数字式竞赛抢答器的设计与制作

目 录摘 要2第1章 概 述1.1 抢答器的应用4技术要求5第2章 系统方案确实定67电 源9第3章 数字显示方案的构造设计10第4章 元器件分析 4.1电 阻14 14 14第5章 安装与调试调试前的直观检查16调试方法16调试中考前须知17完毕语19致 谢20参考文献21数字式竞赛抢答器的设计及制作作者: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。随着电子技术的开展，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：智能抢答器的设计及制作。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及扩展电路组成。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；主持人按开场按钮示意开场，以上两局部组成主体电路。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开展的源动力，电子领域的开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开展与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，这将给科技的开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与方法能够引起观众极大的兴趣。第一章 概述11抢答器的应用工厂、学校与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时机制作一个低本钱但又能满足学校需要的八路数显抢答器。12抢答器的根本功能及扩展功能1.根本功能： 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 设置一个系统去除与抢答控制开关S，该开关由主持人控制。 3 抢答器具有锁存及显示功能。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去除为止。 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“开场开关后，定时开场绿灯亮红灯灭允许作答，定时完毕绿灯灭红灯亮不得做作答。2可以设计声控装置，在主持人说开场时，系统自动完成清零并开场计时的功能。3在主持人读题的过程中，制止抢答，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。13数字式抢答器的性能指标及技术要求设计任务及要求：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.设置一个系统去除与抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3.抢答器具有锁存及显示功能。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去除为止。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。当主持人启动开场键后，定时器进展减计时，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展抢答，抢答有效，定时器停顿工作，显示器上显示选手的编号与抢答的时间，并保持到主持人将系统去除为止。6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并制止抢答，定时显示器上显示0。第2章 系统方案确实定21系统方案的论证及比拟（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数字式抢答器根本功能：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与锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，假设参赛者按抢答开关，那么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“开场键后，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，定时器停顿工作，显示器上显示选手的编号与抢答时刻的时间。 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，系统进展封锁，制止超时后抢答。(2)扩展功能： 1.设置计分功能。每组在开场时预置成100分，抢答后由主持人记分，答对一次加10分,否那么减10分。 2.设置犯规惩罚功能。对提前抢答与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，制止下一回合的抢答。(二)由CD4511及LED数码显示器组成的抢答器整体系统构造如下：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，很难到达所要求的指标，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芯片与数码管为核心的八路数字抢答器系统,分别从硬件与软件两方面阐述了该控制系统的设计方法,并经过调试与运行使该系统到达预期目标，具有反响快、功能齐全、实用性强的特点,所以我们选择了第二种方案。22 数字显示方案的设计221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局部。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915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；二是制止其他选手按键操作无效。S1S8为8人抢答按键，CD4511是BCD码7段译码器，二极管D1D8用于对抢答键进展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，ag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。电路原理图数字式抢答器电路图23 电源变压器的定义及其特性参数变压器是变换交流电压、电流与阻抗的器件，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与线圈组成，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及频率关系很大，故应根据使用频率来设计与使用，这种频率称工作频率。2额定功率在规定的频率与电压下，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 指变压器初级电压与次级电压的比值，有空载电压比与负载电压比的区别。5空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这局部电流称为空载电流。空载电流由磁化电流产生磁通与铁损电流由铁芯损耗引起组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流根本上等于磁化电流。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，这局部损耗很小。7效率 指次级功率P2及初级功率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、各线圈及铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的上下及所使用的绝缘材料的性能、温度上下与潮湿程度有关。第3章 数字显示方案的构造设计主题电路的设计一CD4511引脚资料：图3.1 芯片CD4511CD4511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、消隐与锁存控制、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，在输入端及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 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 2 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门与反相器组成,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，先用二输入端及非门对输入数 据B、C进展组合，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 J= =C+BD+BI 如不考虑消隐BI项，便得J=B+CD 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 ，它及数码管的根本连接方式如下列图 ：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。数码管使用考前须知说明：数码管外表不要用手触摸，不要用手去弄引角；焊接温度：度；焊接时间：；外表有保护膜的产品,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，交流及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适宜挡位，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局部。