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数字电路课程设计报告 定时抢答器

数字电路课程设计报告 定时抢答器

数字电路课程设计报告
设计课题题目: 设计课题题目:定时抢答器
黎明大学电子工程系

专业 班级 成员学号 小组成员: 指导教师: 设计时间:

应用电子技术

题目:定时抢答器 题目:定时抢答器

一,设计目的
掌握译码器,十进制加/减计数器的逻辑功能和工作原理,设计可预置时间的定时电 路;分析与设计时序控制电路.画出定时抢答器的整机逻辑电路图,掌握智力抢答器的 工作原理及其设计方法,并对各种元器件的功能和应用有所了解.并能对其在电路中的 作用进行分析.另外还要掌握电路原理和分析电路设计流程,每个电路的设计都要有完 整的设计流程.这样才能在分析电路是有良好的思路,便于查找出错的原因.

二,设计要求
1 抢答器同时供 4 名选手或 4 个代表队比赛,分别用 4 个按钮 S1 ~ S4 表示. 2.设置一个系统清除和抢答控制开关 R,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,并在 LED 数码管上 显示, 同时扬声器发出音乐提示.先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为 止. 4. 抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设定(如 30 秒) .当主持人启 动"开始"键后,定时器进行减计时,在枪答时间内,选手枪答成功,这时计时器停止计时 工作,显示器上显示参赛者的编号,保持到主持人按复位键为止.当规定时间到,仍无 人枪答时,本次枪答无效,扬声器报警发出声音,并禁止枪答,计时器显示〃00〃.

三.方案设计与论证 抢答器的组成方框图为: 抢答器的组成方框图为:

a f e g d b c f e

a g d b c f e

a g d b c LS? SPEAKER

LED S? SW-PB S? SW-PB S? SW-PB S? SW-PB

LED

LED

抢抢高抢

倒倒定高抢

CP

声声高抢

S? SW-PB

为为高抢

-2-

2

设计的方案有以下三种:
方案一:用 CD4511 ,CD4068 各一个电阻,开关,三级管和二级管若干及七段显示器构 成抢答电路.本电路的控制方法是利用开关进行输入编码当按键第一次就接下时, 输出由 1111110 变为所接下的键值的 BCD 编码经 4068 8 输入与门和一个三级管控制 后输出 CD4511 第五脚使其从底电平变为高电平, 从而锁住 CD4511, 实现枪答功能. 记数器利用两个 CD40110 和 CD4011 组合成 30 秒的加法记数器,此电路原理简单, 制作方便,但显示不为倒计时,观看比较不直接. 方案二:采用 CD40175 四 D 触发器,CD4511,CD4081 四 2 输入与门各 1 个电阻开关, 二级管若干,构成枪答器,本电路工作原理也利用开关与二级管结合做编码用.同 时在按钮按下的时候也发出一个脉冲到 CD40175 的 CP 输入端, 使其输出在 CP 脉冲 下翻转,利用四 D 触发器的四个(Q 反)经 CD4081 与门后控制 CD40175 的 CP 脉 冲使其电路锁住封锁按键禁止抢答.倒计时电路采用 CD4510 与 CD4511 配合. 本电路有两部分组成, 方案三:由 CD4043 一个,电阻,二级管,开关若干组成.CD4043 是一快内部由 4 个高 电平有效的 RS 触发触发器组成.当 4 个输出端有其中一个被按下时,CD4023 相应 的输出端经三级管的编码输出到数码显示器使其显示当前按下的按钮组.从数码显 示器的 b 笔段引出一个公共的信号给三级管的反向接到开关的控制端,禁止抢答. 把 CD4043 的四个 CR 清零接在一起,接个电阻到地,并接一个开关到电源,按动此 开关则输出清零.电路进入下一次抢答准备.

本电路采取方案三!

四,设计原理和电路图如下
1:抢答电路
该电路的根本任务是准确的判断出第一抢答者的信号并将其锁存.实现这一功能 可用触发器和锁存器等. 在得到第一信号后应立即将电路的输入封锁, 即使其他组再 次发出抢答信号也无效. 同时还必须注意, 第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令 之后才有效.当电路形成第一抢答信号之后,用编码,译码及数码显示电路显示出抢 答者的组别, 也可以用发光二级管直接指示出组别 (这里我们采用 LED 数码管显示) . 同时用第一抢答信号控制一个音乐芯片工作, 使其推动扬声器发出声响, 表示该题抢 答有效.本电路用一个 CD4043RS 触发器和 LED 数码管显示器组成,可以将四位抢 答者的按钮通过译码,驱动 LED 数码管显示器显示出他们最先抢答者的序号.而时 序控制电路的功能是当参赛选手按动抢答器时, 使音乐芯片工作扬声器发声, 这时抢 答电路和定时电路停止工作.

