數(shù)電課程設(shè)計(jì)八路搶答器

......《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)題目八路搶答器專業(yè)班級11級通信工程三班院〔系信息工程學(xué)院完成時(shí)間2013年11月28日目錄1課程設(shè)計(jì)的目的12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求13設(shè)計(jì)方案與論證13.1方案選擇與論證13.2搶答器的原理方框圖24設(shè)計(jì)原理與功能說明34.1元器件選用原理34.2總體電路原理65單元電路設(shè)計(jì)95.1NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成的報(bào)警電路95.2復(fù)位鍵與搶答鍵的工作原理96仿真與電路的連接96.1電路的仿真96.2電路的連接107實(shí)訓(xùn)報(bào)告10參考文獻(xiàn)12附件一：元器件清單13附件二：實(shí)物圖14......1課程設(shè)計(jì)的目的通過這次課程設(shè)計(jì),主要了解簡單數(shù)字電路搶答器的基本工作原理,學(xué)會設(shè)計(jì)與分析優(yōu)先編碼電路、數(shù)碼顯示電路、報(bào)警電路,在鞏固數(shù)電知識的基礎(chǔ)上,提高自身邏輯思維能力,拓展實(shí)際操作能力,同時(shí)學(xué)會利用團(tuán)隊(duì)力量解決某些技術(shù)難關(guān)。從而正確設(shè)計(jì)出各個(gè)單元電路,并簡單掌握電路仿真技術(shù)。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求設(shè)計(jì)一個(gè)八路搶答器,以CD4511集成芯片為核心原件來實(shí)現(xiàn)功能要求,在搶答過程中,可以更好的精確選手搶答的先后。此搶答器主要運(yùn)用于競賽活動中。此搶答器可以容納八個(gè)選手,每個(gè)選手都有一個(gè)搶答按鈕。在主持人按下復(fù)位鍵宣布搶答開始的時(shí)候,選手就開始進(jìn)行搶答,在指定時(shí)間內(nèi)選手進(jìn)行搶答,數(shù)碼顯示屏上會顯示最先搶答選手的編號。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī),數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的編號,揚(yáng)聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按復(fù)位鍵,新一輪搶答開始。[1]3設(shè)計(jì)方案與論證3.1方案選擇與論證八路搶答器的關(guān)鍵部分是數(shù)字優(yōu)先編碼電路、鎖存/譯碼/驅(qū)動電路,由數(shù)碼顯示電路和報(bào)警電路組控制信號的產(chǎn)生。下面列出兩種方案：方案一：該方案采用了74LS148來實(shí)現(xiàn)搶答器的選號,采用了74LS279芯片實(shí)現(xiàn)對號碼的鎖存,采用了74LS192實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù),555芯片產(chǎn)生秒脈沖信號來共同實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí),采用了74LS121單穩(wěn)態(tài)芯片來實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號的輸出。此方案主要由搶答電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路、時(shí)序電路組成,在選用元器件時(shí),主要用到74LS279、74LS48、74LS148、74LS192、74LS121、74LS00、74LS20、NE555等。所用元器件復(fù)雜多樣,購買時(shí)麻煩,而且成本較大,增大了此方案實(shí)施難度。[3]方案二：該方案主要由數(shù)字優(yōu)先編碼電路、鎖存/譯碼/驅(qū)動電路于一體的CD4511集成電路、數(shù)碼顯示電路和報(bào)警電路組成。優(yōu)先編碼電路、CD4511集成電路將參賽隊(duì)的輸入信號在數(shù)碼顯示管上輸出,用報(bào)警電路對時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制,這樣就構(gòu)成了八路智能搶答器電路。八路數(shù)字搶答器電路包括搶答,編碼,優(yōu)先,鎖存,數(shù)顯,復(fù)位及搶答鍵。