四路抢答器
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一、设计题目:
四路抢答器设计
二、技术指导和技术要求:
用集成芯片设计并制作简易四路抢答器,具体要求如下:
1.每个参加者控制一个按钮,用按动按钮发出抢答信号;
2.抢答组数分为四组,即序号A、B、C、D,对应数字编码1、2、3、4,优先抢答者按动本组序号开关,该组对应数字编码立即锁存到LED显示器上,同时封锁其他组号,并有蜂鸣器声音提示。此后其他3人再按动按钮对电路不起作用;
3.竞赛主持人另有一个按钮,用于将电路复位。
三、选择总体方案,确定电路
1、提出电路的方案
方案(1):
如图1所示为总体方框图。其工作原理为:通电源后,抢答器处于工作状态,编号显示器灯灭,主持人宣布“开始”,选手开始抢答,抢答器完成:优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后,禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人操作“复位”开关。
图1 电路原理框图
方案(2):
下面是用74LS175、74LS00、74LS20得到的4路抢答器的电路,如图2。
这个电路只是通过发光二极管来显示其结果,没有达到按照选手的号码来显示数字,并且其电路抢答没有声音,所要求集成块个数跟方案(1)相当,但实现功能稍逊方案(1)。
2、方案的选择与论证
比较方案(1)和方案(2),发现方案(1)需要元器件数量稍微多一点,但
所需元件都是比较简易,电路不是很复杂,并且所显示的效果比方案(2)要多,达到了实验的要求。而方案(2)不能有效达到设计指标(没有声音、无数字显示),所以选择方案(1)。
图2 方案(2)电路图
四、单元电路推导和电路元器件参数计算
(1)优先锁存、门控电路:
CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱
动LED,其引脚图和功能表如图3。
图3 CD4511的引脚图和功能表
门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能,由一个开关R连入电路实现。分析CD4511的功能表可知,给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。在抢答的准备阶段,主持人按下开关R后,CD4001 RS触发器输出端4号端口输出低电平,即CD4511的LE端口为低电平,4511处于消隐工作状态,LED数码管不显示;当第一个在抢答键按下时,5V电源通过二极管D3、D4、D5或者D6加至CD4001RS触发器S端,即1号脚输入高电平,其输出端4号脚变为高电平输出,即给LE一个高电平,锁存此时的编号,同时数码管显示相应的编号。观察CD4511的逻辑真值表发现,数码管显示“0”时与数码管显示“1”、“2”、“3”、“4”时,CD4511的输出端e、f有不同的特性,显“0”时给LE端一个低电平,显“1”、“2”、“3”、“4”时给LE端一个高电平。(2)抢答编码电路:
A、B、C、D组成1~4路抢答器,任一抢答键按下都需编成BCD码,将高电平加到CD4511的A、B、C、D、4个BCD码输入端。分析CD4511的逻辑功能表,要在数码管上显示的4个十进制编号“1”、“2”、“3”、“4”所对应输入的BCD码应为“0001”、“0010”、“0011”、“0100”,4个二进制位从左到右分别对应CD4511的D、C、B、A4个编码输入端。显示“1”、“2”、“4”比较容易实现,只需要通过按键接通电源直接将高电平加到相应的端口A、B、C。而显示“3”则在A、B端口加高电平,这通过编码二极管D1、D2来实现,按键同时接在这两个二级管的正极,二极管的负极分别接在CD4511的A、B端,只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平,以实现编码。按下第几号抢答键,输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。抢答编码连接电路图如下图4所示:
图4 抢答编码连接电路图
(3)译码电路:
由于需要用LED数码管显示抢答的相应编号,选用常见的BCD----七段锁存/译码/驱动集成电路CD4511。其工作的逻辑真值表如表1所示。
将CD 4511的七段译码输出端A、B、C、D、E、F、G分别与数码管的7个端口连接,由于CD4511输出端的电压为5V,而数码管的前向导通电压和开门电压分别为1.66V和5V,这时CD4511与数码管连接时中间需要加限流电阻R7~R13=668Ω,限流电阻需要小于这个阻值,这里取330Ω。连接后的译码、数显电流如下图5所示。
图5 抢答译码连接电路图
(4)声响显示电路:
在CD4511的4、5端,用集成555定时器构成多谐振荡器,连接一个音频多谐振荡电路,并联一个喇叭,组成音频多谐振荡器,使抢答成功后的提示在LED 显示及声音显示。如下图6:
图6 蜂鸣器、LED数码管显示图
五、总体电路图与电路工作原理说明
电路如图7所示。该电路完成两个功能:一是实现优先抢答的锁存、译码输出驱动LED数码管显示先抢答者的号码,同时四路抢答器发出响声,其他选手再抢答视为无效抢答;二是主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。工作过程:抢答前,主持人按下“复位”R按钮后,RS触发器的 Q端输出为低电平,即CD4511端4号引脚接低电平,所以CD4511 处于消隐工作状态,a-g 全为 0,即LED 数码管不显示,多谐振荡器不产生振荡,蜂鸣器不响。开始抢答时,第一个抢答者按下按钮后,输入的高电平经4-3线编码电路编成对应的 8421BCD 码,然后输入到 CD4511 中,与此同时,CD4001RS触发器的S输入端1号脚输入高电平后,其输出端4号脚变为高电平,即CD4511的LE锁存控制端接高电平,所以CD4511 处于锁存工作状态。此时CD4511输入对应的译码输出将锁存起来,根据上述4-3线编码器功能真值表和CD4511真值表,即可查到此时候LED数码管显示值(高电平记为“1”,低电平记为“0”)。此时,数码管保持显示第一个抢答者的号码,同时多谐振荡器开始产生振荡,蜂鸣器发出响声。上电复位后的时刻,CD4001 的6号脚瞬时输入高电平,4号脚输出低电平,使LED数码管不亮,多谐振荡器停止振荡,蜂鸣器不响。集成器件 CD4511 的 A、B、C 输入端分别通过R4、R3、R1接“地”(低电平)。