八路数显抢答器.docx
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八路数显抢答器.docx
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八路数显抢答器
1课程设计目的
了解CD4511八路数显抢答器的结构组成和工作原理,初步掌握八路智能抢答器的调整及测试方法,提高实践动手能力和思考问题的能力。
巩固以前学习的理论知识,建立逻辑数字电路的理论和实践的结合,了解八路智能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响。
2课程设计的任务与要求
2.1课程设计的任务
设计出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的八路数显抢答器。
2.2课程设计的要求
(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)设置一个系统清除和抢答控制开关S2,该开关由主持人控制。
(3)抢答器具有锁存与显示功能。
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清除为止。
3设计方案与论证
3.1方案
原理:
在选手抢答前,“清除/起始”开关S使基本RS触发器输出端Q为0,使集成8线-3线优先编码器禁止;当主持人按下“清除/起始”开关S时,基本RS触发器输出端Q为1,与优先扩展输出端Yex共同作用,使集成8线-3线优先编码器选通输入端ST为0,允许编码,等待数据输入。
此时优先按动序号的组号立即通过编码器按BCD421码输出,经RS锁存器74LS279将该数码锁存到LED显示器上。
与此同时,Yex(引脚为14)由1翻转为0,与非门G1输出为1,选通输入端ST为1,编码器被禁止。
此外,在Yex由1翻转为0时,还驱动报警电路工作,发出声音。
图3-1电路仿真图
3.2方案比较
在上方案中,它有自身的优点,即基本RS触发器又相当一锁存器(74LS279),它可以对主持人的指令进行进一步的锁存,这样就可以增强它的抗干扰能力,但其线路过于复杂,另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高,而且在布局和焊接上要越精练越好,所以它不是首选方案。
而由于方案二已能满足基本设计和提高设计的要求,而且它的原理更简单易懂,直观明了,元件更少,连线更方便,焊接更可靠,且比较容易实现,所以最终选用了此方案。
4设计原理及功能说明
4.1设计原理
如图4-1所示为抢答器的结构框图。
电路完成了基本的抢答功能,即开始抢答后,当选手按动抢答键时,能显示选手的编号,同时能封锁输入电路,禁止其他选手抢答。
而报警电路则是起到提示作用。
其工作原理为:
接通电源后,当主持人按下复位键,宣布"开始"抢答器工作。
选手即可开始抢答,当选手按下抢答键后,抢答器完成:
编码、优先锁存、译码、数码显示。
当一轮抢答之后,只有主持人按下复位键,才能进行下一轮抢答,否则抢答无效。
4.2设计原理图
总体原理图通过对电路的一些功能需求分析,我们运用了Protel99SE软件对电路图进行了设计,将抢答器工作原理电路图设计出来,如图4-1所示。
4-1抢答器工作原理电路图
5单元电路的设计
八路智能抢答器主要由数字编码电路、译码\优先\锁存驱动电路、数码显示电路和报警电路组成。
现简单介绍八路智能抢答器设计中的各单元电路的设计的情况。
5.1抢答器设计中的数字编码电路
参考电路如图5-1所示,S1—S8组成1—8路抢答器,D1—D12组成数字编码器。
该电路完成的功能是:
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这高位,A为低位,即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位)。
工作过程:
当电路上电,主持人按下复位键,选手就可以开始抢答。
当选手1按下S1抢答键,高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚(A位),7脚为高电平,1、2、6脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0001”;当选手2按下S2抢答键,高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚(B位),1脚为高电平,2、6、7脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0010”;当选手3按下S3抢答键,高电平通过编码二极管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7脚(B、A位),1、7脚为高电平,2、6脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0011”;当选手4按下S4抢答键,高电平通过编码二极管D5加到CD4511集成芯片的2脚(C位),2脚为高电平,1、6、7脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0100”;当选手5按下S5抢答键,高电平通过编码二极管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7脚(C、A位),2、7脚为高电平,1、6脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0101”;当选手6按下S6抢答键,高电平通过编码二极管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2脚(B、C位),1、2脚为高电平,6、7脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0110”;当选手7按下S7抢答键,高电平通过编码二极管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7脚(B、C、A位),1、2、7脚为高电平,6脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“0111”;当选手8按下S8抢答键,高电平加到CD4511集成芯片的6脚(D位),6脚为高电平,1、2、7脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“1000”。
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
图4-1数字编码系列电路
图5-1数字编码系统电路
5.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路
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,特点:
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。
可直接驱动LED显示器。
(1)、CD4511的引脚图
图5-2CD4511的引脚图
各引脚的名称:
其中7、1、2、6分别表示BCD码的A、B、C、D位;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;上边的引脚表示输入,下边的引脚表示输出;还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
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”。
如果该端为低电平,则译码器输出全为高电平,该端拥有最高级别权限,只要它为0,既有上述现象,而与其余所有输入端状态无关。
这一功能主要用于测试目的,因此正常使用中应接高电平。
LE:
5脚是锁定控制端。
当BI、LT为1时,若该端为高电平,则加在A、B、C、D端的外部编码信息不能进入译码,所以译码器的输出状态保持不变;当LE=0时,则A、B、C、D端的BCD码一经改变,译码器就立即输出新的译码值。
A、B、C、D:
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。