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拟常见。由于手机电路中的电阻一般比拟小，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100； 102表示电阻的阻值为1K； 103表示电阻的阻值为10K； 104表示电阻的阻值为100K； 105表示电阻的阻值为1M； 106表示电阻的阻值为10M。3、二极管工作原理，特性与应用工作原理：晶体二极管为一个由p型半导体与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与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，外界电场与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，外界电场与自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内及反向偏置电压值无关的反向饱与电流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到达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与反向特性。 .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。只有当正向电压到达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根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，它的正向压降根本保持不变硅管为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 安装与调试实践说明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进展安装，往往也难于到达预期的效果。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与调整，来发现与纠正设计方案的缺乏，然后采取措施加以改良，使装置到达预定的技术指标。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，先不要接通电源进展初步检查。1、连线是否正确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、集成器件与电解电容极性等是否连接有误。 电源供电及信号源连线，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。 假设电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。5.2 调试方法 调试包括测试与调整两个方面。所谓电子电路的调试，是以到达电路设计指标为目的而进展的一系列的测量一判断一调整一再测量的反复进展过程。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根本单元电路组成。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与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，直流为交流效劳，直流是电路工作的根底。因此，电子电路的调试有静态调试与动态调试之分。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下所进展的直流测试与调整过程。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与输出端的高、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根底上进展的。调试的方法是在电路的输入端接入适当频率与幅值的信号，并循着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数与性能指标。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与印象，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，最后检查功能块与整机的各种指标如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗与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调试中考前须知 调试结果是否正确，很大程度受测量正确及否与测量精度的影响。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。但凡使用地端接机壳的电子仪器进展测量，仪器的接地端应与放大器的接地端连接在一起，否那么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。根据这一原那么，调试发射极偏置电路时，假设需测量VCE。不应把仪器的两端直接接在集电极与发射极上，而应分别对地测出VC、VE，然后将二者相减得VCE。假设使用干电池供电的万用表进展测量，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，假设测量仪器输入阻抗小，那么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，MF20型万用表的工作频率为2020000 HZ。如果放大器的fH =100 kHZ，我们就不能用 MF20来测试放大器的幅频特性，否那么，测试结果就不能反映放大器的真实情况。 要正确选择测量点。用同一台测量仪器进展测量时，测量点不同，仪器内阻引进的误差大小将不同。例如，对于图511所示电路，测C1点电压VCl时，假设选择E2为测量点，测得VE2，根据VClVE2VBE2求得的结果，可能比直接测Cl点得到的VCl的误差要小得多。所以出现这种情况，是因为Re2较小，仪器内阻引进的测量误差小。图 被测电路测量方法要方便可行。需要测量某电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流,因为测电压不必改动被测电路，测量方便。假设需知道某一支路的电流值，可通过测取该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。 调试过程中，要认真观察与测量善于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据、波形与相位关系等。只有有了大量的可靠的实验 记录并及理论结果加以比拟，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题，如果是原理上的问题，即使重新安装也解决不了问题。我们应当把查找故障，分析故障原因，看成一次好的学习时机，通过它来不断提高自已分析问题与解决问题的能力。完毕语在当今一个充满机遇及智慧的社会，要想占有一席之地，那么需要有付出艰辛的努力与不怕困难的心理准备。做毕业设计期间设计的数字抢答电路原理图与各局部的原理功能，经过屡次的修改与整理。在制作中，对元器件的了解不是很深，在通电调试过程中，直接导致了元器件的烧毁、正负极接反导致该元件不起作用等。经过一段时间的查资料，了解了每个元器件的性质与作用，及有利于帮助电路的完成。通过这半个月的学习，虽然时间不长但我感觉有很大的收获，通过学习使自己对课本上的知识进一步了解加深，能够充分利用图书馆的资料，增加了除课本以为的许多知识。增强了自己对电路图的认识，加深了解了电路图每一局部的作用及其是如何工作的。通过这次毕业设计，加强了自己的团队合作能力，同时也提高了自己动手能力，包括使用万用表等测量仪器测量数据，以及利用仪器如何检查故障的根源，怎样排除故障的方法，培养了自己的自学能力以及人际交往能力。这次实践活动的时间虽短，但它留给我们的启迪却是深刻而长远的，是我们人生道路上坚实的一步。我通过积极参加社会实践活动，认识了社会，认识到自己的社会位置，明确了自己的历史使命，激发了自己的学习热情，我会不断地调整与完善自己的知识构造，战胜前进道路上的各种挫折，锻炼自己的意志与毅力，为适应今后的工作做好准备。实习工作完毕了，但这不是终点，而是另一个新的起点。实习的一些收获与体会，都对于我们今后走上工作岗位，都有很大的帮助。经过这次实习，也提高了我的专业水平。相信在以后的工作上，还会有更大的进步。今天各个领域日新月异，只要与着时代的脉动，永远都有新的在等待我们期待着下一次的永不言弃。致 谢在现已完成毕业设计，感谢校领导对我系毕业设计的大力支持与关注。在这次设计过程中要感谢我们的穆教师。在我们拿到毕业设计题目一片茫然不知道该如何下手时，及时的给我们指明了方向，在设计过程中不断给我们进展指导。总之，我要感谢信息工程系所有的指导教师，感谢实训中心的教师，感谢我的同学，我们始终相信这个世界不是缺少美而是缺少发现，困难永远强者攀登的阶梯，我们要在创新中不断前进。 美好的明天需要我们的努力！ 【参考文献】：1 康华光主编.电子技术数字局部第四版.高等教育出版社，19992 曹国清主编. 数学电路及逻辑设计.中国矿业大学出版社，20003 谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.华中理工出版社，20004 刘征宇，韦立华编.最新74系列IC特性手册.福建科学技术出版社，2002第 17 页