四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 设计题目八路抢答器设计
专业: 微电子技术
班级: 微电08-1班
学号: 0865048
姓名: 罗荣
指导教师: 罗凌
二０一０年七月十日
四川信息职业技术学院毕业设计任务书
学生姓名
罗荣学号0865048 班级
微电
08-1
专业微电子技术设计题目八路抢答器的设计
指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注
罗凌讲师/工
程师
四川信息职业技术学院电子工程
系/电子技术应用
158********
设计内容：
本设计完成八路数字抢答器的设计，是由S１~S８开关阵列组成，当其中一人按下开关时，在LED上显示它的序号，且在LED上显示其抢答时间，若其中无一人抢答时报警电路不发出声响显示为零。该电路主要由八路抢答控制开关和主持人开关启动电路以及编码电路，译码与锁存显示电路和报警电路组成。
设计任务：
1．完成电路设计方案的选择并设计电路；
2．整机电路原理分析并正确选择电路元件；
3．绘制整机电路原理图并进行电路仿真或实物制作；
4．撰写较详细的设计说明书。
进度安排：
1．3～4周：消化课题，收集相关资料，选择参考方案；
2．5～6周：初步确定设计方案并熟悉部分器件的用途；
3．7～9周：划分功能模块，设计单元电路；
4．10～12周：分析电路原理，基本完成设计过程，撰写设计说明书初稿；
5．13～15周：修改、完善并调试设计电路，进行电路仿真或实物制作；
6．16～17周：按毕业设计的各项要求整理设计说明书并修改、完善，检查定稿；
7．18周：熟悉设计全过程，准备答辩。
参考文献
[1]邱寄帆、唐程山数字电子技术北京人民邮电出版社；2005
[2]黄永定电子线路实验与课程设计北京机械工业出版社；2005
[3]谢自美电子线路设计·实验·测试武汉华中科技大学出版社；2006
[4]高建新、雷少刚电子技术实验与实训北京机械工业出版社；2006
[5]张有礼、韩爱娟电子技术综合实训北京师范大学出版社；2005
[6]唐程山数字电子技术北京人民邮电出版社；2005
审批意见
教研室负责人：
年月日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。
四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)
目录
摘要 (1)
第一章绪论 (2)
第二章设计方案 (3)
2.1方案选择 (3)
2.2抢答器的组成框图 (3)
2.3本设计任务及要求 (4)
2.4系统主要功能 (4)
第三章单元电路设计 (5)
3.1抢答电路设计 (5)
3.1.1 电路设计及工作原理 (5)
3.1.2 元器件的选择 (6)
3.2锁存译码显示电路 (8)
3.2.1 电路的设计及工作原理 (8)
3.2.2 元器件的介绍 (10)
3.3报警电路 (12)
3.3.1 电路的设计及工作原理 (12)
3.3.2 元器件的介绍 (14)
第四章整机电路 (17)
4.1整机电路原理图 (17)
4.2整机电路的工作原理 (17)
第五章仿真与调试 (19)
5.1Proteus的介绍 (19)
5.2电路的仿真 (20)
总结 (22)
参考文献 (23)
附录 1 元器件明细表 (24)
摘要
电子产业在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，电子技术得到了突飞猛进的发展，各种电子产品的功能质量也日臻完善。其中，抢答器被广泛地应用于企事业和商业部门，是为各种知识竞赛，文娱活动提供公正、客观和快速裁决的一种常用电子设备。在人们的娱乐生活中，电子抢答器是必不可少的设备之一。但是，传统的抢答器一般准确性与可靠性不高，而且产品体积大，安装维修困难数字电路是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路。用它设计电路实现简单，系统可靠集成度高、体积小、功耗低，而且电路的设计、维修、维护灵活方便。随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越.来越高。
本设计完成八路数字抢答器的设计，当其中一人按下开关时，在LED上显示它的序号，若其中无一人抢答时报警电路不发出声响显示为零。该电路主要由八路抢答控制开关和主持人开关启动电路以及编码电路，译码与锁存显示电路和报警电路组成。
关键字抢答；译码；锁存；报警
第一章绪论
21世纪随着信息时代的到来竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。
随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，通过对数字电路的设计，熟练掌握设计的方法、步骤。本课题设计了一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有报警的功能，和数显的功能，抢答器一般是在单位团体的专业知识竞赛中使用，其主要功能大体可分为三种：
（1）主持人可以控制系统的清零与抢答开始。
（2）抢答器具有数据锁存与显示和报警的功能。
（3）每名选手有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，抢答器具有第一个抢答信号的鉴别和数据锁存、显示的功能。
在现在科技进步的世界里,无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛,当遇到抢答环节时,如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响,使比赛失去了公平和公正性。知识竞赛之类的活动愈加频繁，为了准确，公平，直观的判断出第一抢答者。我所设计的抢答器为八路抢答器与传统抢答方式相比不需要人干预的特点。它不仅能够准确判断，而且运用了现代电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
