数电课程设计八路抢答器

《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...................................................................................95.1NE555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....................................................................................1411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2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。3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，4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。a～g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。[2][4]图4-1-1CD4511真值表图54-1-2CD4511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4-2555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6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。[5]3.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NE555IC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7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