數(shù)電課程設(shè)計(jì)八路搶答器.doc

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《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(jí) 11級(jí)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 1 2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 1 3 設(shè)計(jì)方案與論證 1 3.1 方案選擇與論證 1 3.2 搶答器的原理方框圖 2 4 設(shè)計(jì)原理與功能說明 3 4.1 元器件選用原理 3 4.2 總體電路原理 6 5 單元電路設(shè)計(jì) 9 5.1 NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成的報(bào)警電路 9 5.2 復(fù)位鍵與搶答鍵的工作原理 9 6 仿真與電路的連接 9 6.1 電路的仿真 9 6.2 電路的連接 10 7 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(jiǎn)單數(shù)字電路搶答器的基本工作原理，學(xué)會(huì)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(shí)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(huì)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(jiǎn)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(jìng)賽活動(dòng)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(huì)顯示最先搶答選手的編號(hào)。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(hào)，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(dòng)電路，由數(shù)碼顯示電路和報(bào)警電路組控制信號(hào)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(hào)，采用了74LS279芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)號(hào)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(hào)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(hào)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(gòu)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(dòng)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(hào)在數(shù)碼顯示管上輸出，用報(bào)警電路對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電路,從而代替方案一種74LS48、74LS279、74LS192等芯片的功能。無論在購(gòu)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(huì)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(huì)出現(xiàn)最先搶答選手的編號(hào)。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(hào)，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(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流且可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。CD4511是一種在市場(chǎng)上很普遍的一種集成電路，主要用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)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4-1-1 CD4511真值表圖 4-1-2 CD4511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(hào)。 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(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)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4-2 555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(dòng)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(dòng)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NE555 IC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(yáng)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(duì)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(hào)搶管鍵，輸入的BCD碼就是鍵的號(hào)碼并自動(dòng)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(hào)鎖存住，同時(shí)數(shù)碼顯示并拒絕后面搶答信號(hào)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(duì)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(yáng)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(huì)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(hào)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(duì)應(yīng)S1送來的信號(hào)是1，S1之后的任一按鍵信號(hào)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?gòu)?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(hào)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(hào)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) 5.1 NE555接成音多諧振蕩器構(gòu)成的報(bào)警電路 圖5-1 NE555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NE555 IC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(yáng)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(hào)，由于D14與CD4511的優(yōu)先鎖存原理，數(shù)碼管上會(huì)顯現(xiàn)出最先發(fā)出按鍵信號(hào)的相應(yīng)數(shù)字代碼。對(duì)于后來的按鍵信號(hào)則會(huì)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(kù)中英對(duì)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(shí)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(shí)，從沒付諸過實(shí)踐，這次課程設(shè)計(jì)使我有機(jī)會(huì)使我學(xué)到的理論知識(shí)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(shí)還有一定的欠缺，我選擇了一種比較簡(jiǎn)單的方案，方案雖簡(jiǎn)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proteus元件庫(kù)中英對(duì)照軟件，最后實(shí)現(xiàn)了仿真。對(duì)于仿真這一塊，確實(shí)有一定的難度，但我相信，經(jīng)過多次訓(xùn)練一定能把仿真技術(shù)提上去。 我很感謝這次課程設(shè)計(jì)，不僅鞏固了理論知識(shí)，更拓展了我的實(shí)際操作能力。雖然我沒有做到最好，但我一直努力做到更好。兩周已過去，我也得到了回報(bào)。不僅僅是知識(shí)的提高，還有我的動(dòng)手能力都有了很大的提高。我相信這次課程設(shè)計(jì)也會(huì)為未來的工作來一定的幫助。  參考文獻(xiàn) [1]劉建清. 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