搶答器數(shù)字優(yōu)先編碼電路由D1-D12組成,實(shí)現(xiàn)數(shù)字的編碼。CD4511是一塊含BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動電路于一體的集成電路。搶答器報(bào)警電路由NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成。搶答器數(shù)碼顯示電路由數(shù)碼管組成,輸入的BCD碼自動地由CD4511內(nèi)部電路譯碼成十進(jìn)制數(shù)在數(shù)碼管上顯示。[8]與方案一相比,方案二有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。方案二選用元器件時(shí),用CD4511集成芯片實(shí)現(xiàn)了BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動電路,從而代替方案一種74LS48、74LS279、74LS192等芯片的功能。無論在購買原件或焊接過程中都省去了很多麻煩。比較之后,本次課程設(shè)計(jì)我選用的是方案二。3.2搶答器的原理方框圖該電路包含八個(gè)組成部分〔如圖3-1所示,分別是復(fù)位鍵、控制電路、搶答按鍵、報(bào)警電路、編碼電路、優(yōu)先鎖存電路、譯碼電路、顯示電路。在搶答準(zhǔn)備階段,主持人會按復(fù)位鍵數(shù)顯為"0"態(tài).正是這種情況下,搶答開始.搶答開始時(shí)開始計(jì)時(shí),顯示器上會出現(xiàn)最先搶答選手的編號。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī),數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的編號,揚(yáng)聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按復(fù)位鍵,新一輪搶答開始。[6]圖3-1電路原理方框圖4設(shè)計(jì)原理與功能說明4.1元器件選用原理1.集成芯片的選擇選用的芯片應(yīng)具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流且可直接驅(qū)動LED顯示器。CD4511是一種在市場上很普遍的一種集成電路,主要用于驅(qū)動共陰極LED〔數(shù)碼管顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器,引腳排列如圖4-1-2所示。CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動共陰極LED〔數(shù)碼管顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器,引腳排列如圖4-1-1所示。其中A、B、C、D為BCD碼輸入,a為最低位。LT為燈測試端,加高電平時(shí),顯示器正常顯示,加低電平時(shí),顯示器一直顯示數(shù)碼"8",各筆段都被點(diǎn)亮,以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端,低電平時(shí)使所有筆段均消隱,正常顯示時(shí),B1端應(yīng)加高電平。另外CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn),當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9<1001>時(shí),顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端,高電平時(shí)鎖存,低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。a～g是7段輸出,可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。另外,CD4511顯示數(shù)"6"時(shí),a段消隱；顯示數(shù)"9"時(shí),d段消隱。根據(jù)CD4511工作原理可得其真值表如圖4-1-1所示。[2][4]圖4-1-1CD4511真值表圖4-1-2CD4511引腳排列圖2.多諧振蕩器的選擇多諧振蕩器是本電路中重要的元器件之一。555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC,只需少數(shù)的電阻和電容,便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。本次課程設(shè)計(jì)我們選擇則的多諧振蕩器是NE555。NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號,555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的,只是型號不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不相同。圖4-2555工作原理圖將NE555多諧振蕩器與成音多諧振蕩器連接起來,前一個(gè)振蕩器的輸出接到后一個(gè)振蕩器的復(fù)位端,后一個(gè)振蕩器的輸出接到揚(yáng)聲器上。這樣,只有當(dāng)前一個(gè)振蕩器輸出高電平時(shí),才驅(qū)動后一個(gè)振蕩器振蕩,揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器發(fā)聲；而前一個(gè)振蕩器輸出低電平時(shí),導(dǎo)致后面振蕩器復(fù)位并停止振蕩,此時(shí)揚(yáng)聲器無音頻輸出。[5]3.數(shù)碼管的選擇數(shù)碼管種類繁多,在此就不逐個(gè)介紹。前面所選核心原件CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動共陰極LED〔數(shù)碼管顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器。因此我們選擇0.5寸共陰極數(shù)碼管。所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的,在應(yīng)用中應(yīng)接地。0.5寸共陰極數(shù)碼管各引腳及其工作原理如圖4-3所示：[7]圖4-3數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)及工作原理4.2總體電路原理搶答器訊響電路由NE555接成音多諧振蕩器,其中R16=R17=10K,揚(yáng)聲器通過100UF的電容器接在NE555IC的3腳與地〔GND之間。R16沒有直接和電源相接,而是通過四只1N4148組成二極管或門電路,四只二極管的陽極分別接CD4511的1,2,6,7腳,任何搶答按鍵按下,訊響電路都能振蕩發(fā)出訊響聲。S1-S8組成1-8路搶答鍵,D1-D12組成數(shù)字編碼器,任一搶答案鍵按下,都須通過編碼二極管編成BCD碼,將高電平加到CD4511所對應(yīng)的輸入端,從CD4511的引腳可以看出,引腳6,2,1,7分別為BCD碼的D,C,B,A位〔D為高位,A為低位,即D,C,B,A分別代表BCD碼8,4,2,1位。設(shè)S8鍵按下,高電平加到CD4511的6腳,而2,1,7腳保持低電平,此時(shí)CD4511輸入BCD碼這"1000"。又如設(shè)S5鍵按下,此時(shí)高電平通過兩只二極管D6,D7加到CD4511的2腳與7腳,而6,1腳保持低電平。此時(shí)CD4511輸入的BCD碼是"0101"依此類推,按下第幾號搶管鍵,輸入的BCD碼就是鍵的號碼并自動地由CD4511內(nèi)部電路譯碼成十進(jìn)制數(shù)在數(shù)碼管上顯示。由于搶答器都是多路即須滿足多位搶答者搶答要求,這就有一個(gè)先后判定的鎖存優(yōu)先電路,確保第一個(gè)搶答信號鎖存住,同時(shí)數(shù)碼顯示并拒絕后面搶答信號的干擾。CD4511內(nèi)部電路與Q1,R7,R8,D13,D14組成的控制電路可完成這一功能,當(dāng)搶答鍵都未按下時(shí),因?yàn)镃D4511的BCD碼輸入端都有接地電阻〔10K,所以BCD碼的輸入端為"0000".則CD4511的輸a,b,c,d,e,f均為高電平,g為低電平。通過對0-9這10個(gè)數(shù)字的分析〔見CD4511真值表可以看到,只當(dāng)數(shù)字為0時(shí),才出現(xiàn)d為高電平而g為低度電平,這時(shí)Q1導(dǎo)通,D13,D14的陽極均為低電平,使CD4511的第5腳,即LE端為低電平"0"。這種狀態(tài)下,CD4511沒有鎖存而允許BCD碼輸入,在搶答準(zhǔn)備階段,主持人會按復(fù)位鍵數(shù)顯為"0"態(tài)。正是這種情況下,搶答開始。當(dāng)S1-S8任一鍵按下時(shí),CD4511的輸出端d為低電平或輸出端g為高電平,這兩種狀態(tài)必有一個(gè)存在或都存在,迫使CD4511的LE端<第5腳>由0到1,反映搶答鍵信號的BCD碼允許輸入,并使CD4511的a,b,c,d,e,f,g七個(gè)輸出鎖存保持在LE為0時(shí)輸入的BCD碼之顯示狀態(tài)。例如S1按下,數(shù)碼管應(yīng)顯示1,此時(shí)僅e,f為高電平,而d為低電平。此時(shí)三極管Q1的基極亦為低電平,集電極為高電平.經(jīng)D13加至CD4511第5腳,即LE由0-1狀態(tài)。