第二章设计方案
2.1方案选择
制作抢答器可以采用多种设计方案，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，他的制作也是比较简单；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的《数字电路》联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。因此在此设计过程中我采用基于数字电路的八路抢答器。
2.2抢答器的组成框图
抢答器的组成框图如图2-1所示。它主要由三部分组成，分别是优先编码电路、锁存与译码显示电路和报警电路。即主持人说抢答开始时，选手按抢答按钮，能够显示第一个按按钮的选手的编号，同时报警电路给予报警，并封锁输入电路禁止其他选手抢答。此过程都是由节目主持人操作控制电路控制完成。
图2-1抢答器的组成框图
抢答按钮和优先编码电路的主要作用是对抢答选手的编号进行编码，立即分辨出抢答者的编号。
主持人控制开关主要起到一个复位、清除的作用，使显示器重新显示为0。所以当一轮抢答结束后，必须由主持人按下复位开关使其电路复位，方可再次抢答；
控制电路、锁存电路、译码电路和显示电路则构成了锁存与译码显示电路。这部分电路的主要作用是对编码以后的按键号进行锁存，避免其他选手再次抢答，
同时译码并显示该按键号。
报警电路的主要作用是当有人抢答时发出声响给予主持人以提示。
2.3本设计任务及要求
任务：设计一个供8名选手参加八路抢答器。
2.4系统主要功能
我所设计电路的主要功能是：可同时8名选手参加比赛，他们的编号分别是1，2，3，4，5，6，7，8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。数字抢答器应具有数码锁存、显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
第三章单元电路设计
3.1抢答电路设计
3.1.1电路设计及工作原理
1．抢答电路原理图如图3-1所示：
图3-1抢答电路
2．电路的工作原理：电路由八组阵列快关S1~S8组成。和主持人控制开关S组成。以及D1~12十二个二极管和芯片4511组成。抢答电路的功能是能够分辨出选手按按钮的先后，供锁存电路用，其电路组成。
在图3-1中，当接通电源时，开关S1~S8均处于打开状态等待4511的输入端
（1-7端）输入信号。当有选手将按钮按下时（如按下5），4511的输入端进行编码即ABCD=0101，经4511内部BCD转换，得到QAQBQCQDQEQFQG=1011011经译码后，显示器上显示出“5”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
电路工作即抢答器处于等待工作状态在图3-1中，当接通电源时，开关1-8均处于打开状态。
3.1.2元器件的选择
1．开关阵列
S1~S8作用是：接受电源电压产生一个高电平，供二极管正向导通所提供的导通电压。
2．二极管
二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性，可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。
二极管的应用利用二极管的单向导电性主要应用作用如下：
(1)二极管的限幅电路它包括：正向限幅电路双向限幅电路。
(2)低压稳压电路。
(3)在摸拟电子报警器中的应用。
作用是：起开关.嵌位的作用，当阴电位高于阳的电位时，二极管截止。相当于开关断开，当阳位高于阴极电位时，二极管导通，电压嵌制在0.7V。二极管还可以做续流的作用利用它的单向导电性给电容充放电。
在次抢答电路中利用了二极管的单向导电性（正向偏压导通，反向偏压截至）特性。如：当一号选手抢答时，电流不会经过电阻R2和R3流向其它的抢答开关致使抢答误乱。以免导致抢答选手在抢答时数码管上显示错误选手的序号。从而失去了抢答的效果。
3．芯片4511的介绍
CC4511是BCD－7段所存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MOS逻辑器件和n-p-n双极型晶体管构成。这些器件的组合，使CC4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。由此可直接驱动LED及其它器件。LT、BI、LE输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD码等功能。当使用外部
多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。CC4511提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
（1）其引脚功能如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0(LT为1时)，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当LT=0时，则不论其它输入状态为何，译码输出全为1，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A、B、C、D分别4511的输入端。QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG分别为4511的译码输出端，输出为高电平1有效。它的逻辑功能如表3-2表所示。引脚图如图3-2所示。
图3-2CC4511引脚图
