简易三路抢答器

简易三路抢答器
目录
摘要 (1)
第一章设计目的 (4)
第二章抢答器的设计要求 (4)
第三章三路抢答器的工作原理 (5)
第一节抢答器设计方案的选择 (5)
第二节设计要点 (8)
第三节工作原理 (8)
第四章电路设计 (9)
第一节电源部分………………………………………………………..
第二节抢答部分………………………………………………………..
第三节响铃部分……………………………………………………......
第四节元件清单................................................................ 第五章设计体会 (15)
主要参考文献 (16)
摘要
抢答器作为一种电子产品，已广泛应用于各种团体单位尤其是学校等所组织的一些娱乐活动和知识竞赛当中。

但因为目前市场上抢答器成品种类不多推广较少且价格较高，所以自制一款简单实用的抢答器也是一种不错的选择。

本篇为借鉴三种简易抢答器设计原理并综合其优缺点而另行改进的抢答器，综合运用二极管，三极管，可控硅，电阻器以及一些开关元件组合而成，简单来说可分为三个部分：电源部分，可控硅控制部分和振荡电路部分。

电路简单，元件易购，原理清晰，反应快捷迅速，还可扩展，实用于多种场合，是各种自制抢答器中较为优质的一种。

第一章设计目的
一了解并熟练掌握电路设计的方法及过程。

二了解抢答器的组成及工作原理。

三掌握查阅文献的方法
四掌握与电路设计有关软件的使用。

五学会整理和总结设计文档报告。

第二章抢答器的设计要求
一了解并熟练掌握电路设计的方法及过程。

二每路设置一个抢答按钮，供抢答者使用。

三电路具有第一抢答信号的鉴别功能。

在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮，显示电路显示抢答者的组别，同时扬声器发出双音，音响持续２～３s。

四电路应具备自锁功能，一旦有人事先抢答，其它开关不起作用。

五要求设计一个按键，该按键能够起到复位的作用。

第三章三路抢答器的工作原理
第一节抢答器设计方案的选择
抢答器是一种常用的电子新产品，其设计方案多种多样。

通过查找文献，综合三种常用电路的优缺点评比，最后确定最终方案。

一．方案一：
综合评定：
优点：电路简单，原理清晰
缺点：该抢答器用了一组常开接点和一组转换接点，继电器接点动作虽然很快，但动作完成依然需要一定的时间，通常以ms计，但依电路，我们在按下SB的同时，线圈K得电，K-1,K-2两组接点同时开始动作，在K-1动作过程中，其动静触头闭合尚未到位时，K-2已将电源切断，使K断电，因此不能实现吸合自保。

改进方法：
作为改进，可将每只继电器上并连一只小电容，这样，当继电器转换接点切断电源时，由于继电器的转换电压是吸合电压的，电解电容的电压可维持继电器继续吸合短暂时间，使常开接点动作闭合到位，实现自保。

只是必须要求电容的充电电压达到吸合电压，同时，按继电器的时间不能太短。

二．方案二
综合评定：
优点：电路清晰，逻辑完善，电路可行
缺点：继电器所用接点较多，在连接线路是容易产生混乱
三．方案三
综合评定：优点：电路逻辑功能清晰，制作简便
不选的理由：继电器市场价格过高，并且用于抢答器的设计，体积过于庞大，在复位时，在电磁铁的吸和作用下，继电器会发出金属交碰个声音，成为噪音，甚至会有电火花的产生。

四．最终方案
第二节设计要点
本题的根本任务是判断出第一抢答者的信号并将其锁存，并使其他强答者按键无效。

本图采用单向可控硅控制电路。

可控硅有其独特特性：当阳极接反向电压，或者不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极都接正向电压时，它就会变成导通状态，一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用。

因此，当第一抢答者按下按键，可控硅VS 触发导通，相应指示灯亮，震荡器工作，扬声器发生，同时由于VD1，VD2导通，使电路中A，B两点电位很接近，此时其他按键再按下时，已没有足够的触发电压使未导通的可控硅导通。

竟答结束后，主持人断开开关S，复位，即可进入下一次抢答。

第三节工作原理
图3.3.1 电路组成原理框图
第四章电路设计
将电路分为三部分：电源部分，抢答部分，响铃部分。

第一节电源部分
本电路采用两套电源系统，可根据实际情况，具体选择。

如果现场拥有固定电源，可采用电源甲，将双掷开关扳到甲面，交流~直流转换电源电路图如下：
第二节抢答部分
抢答部分的电路采用可控硅控制电路。

并利用可控硅的独特特性：：能够以小电流控制大电流，当阳极接反向电压，或者当阳极接正向电压而控制极不接电压时，他都不会导通，只有阳极和控制极同时接正向电压时，它才导通，一旦导通，控制极便失去了他的控制作用。