-3-

3

A
R18

S1 S2 S3 S4 R
S3 S4 S5 S6 S7 SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB 16 5

RES2

Q5 D1 NPN1 DIODE D2 D3 DIODE D4 DIODE DIODE D6 DIODE DIODE D7 D8 DIODE D10 D11 DIODE RES2 R19 DIODE DIODE D9 DIODE 2 3 6 7 5 1 4 DS10 b DPY a c f f b g g e e c d a d [LEDgn] CRYSTAL

U1 cd4043 Q0 2

GND R3 RES2 1 R8RES2 D5

3 7 11 15 4 6 12 14

R0 R1 R2 R3 S0 S1

V CC

EN

Q3

Q1 S2 S3 GND Q2

9

R7 RES2

10

R6 RES2

R9 R10 R11 R12 R13 RES2 RES2 RES2 RES2 RES2

8

b

抢抢高抢 按R进秒抢抢进进进定,B点点点高高,A点点高高高 按S1-S4抢抢抢,B点点高高高,A点点点高高 B秒秒高高高抢输输抢抢(点为为为))

(2)倒计时电路
该电路的采用 CD40110 做为个位数计时,它是一个十进制加减法译码显示计 数器.十位数采用 CD40192 可预置加减法 BCD 计数器,输出经七段 LED 译码器 CD4511 使数码显示器工作.在 CD40192 的可预置端用两个单刀双掷开关控制, 实现时间 10 秒,20 秒,30 秒可调的功能.

-4-

4

DPY a f e g b f e

DPY a g b

c d [LEDgn] a b c d e f g 1 2 3 4 5 6 7

c d [LEDgn] a b c d e f g 1 2 3 4 5 6 7

13 12 11 10 9 15 14

D10 Port D11 DIODE 8 5 GND 11 12 13 1 2 8 1 15 14 13 12 3 2 U3A 4073 U3C 4073 10 9 5 4 6 4011 D15 DIODE DIODE U4B DIODE D12

U2 A B C D E F G VCC 16 3 4 VCC 4511 LT BI A B C D GND LE

定定定定定
GND

R? RES2

3 2 6 7

7 1 2 6

13 R? RES2 12

TCD TCU

U5

40192 VCC PL

CPU CPD

10 VCC 5 16 4 11

O-0 O-1 O-2 O-3

1 15 14 13 12 3 2

10 16 11

U6

40110

7

7

CP
6

U3B

5 4 3

抢抢

P0 P1 P2 P3 MR GND

1HZ脉脉秒秒

4073

15 1 10 9 14 8

11

16

6 8 4 9

SW SPDT S2 SW SPDT Q6 NPN1 GND R22 RES2 R23 RES2

高高高复复

R20
复复

RES2

(3)1HZ 脉冲产生电路 该电路的采用 555 定时电路. 定时电路是一种电路简单且多用途的单片中规模集成电 555 路.该电路使用灵活,方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳,多谐和施密特触发 器.因而要波形的产生与变换,测量与控制,家用电器和电子玩具等等许多领域中都得到了 广泛的应用.
VCC R21 1K R42 15K RV1 7 100K CVolt TRIG TH R GND 2 6 C1 10U DIS VC C R 4 8

5

S1

抢抢抢抢秒秒 秒脉脉秒秒

6 8 4 9

5

U7

A55

Q

3

OUT

555 5 GND 1

-5-

5

四:声响电路 电路原理如下图所示,该电路分有两部分,一个是抢答成功提示为音乐提示音,另一个是时 间接近及时间到提示它利用 CD4011 和 555 芯片组成的组合逻辑电路控制蜂鸣器发出声音.
VCC C?

B

B CAP R? RES2 Q? NPN1 1 VCC 4 LS? SPEAKER 2 Q? NPN1

A C? ELECTRO1 GND VCC 14 U4A GND VCC 3 4011 7 9 8 4011 U4C 3 GND

RES2 OUT

R? RES2 R? RES2

CD40192 Q0 CD40192 Q1

D17 1 D19 DIODE DIODE 2

VCC 10 R40 RES2 R41 RES2 D18 DIODE Q9 NPN1 VCC GND R45 RES2

U?

