数电课程设计八路抢答器.doc

数字电子技术课程设计题 目 八路抢答器 专业班级 11级通信工程三班 院 （系） 信息工程学院 完成时间 2013 年11月28日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案与论证13.1 方案选择与论证13.2 抢答器的原理方框图24 设计原理与功能说明34.1 元器件选用原理34.2 总体电路原理65 单元电路设计95.1 NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路95.2 复位键与抢答键的工作原理96 仿真与电路的连接96.1 电路的仿真96.2 电路的连接107 实训报告10参考文献12附件一：元器件清单13附件二：实物图141 课程设计的目的通过这次课程设计,主要了解简单数字电路抢答器的基本工作原理，学会设计与分析优先编码电路、数码显示电路、报警电路，在巩固数电知识的基础上，提高自身逻辑思维能力，拓展实际操作能力，同时学会利用团队力量解决某些技术难关。从而正确设计出各个单元电路，并简单掌握电路仿真技术。2 课程设计的任务与要求 设计一个八路抢答器，以CD4511集成芯片为核心原件来实现功能要求，在抢答过程中，可以更好的精确选手抢答的先后。此抢答器主要运用于竞赛活动中。此抢答器可以容纳八个选手，每个选手都有一个抢答按钮。在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候，选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的编号，扬声器持续发生。主持人可按复位键，新一轮抢答开始。1 3 设计方案与论证3.1 方案选择与论证 八路抢答器的关键部分是数字优先编码电路、锁存/译码/驱动电路，由数码显示电路和报警电路组控制信号的产生。下面列出两种方案：方案一：该方案采用了74LS148来实现抢答器的选号，采用了74LS279芯片实现对号码的锁存，采用了74LS192实现十进制的减法计数，555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时，采用了74LS121单稳态芯片来实现报警信号的输出。此方案主要由抢答电路、定时电路、报警电路、时序电路组成，在选用元器件时，主要用到74LS279、74LS48、74LS148、74LS192、74LS121、74LS00、74LS20、NE555等。所用元器件复杂多样，购买时麻烦，而且成本较大，增大了此方案实施难度。3方案二：该方案主要由数字优先编码电路、锁存/译码/驱动电路于一体的CD4511集成电路、数码显示电路和报警电路组成。优先编码电路、CD4511集成电路将参赛队的输入信号在数码显示管上输出，用报警电路对时间进行严格控制，这样就构成了八路智能抢答器电路。八路数字抢答器电路包括抢答，编码，优先，锁存，数显，复位及抢答键。抢答器数字优先编码电路由D1-D12组成，实现数字的编码。CD4511是一块含BCD-7段锁存/译 码/驱动电路于一体的集成电路。抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成。抢答器数码显示电路由数码管组成，输入的BCD码自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。8与方案一相比，方案二有着明显的优点。方案二选用元器件时，用CD4511集成芯片实现了BCD-7段锁存/译 码/驱动电路,从而代替方案一种74LS48、74LS279、74LS192等芯片的功能。无论在购买原件或焊接过程中都省去了很多麻烦。比较之后，本次课程设计我选用的是方案二。3.2 抢答器的原理方框图该电路包含八个组成部分（如图3-1所示），分别是复位键、控制电路、抢答按键、报警电路、编码电路、优先锁存电路、译码电路、显示电路。在抢答准备阶段,主持人会按复位键数显为”0”态.正是这种情况下,抢答开始.抢答开始时开始计时，显示器上会出现最先抢答选手的编号。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的编号，扬声器持续发生。主持人可按复位键，新一轮抢答开始。6图3-1 电路原理方框图4 设计原理与功能说明4.1 元器件选用原理1. 集成芯片的选择选用的芯片应具有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且可直接驱动LED显示器。CD4511是一种在市场上很普遍的一种集成电路，主要用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，引脚排列如图4-1-2所示。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，引脚排列如图4-1-1所示。其中A、B、C、D为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐。根据CD4511工作原理可得其真值表如图4-1-1所示。24图4-1-1 CD4511真值表图4-1-2 CD4511引脚排列图2. 多谐振荡器的选择多谐振荡器是本电路中重要的元器件之一。555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。本次课程设计我们选择则的多谐振荡器是NE555。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不相同。图4-2 555工作原理图 将NE555多谐振荡器与成音多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡，扬声器扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止振荡，此时扬声器无音频输出。53. 数码管的选择数码管种类繁多，在此就不逐个介绍。前面所选核心原件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。因此我们选择0.5寸共阴极数码管。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。0.5寸共阴极数码管各引脚及其工作原理如图4-3所示：7图4-3数码显示管的结构及工作原理4.2 总体电路原理抢答器讯响电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。R16没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声。S1-S8组成1-8路抢答键，D1-D12组成数字编码器，任一抢答案键按下，都须通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端，从CD4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的D，C，B，A位（D为高位，A为低位，即D，C，B，A分别代表BCD码8，4，2，1位）。