在电路中，当复位开关闭合时，由R1,R2的分压作用，使A点的电压保持在2.4V，此时，当其中一名选手按下抢答开关，相应可控硅的控制端接正向电压，可控硅导通，电灯发亮，扬声器发声，因为电路导通，二极管的钳位作用，使得B点的电压保持在2.1V,因为A,B两点电压十分接近，所以当其他抢答开关闭合时不足以其他可控硅，锁住其他电路，其他选手抢答无效。

可控硅，又名晶闸管，可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种。

螺旋式的应用较多。

可控硅有三个电极——阳极（A）阴极（C）和控制极（G）。

它有管芯是P 型导体和N 型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN 结。

可控硅和只有一个PN 结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。

可控硅的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础。

在应用
可控硅时，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压
第三节响铃部分
本电路的响铃采用阻值为8欧的扬声器，利用两个三极管组成的RC振荡电路。

振荡原理：要构成震荡，则需要满足两个条件：震荡平衡条件以及相位平衡条件。

振荡电路的振荡频率f是由相位平衡条件决定的，即振荡电路只有在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率f 即为RC选頻网络决定的。

第四节元件清单
元件介绍：
可控硅的结构和特性
可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种。

螺旋式的应用较多。

可
控硅有三个电极——阳极（A）阴极（C）和控制极（G）。

它有管芯是P 型导体
和N 型导体交迭组成的四层结构，共有三Array个PN 结。

可控硅和只有一个PN 结的硅整流二极度
管在结构上迥然不同。

可控硅的四层结构
和控制极的引用，为其发挥“以小控大”
的优异控制特性奠定了基础。

在应用可控
硅时，只要在控制极加上很小的电流或电
压，就能控制很大的阳极电流或电压。

目
前已能制造出电流容量达几百安培以至上千安培的可控硅元件。

一般把5安培以
下的可控硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。

可控硅为什么其有“以小控大”的可控性呢？
首先，我们可以把从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN 型号晶体管，
而二、三四层组成另一只PNP 型晶体管。

其中第二、第三层为两管交迭共用。

当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea ，又在控制极G和阴极C之间（相当
BG1 的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1 将产生基极电流Ib1 ，经放大，
BG1 将有一个放大了β1 倍的集电极电流IC1 。

因为BG1 集电极与BG2 基极相
连，IC1 又是BG2 的基极电流Ib2 。

BG2 又把比Ib2 （Ib1 ）放大了β2 的集
电极电流IC2 送回BG1 的基极放大。

如此循环放大，直到BG1 、BG2 完全导通。

实际这一过程是“一触即发”的过程，对可控硅来说，触发信号加入控制极，可
控硅立即导通。

导通的时间主要决定于可控硅的性能。

可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1 基极的电流已不只是
初始的Ib1 ，而是经过BG1 、BG2 放大后的电流（β1 *β2 *Ib1 ）这一电流
远大于Ib1 ，足以保持BG1 的持续导通。

此时触发信号即使消失，可控硅仍保
持导通状态只有断开电源Ea 或降低Ea ，
使BG1 、BG2 中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断。

当然，如果Ea 极性反接，BG1 、BG2 由于受到反向电压作用将处于截止状态。

这时，即使输入触发信号，可控硅也不能工作。

反过来，Ea 接成正向，而触动发信号是负的，可控硅也不能导通。

另外，如果不加
触发信号，而正向阳极电压大到超过一定值时，可控硅也会导通，但已属于非正常工作情况了。

可控硅这种通过触发信号（小的触发电流）来控制导通（可控硅中通过大电流）的可控特性，正是它区别于普通硅整流二极管的重要特征。

第五章设计体会
一周的时间过去了，课程设计的任务也通过了答辩，接近乐尾声，一周的时间确实不长，可也让我收获很多，感慨很多。

开始
刚拿到任务书，看到抢答器的题目时，我的思维便定势到了开关电路上，。

随着思路的清晰，我更明白了抢答器的设计关键：当第一位选手按下抢答按钮使电路导通后，应该能迅速的将其他几路电路锁住，使其他抢答无效，同时以声光的形式显示第一位选手的胜出。

明白了原理，我便在脑海中搜索可行的方法。

因为在上周的电工实习中曾多次使用继电器，对继电器的型号和功能都有了一定的了解，因此，我首先在草图上划出了用继电器控制的互锁的原理图，并逐渐在电路中加入复位开关，二极管，电灯以及直流门铃等器件，这变成了我的预选方案<一>的原理图。

