电工电子创新实验报告-四路抢答器设计

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）。