（2）CC4511的功能表
通过了解CC4511的输入输出状态来确定编码的信号使之能够在数码管上能够正确的显示抢答选手的编号，具体见表3-1所示。
表3-1CC4511逻辑功能表
3.2锁存译码显示电路
3.2.1电路的设计及工作原理
1．锁存译码显示电路原理图如图3-3所示：
图3-3锁存译码显示电路
2．电路的工作原理：
它是由4511和二极管D17.D18以及三极管NPN，电阻和显示数码管，和排阻组成。这部分电路的功能有两个：一是锁存优先抢答者的编号，送给译码显示电路，显示出该抢答者的编号；二是使其他选手随后的按键操作无效。并且在优
先抢答者回答完毕时，必须由主持人复位与清零，使其显示器重新显示为0，方可进行下一轮抢答。
当某一抢答选手按下抢答键时在4511的输入端输入相应的地址码从ABCD端输入经BCD转换后译码出QA~QG使数码管显示选手号同时将显示的选手号经过4511QB、QD、QD到达三极管的基极和二极管的阳极控制VD18、VD17、NPN的导通和截至输出的信号送到4511的LE脚当LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。此时完成了锁存的功能。
当按下键1时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、0、0、1，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、1、1、1、1、1、0，使数码管显示“1”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键2时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、0、1、0，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、0、1、1、0、1、1，使数码管显示“2”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键3时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、0、1、1，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、1、1、1、0、0、1，使数码管显示“3”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键4时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、1、0、0，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为0、1、1、0、0、1、1，使数码管显示“4”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键5时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、1、0、1，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、0、1、1、0、1、1，使数码管显示“5”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键6时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、1、1、0，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为0、0、1、1、1、1、
1，使数码管显示“6”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键7时，4511的输入端D、C、B、A分别为0、0、0、1，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、1、1、0、0、0、0，使数码管显示“7”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
当按下键8时，4511的输入端D、C、B、A分别为1、0、0、0，通过4511译码后，输出端QG、QF、QE、QD、QC、QB、QA分别为1、1、1、1、1、1、1，使数码管显示“8”。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制复位键0，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
3.2.2元器件的介绍
1．三极管介绍
三极管如图3-4所示：
图3-4三极管PNP和NPN
2．三极管的功能：
（1）三极管的输出特性曲线：三极管有截止、饱和、放大三种工作状态，对应这三种工作状态，可把三极管的输出特性曲线簇分为三个区域，如图（3-5）所示：
截止区即I B＝0这根曲线以下的阴影部分。三极管截止的条件是，集电结与发射结都处于反向偏置状态。从图中我们看到，当I B＝0时，I C≠0，此时的I C叫穿电流I CEO，而且I CEO很小，它不受基极控制，与放大无关。因此截止状态的特征是I B≤0、I C≈0、U CE≈U GB2相当于集电结－发射结之间断开，三极管失去放大作用。
饱和区即曲线左侧的阴影区，包括曲线的上升和弯曲部分。三极管饱和的条件是，集电结与发射结都处于正向偏置状态。饱和的特征是，U CE很低（即U CE≤U BE）I C不受I B控制，相当于集电结－发射结之间短路接通，三极管也失去放大作用。