该电路图设计简单，思维清晰，功能齐全，一看即懂，让我高兴万分。

但经过细细的推敲，却发现了一些不大不小的漏洞，这是因为我忽略了继电器在通电后的开关转换中需要一定的反应时间，以毫秒计，可就是这数毫秒的反应时间继电器通电得不连续，因此我需要在继电器电路中加入一个旁支电路以保持继电器的持续导通。

改进
知道了改进的方向，我便开始动手改进。

通过细细的推敲与同组其他人员的讨论，我又拿出了第二种预选方案。

方案<二>通过增加了一组继电器的常闭开关使得继电器在抢答按键闭合又断开的瞬间使继电器持续通电。

在几次讨论后，确定了该方案的可行性，然后我便开始通过查找资料和具体演算来确定所用器件的具体参数以及型号。

在查资料的过程中，我又知道了对于方案一的漏洞，也可以通过在继电器旁边并联一充电电容，通过充电电容的充电电压来保持继电器的短
时导通，从而保持其持续导通。

另外，在查资料的同时，我又发现了另外一种继电器控制抢答器电路，该电路设计巧妙，简单有效，思路值得借鉴，于是我将其加入了我的预选方案<三>。

最终方案
在改进方案确立后，在我向老师咨询求教的过程中，老师指出：继电器市场价格昂贵，用于抢答器的设计有点大材小用，建议我试试别的器件。

的确，价格因素确实被我忽略了，并且通过我在查资料过程中对继电器的进一步了解，我又发现了继电器的其他缺点：用于抢答器的设计，体积过于庞大，在复位时，在电磁铁的吸和作用下，继电器会发出金属交碰个声音，成为噪音，甚至会有电火花的产生。

那就只有将继电器换掉了，可换成什么呢？这成了我思索的的要点。

这时我想起了在查资料时《电工电子设计指导》一书中所介绍的可控硅，以及可控硅的独特特性：能够以小电流控制大电流，当阳极接反向电压，或者当阳极接正向电压而控制极不接电压时，他都不会导通，只有阳极和控制极同时接正向电压时，它才导通，一旦导通，控制极便失去了他的控制作用。

正好是一种开关特性，那能不能用于控制抢答器的互锁呢？想到就做，我马上找来了更为详细的可控硅的控制原理以及具体参数，参照继电器的控制电路另行设计了一款控制电路，经过几番修改以及参照另外的可控硅控制电路而确定了最终方案。

最终方案依然具有功能清晰，电路简易，制作方便的特点，并且可控硅本身动作快，反应时间短，寿命长，可靠性好，而且售价也不是很高，因此比按确定了它的最终方案。

原理图的生成
最终方案确定好后，我通过对电路具体的功能分析，确定了可控硅的型号，改进了扬声器工作的振荡电路，开始生成原理图。

生成原理图用的是PROTEL软件，这款软件以前曾粗略学习过，只是以前生成的原理图都是根据书上的具体型号在元件库里搜寻的，而用来绘制自己设计的原理图却是第一次。

对于自己设计的原理图，很多元件型号难以确定，甚至有些需
要自己添加元件库，依着电路的具体要求以及对以往课本的学习，终于做好了原理图。

收获
这次的课程设计，总的来说，收获很大。

整个设计过程我独立的思考，遇到问题细细的研究，通过查阅资料和与同学的讨论研究来解决，因此最终方案的确立对我来说有着很大的意义。

这就是为什么后来我发现另外的几种更加简便，更加简单的逻辑门电路抢答器，数显抢答器，却一直没有改变方案的原因。

独立的思考，独立的面对并解决设计过程中出现的一些难点，对我以后的设计生涯有很大的意义，让我在以后的工作面对设计时更加的从容，更加的有信心。

同时我也明白了，在设计中遇到问题时一定不能着急，不能烦躁，要细细的思考，慢慢的推敲，一点一点的去发现，然后通过查询资料或者对过去知识的梳理逐渐的去解决，耐心和谨慎永远是学科学做设计的人的最重要的法则。

另外，我还学会了如何在图书馆那如海的书籍中去寻找自己需要的书籍以及如何利用网络引擎来寻找答案，查找资料也是一件耐心的工程，另外在查找资料过程中对有用资料的记录也是一种非常实用地方法。

整个设计的过程，是我加强了对模电与数电知识的梳理，学习了理论知识实用化的一些技巧和方法，也向我展示了设计与制作电子元器件的乐趣，增加了我学习的兴趣，对我今后的学习与发展提供了巨大的动力。

这次课程设计的不足之处是只停留在了书面上而交不是真正意义上的实践，而这恰恰是为我们提供了一种思路，我想我们应当继续做下去，用自己心中的电路做一个实物出来，那更能增加我们对设计开发和兴趣。

对我们今后的理论学习也会产生更加深远的影响。

主要参考文献
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003。