CP

蜂蜂蜂
BUZZER Q10 NPN1 GND

GND

声声

R43 RES2 D16 7 DIODE

4

8

U8 R DIS VCC D20 Q TRIG THR GND 2 6 CAP R44 RES2 C2 CAP CVolt 3 DIODE 555

定定定定定

C4 Port

延延

5

C3 CAP GND

五,硬件制作与调试
组装时分抢答与倒计时分两部份,经过接后调试,发现抢答单元在接下按钮时没有显示, 经仔细检查及调试阅芯片资料后发现 CD4043 的输出驱动能力底, 只有几毫安, 只能增加电压 放大电路,为不更改太多电路,我们采用两极三级管放大(因为一级放大为反相,LED 数码 管不支持)电路经修改后,实现抢答功能. 计时电路方面发现倒计时,电路不能停止,经测量发现 CD40192 的错位输出端的脉冲为一个 很窄脉冲,因此不能封锁 CP 脉冲于是增加一个芯片及数个二级管经过计时到判断.经改动过 后,总体电路为:

-6-

1

6

A
抢抢

复复

复复
VCC D1 R5 R4 R2 R1 RES2 RES2 RES2 RES2 DIODE 16 5 D5 Q11 PNP1 DIODE D6 DIODE DIODE D7 D8 Q14 PNP1 DIODE Q12 D10 PNP1 DIODE D11 Q5 R19 DIODE RES2 DIODE DIODE D9 Q13 PNP1 CRYSTAL D3 DIODE D4 DIODE R18 RES2 D2

S3 S4 S5 S6 S7 SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB

U1 cd4043 R17 2 RES2 R14 GND NPN1 Q4 RES2 R15 Q1 RES2 R16 Q2 RES2 NPN1 GND NPN1 10 RES2 R6 Q1 GND 9 RES2 R7 Q2 NPN1 GND RES2 1 R8RES2 R3 NPN1 Q3 Q0

2 3 6 7 5 1 4

DS10 DPY b a c b f f g g e e c d a d [LEDgn]

3 7 11 15 VCC Q3 8 GND EN

R0 R1 R2 R3

4

S0

6

S1

12

S2

14

S3

R9 RES2

R10 RES2

R11 RES2

R12 R13 RES2 RES2

B

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

13 12 11 10 9 15 14

A B C D E F G

8

4

4

VCC 4511 LT BI LE GND D14 U3C 4073 1 15 14 13 12 3 2 D13 DIODE 3 2 6 7 DIODE TCD TCU P0 P1 P2 P3 MR GND PL VCC CPD 4 11 6 8 4 9 5 11 U5 40192 CPU U6 5 16 16 O-0 O-1 O-2 O-3 1 15 14 13 12 3 2 10 10 40110 7 7 5 U3A 4073 10 9 A B C D

R

VCC

14

U4C D19 DIODE DIODE 13 12

9

3

7 1 2 6

GND VCC

GND

CVolt

5

6

7

1

声声

R41 RES2 4011

CP
5

U3B 6

DIODE

Q9

GND

5 4 3 4073

抢抢

GND

8

4

NPN1 15 1 10 9 14 8 11 16 S1 SW SPDT S2 SW SPDT Q6 NPN1 GND
复复

5

R

GND

6 8 4 9

VCC

GND

CVolt

1

复复
R20 RES2

GND C3 CAP GND

延延

5

-7A? * DPY a f g c d [LEDgn] a b c d e f g U4D 11 12 4011 GND 8 D12 D15 DIODE DIODE U4B 4011 e g c d [LEDgn] a b c d e f g e b f b DPY a A? *

B
R24 RES2

13 R21 VCC RES2 R42 RES2 A? COMPONENT_2 U7 DIS 3 Q 7 RV1 POT2

Port

定定定定定

U2 16 3 4 D17 11 12 13 1 2 8

VCC

U4A 1

R40 RES2

10

2

1HZ脉脉脉脉
TRIG THR 2 6 555 C1 CAP R43 RES2 VCC U? DIS R23 RES2 3 R45 声声 RES2 BUZZER Q10 NPN1 D18 DIODE Q TRIG THR 555 2 6 CAP C2 CAP R44 RES2 U8 7 D16 DIODE C4

8

D20

CP

4011

R22 RES2

7

六,设计总结
在此次电路设计时发现了设计的问题,如扇出数,这是这次设计不能顺利完 成的原因,另外还要了解到 CD4000 系列到芯片不能与 7400 系列芯片配合使用, 因为其输入输出的电平不匹配,会导致电路的工作不稳定!

七,参考文献
百度网站 www.baidu.com 电子芯片质料网 www.alldatasheet.com 数字电路逻辑与设计 数字电子技术基础实验 通用集成电路速查手册

-8-

8


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