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1、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 授课：XXX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9授课：XXX6.2 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14授课：XXX1
2、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
3、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。授课：XXX此方案主要由抢答电路、定时电路、报警电路、
4、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
5、。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、
6、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。授课：XXX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
7、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。授课：XX
8、Xag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真值表图授课：XXX4-1-2 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
9、定度、省电、可产生的振荡频率也不相同。图4-2 555工作原理图授课：XXX 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
10、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
11、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码这授课：XXX“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
12、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BC
13、D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为低电平授课：XXX。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
14、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
15、的是NE555。D1D18是型号为4148的二极管。图4-4 总体电路原理图授课：XXX5 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