則在LE為"0"時(shí)輸入給CD4511的第一個(gè)BCD碼數(shù)據(jù),被判定優(yōu)先而鎖存。所以數(shù)碼管顯示對應(yīng)S1送來的信號是1,S1之后的任一按鍵信號都不顯示。為了進(jìn)行下一題的搶答,主持人順先按下復(fù)位鍵S9,清除鎖存器內(nèi)的數(shù)值,數(shù)顯先是熄滅一下,再復(fù)"0"顯狀態(tài),此后若S5鍵第一個(gè)按下,這時(shí)應(yīng)立即顯"5"。與此同時(shí)CD4511的輸出端14腳g為高電平<10腳d為低電平,12腳b為低電平,Q1截止>,并通過D14使CD4511的第4腳為高電平。此時(shí)LE呈"0"—"1"狀態(tài)。于是電路判定優(yōu)先鎖存。后邊來的其它按鍵信號被封住,可見電路"優(yōu)先鎖存"后,任何搶答鍵均失去作用。[4]下面4-4是八路搶答器電路圖,電路中元器件：555為多諧振蕩器,555系列IC種類繁多,本次選用的是NE555。D1~D18是型號為4148的二極管。圖4-4總體電路原理圖5單元電路設(shè)計(jì)5.1NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成的報(bào)警電路圖5-1NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成的報(bào)警電路搶答器報(bào)警電路由NE555接成音多諧振蕩器,其中R16=R17=10K,揚(yáng)聲器通過100UF的電容器接在NE555IC的3腳與地〔GND之間。C1=0.01,R16

沒有直接和電源相接,而是通過四只1N4148組成二極管或門電路,四只二極管的陽極分別接CD4511的1,2,6,7腳,任何搶答按鍵按下,報(bào)警電路都能振蕩發(fā)出訊響聲。5.2復(fù)位鍵與搶答鍵的工作原理由4-4總體電路原理圖知,S9為復(fù)位鍵,S1~S8為搶答建。操作時(shí),按下復(fù)位鍵搶答開始。如若S1~S8在不用時(shí)刻向數(shù)碼管發(fā)出按鍵信號,由于D14與CD4511的優(yōu)先鎖存原理,數(shù)碼管上會顯現(xiàn)出最先發(fā)出按鍵信號的相應(yīng)數(shù)字代碼。對于后來的按鍵信號則會被封存,從而達(dá)到搶答的目的。當(dāng)再次按下復(fù)位鍵,下次搶答開始。6仿真與電路的連接6.1電路的連接電路的連接也是課程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),連接電路時(shí)要判斷好電路的正負(fù)極、三極管的集電極、發(fā)射極、基極。同時(shí)要注意核心原件NE555、CD4511各管腳的作用。電路之間的連接不要短路。連接后反復(fù)檢查,如有錯(cuò)誤及時(shí)改正,確保無誤時(shí)再接通電源。6.2電路的仿真選用multisim進(jìn)行仿真時(shí),又用了proteus元件庫中英對照軟件。在同學(xué)與老師的幫助下,勉強(qiáng)做好了仿真圖。圖6-1電路仿真圖7實(shí)訓(xùn)報(bào)告這次課程設(shè)計(jì)我選的課題是運(yùn)用數(shù)電知識設(shè)計(jì)一個(gè)八路搶答器,共用了兩周時(shí)間。以前都是學(xué)習(xí)的理論知識,從沒付諸過實(shí)踐,這次課程設(shè)計(jì)使我有機(jī)會使我學(xué)到的理論知識在實(shí)踐中驗(yàn)證。在這次設(shè)計(jì)中遇到了很多實(shí)際性的問題,在實(shí)際設(shè)計(jì)中才發(fā)現(xiàn),書本上理論性的東西與在實(shí)際運(yùn)用中的還是有一定的出入的,所以有些問題不但要深入地理解,而且要不斷地更正以前的錯(cuò)誤思維。電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈活的東西,它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力。它才是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在。因此在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中大部分時(shí)間是用在單元電路的理解和設(shè)計(jì)上面。很多原件在課本上曾經(jīng)遇到過,但具體用法還是要查找更多資料。直到最后引腳的連接,各個(gè)引腳的用法都要仔細(xì)研究。設(shè)計(jì)電路的過程,從網(wǎng)上查找資料猶如海里撈針,考慮到自身知識還有一定的欠缺,我選擇了一種比較簡單的方案,方案雖簡單,但原理要掌握清楚,否則很難成功。然后就是選用multisim進(jìn)行仿真。在仿真時(shí),有些元件不是特別熟悉,我借助于pr