当U CE＜U BE时，称为深度饱和。由于集电结正偏，其内电场很弱，对到达基区的电子吸引力不大，这时即使增I B，I C也几乎不增大，此时各线靠拢，表示I C 不受I B影响。而I C受U CE影响很大，U CE稍有增大，从基区到集电区的电子也增加，因此I C随U CE增大而增大，这就是曲线的上升部分。当U CE＝U BE时，集电结处于零偏置，各曲线在这时开始弯曲，称为临界饱和。饱和时的集电极电流I c=U gb2/U R c，由外电路参数U gb2和U Rc决定。饱和状态时的U CE叫饱和压降U CES，晶体管手册上一般列出在某个条件下的饱和压降U CES，如3DG130C在I C＝300毫安时，U CES≤0.8伏。一般NPN型小功率硅管的U CES取0.3伏（对PNP锗管取－0.1伏），大功率硅管在大电流工作时，U CES将大于1伏。有关三极管饱和与截止状态的运用，我们在后面的数字电路中还要讨论。
放大区指饱和区和截止区所夹的中间部分，特性曲线是一组间距近似相等的平行直线簇。三极管放大的条件是，发射结正偏，集电结反偏。当U CE大于某一数值（约1伏）后，集电结电场已足够强，使发射区扩散到基区的电子绝大部分到达集电区。因此，在放大区，当I B一定时，I C基本不随U CE变化，即I C与U CE 基本无关，这称为三极管的恒流特性。I C主要由I B控制，I B每增加一定数量，特性曲线就向上移一次，I C的变化比I B的变化大得多，即ΔI C＝βΔI B，这正是三极管的放大作用。利用输出特性曲线，只要知道三极管的I B、I C、U CE三个数值中的两个，就能很方便确定另一个数值。若以实际工作时的U CE作垂线，就能算出基极电流变化值为ΔI B时，集电极电流的变化值ΔI C，从而计算出三极管电流放大系数β。曲线越平坦，间距越均匀，表明三极管的放大线性越好，显然，在相同的ΔI B 下.ΔI C越大β值越高。三极管除了有对电流放大作用外,还有开关作用(即通、断作用),当基极加上正偏压时,NPN型三极管即导通处于饱和状态及灯会亮,反之,三极管就不导通。
图3-5三极管的输出特性曲线
2．七段共阴显示数码管
七段共阴显示数码管内部结构如图3-6所示：
图3-6七段共阴显示数码管内部结构
功能介绍：
LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。
以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。在此设计中采用共阴数码管。
3.3报警电路
3.3.1电路的设计及工作原理
1．报警电路原理图如图3-7所示：
图3-7报警电路
2．电路的工作原理：
电路组成：由二极管D13-D16,Q1,Q5,Q4,R9,R11,R10,C1,C2,以及蜂鸣器S1和型号为NE555组成。
CC4511在进行对选手编码的同时，电平信号经过D13~D16给NE555提供一个脉冲信号，加到NE555的电源端，控制电平的输出，在NE555定时器的3脚（输出端）接扬声器。当有人抢答时脉冲信号加到NE555定时器电源端，控制扬声器发出声音。声响时间约为2s的“尖叫”声。通过改变R11阻值，C1的容量来改变扬声器的发出声音。
3．报警电路可分成两部分：
（1）NE555振荡电路如图3-8所示：
图3-8 振荡电路
工作原理：
由以上的电路可得连接的电路组成了一个振荡器产生，只要有电平提供给NE555就产生一个脉冲信号提供给扬声器发出声响。
（2）电源控制电路如图3-9所示：
图3-9 电源控制电路
工作原理：
若有人抢答则从四只二极管输出的高电平接入Q1的基极，电源V1经过Q3使之导通加入Q4的基极Q4是开关管从发射极输出的电压约为5V提供给NE555芯片使之产生脉冲驱动蜂鸣器工作发出声响。
3.3.2元器件的介绍
1．NE555的芯片介绍
NE555内部结构如图3-10所示：
图3-10NE555内部结构
工作原理：555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01μF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。555定时器工作时过程分析如下：5脚经0.01μF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：U R1=2/3V CC、U R1=1/3V CC。
当V I1＞2/3V CC，V I2＞1/3V CC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。
当V I1＜2/3V CC，V I2＞1/3V CC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。
当V I1＞2/3V CC，V I2＜1/3V CC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器
输出高电平。
当V I1＜2/3V CC，V I2＜1/3V V CC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平
2．蜂鸣器
按工作原理分类:按工作原理的不同，扬声器主要分为电动式扬声器、电磁式扬声器、静电式扬声器和压电式扬声器等。
第四章整机电路
4.1整机电路原理图
由以上各单元电路组成整机电路如图4-1所示：
图４-1整机电路原理图
4.2整机电路的工作原理
接通电源，译码器4511，4脚是消隐输入控制端BI，BI=0(LT=1)则不管其它输入状态如何，7段数码管处于熄灭（消隐）状态，不显示数据，处于工作状态，等待选手抢答。
比赛开始前，无人按下按键，这时电路不工作。当主持人宣布抢答开始后，若有选手抢答，如5号选手首先按下按键，则该低电平信号立即送到译码器4511的信号输入端（ABCD）进行编码0101，进行BCD转换，在QA到QG输出信号输出1101101。5号选手的开关信号通过4个二极管产生一个电平输出，作为555定时器的一个输入端信号，蜂鸣器发出声响。另一路信号送给锁存电路进行所存，