设S8键按下，高电平加到CD4511的6脚，而2，1，7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码这“1000”。又如设S5键按下，此时高电平通过两只二极管D6，D7加到CD4511的2脚与7脚，而6，1脚保持低电平。此时CD4511输入的BCD码是“0101”依此类推，按下第几号抢管键，输入的BCD码就是键的号码并自动地由CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住，同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路可完成这一功能，当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”.则CD4511的输a，b，c，d，e，f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这10个数字的分析（见CD4511真值表）可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平而g为低度电平，这时Q1导通，D13，D14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚，即LE端为低电平“0”。这种状态下，CD4511没有锁存而允许BCD码输入，在抢答准备阶段，主持人会按复位键数显为“0”态。正是这种情况下，抢答开始。当S1-S8任一键按下时，CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使CD4511的LE端(第5脚)由0到1，反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a，b，c，d，e，f，g七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码之显示状态。例如S1按下，数码管应显示1，此时仅e，f为高电平，而d为低电平。此时三极管Q1的基极亦为低电平，集电极为高电平.经D13加至CD4511第5脚，即LE由0-1状态。则在LE为“0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据,被判定优先而锁存。所以数码管显示对应S1送来的信号是1，S1之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答,主持人顺先按下复位键S9，清除锁存器内的数值，数显先是熄灭一下，再复“0”显状态，此后若S5键第一个按下，这时应立即显“5”。与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平(10脚d为低电平，12脚b为低电平，Q1截止)，并通过D14使CD4511的第4脚为高电平。此时LE呈“0”“1”状态。于是电路判定优先锁存。后边来的其它按键信号被封住,可见电路“优先锁存”后,任何抢答键均失去作用。4下面4-4是八路抢答器电路图，电路中元器件：555为多谐振荡器，555系列IC种类繁多，本次选用的是NE555。D1D18是型号为4148的二极管。图4-4 总体电路原理图5 单元电路设计5.1 NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路图5-1 NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。C1=0.01，R16没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，报警电路都能振荡发出讯响声。5.2 复位键与抢答键的工作原理由4-4总体电路原理图知，S9为复位键，S1S8为抢答建。操作时，按下复位键抢答开始。如若S1S8在不用时刻向数码管发出按键信号，由于D14与CD4511的优先锁存原理，数码管上会显现出最先发出按键信号的相应数字代码。对于后来的按键信号则会被封存，从而达到抢答的目的。当再次按下复位键，下次抢答开始。6 仿真与电路的连接6. 1 电路的连接电路的连接也是课程设计中的一个重要环节，连接电路时要判断好电路的正负极、三极管的集电极、发射极、基极。同时要注意核心原件NE555、CD4511各管脚的作用。电路之间的连接不要短路。连接后反复检查，如有错误及时改正，确保无误时再接通电源。6. 2 电路的仿真选用multisim进行仿真时，又用了proteus元件库中英对照软件。在同学与老师的帮助下，勉强做好了仿真图。图6-1电路仿真图7 实训报告这次课程设计我选的课题是运用数电知识设计一个八路抢答器，共用了两周时间。以前都是学习的理论知识，从没付诸过实践，这次课程设计使我有机会使我学到的理论知识在实践中验证。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。很多原件在课本上曾经遇到过，但具体用法还是要查找更多资料。直到最后引脚的连接，各个引脚的用法都要仔细研究。设计电路的过程，从网上查找资料犹如海里捞针，考虑到自身知识还有一定的欠缺，我选择了一种比较简单的方案，方案虽简单，但原理要掌握清楚，否则很难成功。然后就是选用multisim进行仿真。在仿真时，有些元件不是特别熟悉，我借助于proteus元件库中英对照软件，最后实现了仿真。对于仿真这一块，确实有一定的难度，但我相信，经过多次训练一定能把仿真技术提上去。我很感谢这次课程设计，不仅巩固了理论知识，更拓展了我的实际操作能力。虽然我没有做到最好，但我一直努力做到更好。两周已过去，我也得到了回报。不仅仅是知识的提高，还有我的动手能力都有了很大的提高。我相信这次课程设计也会为未来的工作来一定的帮助。参考文献1刘建清. 从零开始学数字电子技术M.北京：国防工业出版社，2007.1，7-118-04876-3.2杨刚，周群.电子系统设计与实践M. 北京：电子工业出版社，2004.1，7-5053-9593-9.3唐程山.电子技术基础M. 高等教育出版社, 2004.4，978-7-04-014657-8.4 江晓安，董秀峰. 数字电子基础（第3版）M. 陕西：西安电子科技大学出版社，2008.189192.5 张瑜璞.电子技术课程设计. 北京：北京理工大学出版社，1994.6 杨力，文刚.电子技术课程设计. 中国电力出版社，2009.7 夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程. 北京：北京希望电子出版社，2002.8 周惠潮. 常用电子元件及典型应用M. 北京：电子工业出版社，2005.附件一：元器件清单序号元件名称参数数量1电阻10k82.2k13607100k12电容100F147F1104110313二极管4148194三极管901315微动开关6*6*696ICNE5551CD451117数码管0.5寸共阴18扬声器19电池盒5#4节1附件二：实物图