
2、七段数码显示译码器
在数字仪器仪表、数字钟等数字系统中，常需要将译码后的结果或数据以十进制数字的形式显示出来，供人们读取或监视数字系统的工作情况，显示译码器是能完成这一功能的电路。
它先将输入的二进制代码译成十进制数的信号，再利用译码输出驱动显示器显示数字。
（1）数码管的结构和原理
在数字电路中广泛采用的数码管是七段LED数码管，引脚排列如图8.28（a）所示。
单个数码管共有10个引脚，包含8个笔段引脚和2个公共端（3、8引脚）。
图8.28七段LED数码显示管
七段LED数码管的8个显示字段（其中包括一个小数点）各对应一个发光二极管，它们在其内部成“日”字型排列，各字段分别用字母a、b、c、d、e、f、g表示，小数点用dp表示。
根据发光二极管在数码管内部的连接形式不同，数码管可分为共阴极和共阳极两种类型，内部等效结构如图8.28（b）和（c）所示。
对于共阴极数码管而言，内部各段发光二极管的负极连接在一起组成公共端，而各段发光二极管的正极通过各自的引脚引出。
根据内部结构可知，共阴极数码管公共端应接低电平，而要显示的字段必须接高电平。
当七段LED数码管不同笔段的发光二极管组合发光时，就能显示出不同的数字，如图8.29所示。
如要显示数字0时，只要g段和dp段不亮，而a、b、c、d、e、f六段发光即可。
图8.29七段数码管的显示字型
（2）集成显示译码器CD4511简介（驱动共阴极数码管）
显示译码器CD4511的主要作用是将输入的BCD码转换为共阴极数码管所需的相应七段码,其引脚排列和逻辑符号如图8.30所示。
图8.30显示译码器CD4511引脚排列和逻辑符号
CD4511各引脚的功能如下：
A、B、C、D：
显示数据输入端。
输入8421BCD码，其中A为低位（D0），D为高位（D3）。
a～g：
数码管段码输出端。
：
测试端。
当
端接低电平时，不管输入端BCD码为何数值，输出端a～g全为高电平，数码管显示字型“8”.
：
消隐端。
低电平有效，当
端接低电平时，不论输入端BCD码为何数值，输出端a～g全为低电平，数码管不显示，用来暂时熄灭数码管。
LE：
锁存端。
当LE端接高电平时，CD4511输出端（a～g）保持不变，便于瞬间观测快速变化的数值；而在接低电平时，对正常的七段译码功能无影响，所以在实际使用中通常将该引脚接低电平使其无效。
CD4511真值表如表8.6。
表8.6集成显示译码器CD4511真值表
输入
输出
显示
数字
LE
DCBA
abcdefg
××0
××××
1111111
8
×01
××××
0000000
灭
111
××××
不变
维持
011
0000
1111110
0
011
0001
0110000
1
011
0010
1101101
2
011
0011
1111001
3
011
0100
0110011
4
011
0101
1011011
5
011
0110
0011111
6
011
0111
1110000
7
011
1000
1111111
8
011
1001
1110011
9
011
1010
全部为0
灭
011
1011
灭
011
1100
灭
011
1101
灭
011
1110
灭
011
1111
灭
（3）利用显示译码器CD4511和共阴数码管可以组成1位的数码显示器。
电路如图8.31所示。
图8.31显示译码器MC14511使用电路图
3、八路抢答器中CD4511的锁存功能
锁存电路如下
（1）当14脚（G）输出为高电平时，二极管D13正向导通，使5脚电平为高电平（即LE=1），此时CD4511输出端（a～g）保持不变，即锁存状态。
G脚高电平对应的数字有，
，所以当2、3、4、5、6、8号选手抢答后，电路处于锁存状态，其它选手再按键，数码管也不会改边显示号码。
（2）当12脚（B）输出高电平且10脚（D）输出为低电平时，即只有B段亮而D段不亮，此时二极管D14正向导通，使5脚电平为高电平（即LE=1），此时CD4511输出端（a～g）保持不变，即锁存状态。
B管亮而D管不亮对应的数字有
，所以当1、7号选手抢答后，电路处于锁存状态，其它选手再按键，数码管也不会改边显示号码。
结合
（1）和
（2）所述，当1~8号任一选手抢答后时，电路进入锁存状态，其后的按键抢答无效，完成抢答功能。
（3）当12脚（B）和10脚（D）都输出高电平时，即B管和D管都亮，此时三极管Q1导通，使5脚电平为低电平（即LE=0），此时CD4511不处于锁存状态。
B管和D管都亮对应的数字有
，所以当数码管显示为0时可以继续抢答。
知识链接三555集成定时器
555定时器内部有3个5K
电阻组成的分压电路，而且电阻精度高，因此而得名。
它价格低廉、性能优良，只要在其外部接少量的阻容元件，即可构成多种脉冲电路，因而在电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、电子玩具等许多领域得到广泛的使用。
一、555集成定时器简介
1.分类
按内部元件分类，555集成定时器可分为TTL型（又称为双极型，工作电压4.5～5.5V，一般以555命名）和CMOS型（又称为单极型，工作电压为2～18V，一般以7555命名）两大类。
TTL型主要特点是输出电流大，可达200mA以上，可直接驱动大电流执行器件，如继电器等。
CMOS型主要特点是功耗低，输入阻抗高，输出电流较小，一般小于4mA。
按片内定时器的个数分类，可分为单定时器（555）和双定时器（556）。
双定时器556在一块集成块内部集成了两个独立的555定时电路。
，555集成定时器引脚排列如图11.32所示。
（a）单定时器（b）双定时器
图11.32555集成集成定时器的引脚排列图
2.电路组成
555集成定时器的逻辑符号如图11.33（a）所示，其引脚功能说明如下：
Q：
定时器输出端，驱动负载。
：
定时器复位输入端，当其接低电平0，强制Q输出为0。
TH：
高触发端，2/3VCC比较输入端。
：
低触发端，1/3VCC比较输入端。
CVolt：
控制电压输入端。
DIS：
放电端。
555集成定时器的内部功能框图如图11.33（b）所示，它主要由电压比较器和基本RS触发器组成，现从以下4点进行说明。
（a）逻辑符号（b）内部功能框图
图11.33555集成定时器的逻辑符号和内部功能框图
（1）分压器：
由3个5K
的电阻串联而成，为比较器提供参考电压。
比较器A1的“＋”端电压为2/3VCC，A2的“－”端电压为1/3VCC。
如果从电压控制端CVolt另加控制电压，会改变A1、A2比较器的基准电压，一般情况下，不需另加控制电压。
因此，CVolt端对地一般并接有0.01uF电容，以旁路高频干扰信号。
（2）电压比较器：
由运放A1、A2组成。
因A1的“＋”端为2/3VCC，因此，
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