图5-3CD4511内部电路图
(2)、译码驱动功能、
编码器实现了对开关信号的编码,并以BCD码的形式输出,为了将输出的BCD码能够显示出来,需要用译码显示电路,选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。
CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输
入端与非门对输入数据B、C进行组合,得出四项。
(3)、锁存优先功能
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(见图5-2-5CD4511真值表)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的输出端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(见图5-2-3锁存优先功能电路图)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的第5脚(即LE端)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码的显示状态。
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端),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,主持人需要按下复位键S9,清除锁存器内的数值,数显先是熄灭一下,再复显“0”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,后边输入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
图5-4锁存优先功能电路图
5.3抢答器设计中的数码显示电路
共阴式LED数码管的原理图(图5-3-1数码显示管原理图),使用时,共阴极接地,7个阳极a~g由相应的BCD七段译码器来驱动。
数码管接0.5寸共阴数码管。
5.4抢答器设计中的报警电路
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NE555IC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。
由NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路如图5-4-1所示。
其中555构成多谐振荡器,振荡频率fo=1.43/[(RI+2R2)C],其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号,当PR为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。
555构成的多谐振荡器的工作原理如图3-4-2所示:
接通电源Vcc后,Vcc经电阻R1和R2对电容C充电,其电压uc由0按指数律上。
当uc≧2/3Vcc时,电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0,Q等于0,Q非等于1,输出uO跃到低电平UOL。
于此同时。
放电管V导通,电容C经电阻R2和放电管V放电,电路进入暂稳态。
随着电容C的放电,uc随之下降。
当uc下降到uc≦1/3Vcc时,则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0,基本RS触发器被置为1,Q等于1,Q非等于0,输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。
同时因Q非等于0,放电管V截止,电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。
电路又回到第一暂稳态。
因此,电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电,从而使电路产生振荡,输出矩形脉冲。
6硬件的制作与调试
6.1硬件的制作
通过实验原理图进行实物焊接,焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性:
各个芯片的引脚功能不能混淆,必须了解各个芯片的使用方法,内部结构以及使用时的注意事项,该接电源的一定要接电源,该接地的一定要接地,且不能有悬空。
同时在电路板上要预先确定电源的正负端,便于区分及焊接。
正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录,以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏,同时确保整个电路的正确性。
在焊接完后每块芯片都用万用表检测,看是否有短接等,还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了,这样才有利于在调试过程中检查电路。
6.2硬件的调试
调试工作是个精细工作。
在调试过程中有些问题是芯片本身损坏引起的,也有些是因为接线题引起的等,因此排查过程需要特别有耐心,通过对芯片功能的检验、对线路的检查、最后检查出问题所在。
当最后解决问题时,电路的正确是非常振奋,也很有成就感和满足感。
7总结
本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合,既考查了同学对理论知识的掌握程度,由反映了实际动手能力,更主要的是考查了同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力,为今后的发展提供了一次良好的学习环境。
针对课设题目八路抢答器,一开始还没有头绪,不会运用所学知识进行有效设计,但通过上网查阅各种类似的设计,去图书馆翻阅相关设计书籍,查阅所提供的芯片功能,确定基本设计方案,又通过仿真验证试验方案的可实行性,虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。
同时也使自己认识到:
设计思路是整个设计的灵魂,焊接制作必须精益求精。
总之,在设计过程中学到了许多。
作为现代的大学生,如果仅停留在以往的层次上,是远远跟不上时代的步伐,也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里,通过此次实习,看到了自己的水平和差距,学要在今后的学习中又进一步的提高。
总之在设计过程中学到了许多。
作为现代的大学生如果仅停留在以往的层次上是远远跟不上时代的步伐也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里通过此次实习看到了自己的水平和差距学要在今后的学习中进一步提高。
参考文献
【1】钱培怡.电子电路实验及课程设计.西安电子科技大学出版社.1992
【2】王毓银.数字电路逻辑设计(第三版).高等教育出版社.1999
【3】陈有卿.集成电路妙用巧用300例.人民邮电出版社.1999
【4】谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.2000
【5】高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002
【6】赵保终.中国集成电路大全(TTL集成电路).国防工业出版社
【7】周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社
附录1:
电路总原理图
实物图
附录2:
元器件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
集成电路
CD4511
1
2
集成电路
NE555
1
3
七段数码管
共阴极
1
4
电阻
10K
8
5
电阻
2.2K
1
6
电阻
100K
1
7
电阻
300K
7
8
二极管
1N4148
18
9
三极管
9013
1
10
瓷电电容
103
1
11
瓷电电容
104
1
12
电解电容
100u
1
13
电解电容
47u
1
14
扬声器
1
15
电源开关
8
16
导线
若干
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- 八路 抢答