抢答器控制电路.docx

1、抢答器控制电路贵 州 航 空 工 业 职 工 大 学课 程 设 计 任 务 书班 级： 课 程： 科 目： 姓 名： 指导老师： 年 月 日课程设计的任务和要求：（包括原始数据、性能指标和工作要求）要求：1、 三路控制抢答器2、 当有一路抢答开头闭合时，相应的显示灯亮，并伴有声音提示，此时其它两路信号不能输入。3、 电路要有时间控制（少于10秒），达到时限时发出声响以示警告。4、 电路选用cmos集成电路cc4000系列5、 电源电压510V。课程设计工作量：1、 包括电路各部分的组成及工作原理说明。2、 电路的性能和元器件的选取说明。课程设计的期限： 年 月 日至 年 月 日课程设计小组成员

2、：指导老师评语及成绩评定：指导老师： 年 月 日 目 录前 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

3、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09），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510V，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

4、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、

5、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FAFBFC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

6、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，

7、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+Dn=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

8、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

9、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。ABY001011101110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

10、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

11、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-CRABCDQAQBQCQD1000000abcdabcd101加法计数器101减法计数器1101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

12、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。CC

13、4511有四个输入端A、B、C、D和七个输出端ag,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LEDCBAabcdefg显示011111118010000000熄灭01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901

14、11010-11110000000熄灭111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ag随输入AD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

15、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（1.5V2.5V），ID为LED的笔段电流（约510mA）。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，ag和DP各引脚中任一脚为

16、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，ag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09十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1.52.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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10-1010-11，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

22、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R1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CR0时，A、B、C、D输出端的发光二极管亮

23、。当CP1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

24、路. 北京：中央广播电视大学出版社. 19922 康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 20003 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。