CD4511八路搶答器實驗報告

1、. . . . 小學期實驗設計任務目錄摘要I第1章緒論11.1課題研究的相關背景11.2選題的目的和意義11.3課題研究的容21.4搶答器目前存在的主要問題3第2章?lián)尨鹌鞯南到y(tǒng)概述42.1搶答器的系統(tǒng)功能簡介42.2搶答器的工作原理簡介42.3搶答器系統(tǒng)的需求分析52.4搶答器的工作流程52.5搶答器的工作過程6第3章?lián)尨鹌鞯膯卧娐吩O計73.1搶答器設計中的數字編碼電路73.2搶答器設計中的譯碼/優(yōu)先/鎖存電路93.3搶答器設計中的數碼顯示電路133.4搶答器設計中的報警電路15第4章?lián)尨鹌鞯碾娐吩O計圖184.1搶答器工作原理電路圖184.2搶答器實物電路圖20第5章總結2120 / 22摘

2、 要隨著科技的日新月異，促使人們開始學科學、學技術、學知識。搶答器是一個機關學校開展智力競賽活動必不可少的設備，廣泛應用于學校、教育部門、企事業(yè)工會組織、俱樂部等單位組織舉辦各種知識、技術競賽與文娛活動時作搶答使用。八路數字搶答器電路包括搶答，編碼，優(yōu)先，鎖存，數顯，復位與報警電路。搶答器數字優(yōu)先編碼電路由D1-D12組成，實現(xiàn)數字的編碼。CD4511是一塊含BCD-7段鎖存/譯 碼/驅動電路于一體的集成電路。搶答器報警電路由NE555接成音多諧振蕩器構成。搶答器數碼顯示電路由數碼管組成，輸入的BCD碼自動地由 CD4511部電路譯碼成十進制數在數碼管上顯示。經過布線、焊接、調試等工作的八路數

3、字智能搶答器成形，更具有實用性。關鍵字：CD4511 數碼顯示電路 報警電路 數字編碼電路第1章 緒論. 課題研究的相關背景在這個競爭激烈的社會中，知識競賽，評選優(yōu)勝，選拔人才之類的活動愈加頻繁。在競賽中，都是多個選手一起參加，如果采用舉手回答問題的這個方式來進行競賽已經不適應社會的需要。并且在主持人提出的問題時候，如果讓選手用舉手等方法來進行搶答，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。而在當今社會里，比賽要追求準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這時候智能搶答器就派上用場了。智能搶答器是一種應用十分廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它都能客觀、迅速地判別出最先獲得發(fā)言權的

4、選手。早期的搶答器只是由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等器件組成的，能通過發(fā)光管的指示辯認出選手?，F(xiàn)在大多數智能搶答器都由單片機或數字集成電路構成的，并且新增了許多功能，如選手顯示，搶按前或搶按后的計時，選手得分顯示等功能。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的搶答器向著數字化、智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了智能搶答器的制造成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識競賽越來越多，操作簡單，經濟實用的小型搶答器肯定很有市場。因此，我選擇簡易邏輯數字搶答器這一課題。八路智能搶答器主要由數字優(yōu)先編碼電路、鎖存/譯碼/驅動電路于一體的CD4511集成電路、數碼顯示電路和報警電路組成。優(yōu)先編碼電路、CD4511集成電路將參賽隊的輸入信號

5、在數碼顯示管上輸出，用報警電路對時間進行嚴格控制，這樣就構成了八路智能搶答器電路。1.2 選題的目的和意義通過這次畢業(yè)設計,讓我了解到了八路智能搶答器的結構組成和工作原理，也初步掌握八路智能搶答器的調整與測試方法，提高實踐動手能力和思考問題的能力。同時通過本次畢業(yè)設計，也讓我鞏固了以前學習的理論知識，建立邏輯數字電路的理論和實踐的結合，了解了八路智能搶答器各單元電路之間的關系與相互影響。初步掌握了八路智能搶答器的調整與測試方法。本畢業(yè)設計通過參考大量文獻對八路智能搶答器的工作原理進行了系統(tǒng)的介紹，通過詳細的調查和權威技術資料與相關情報的收集，為我們更深刻的了解電子技術提供了很好的平臺，使得更好

6、的讓理論與實踐相結合。1.3 課題研究的容八路智能搶答器是采用了CD4511集成芯片來實現(xiàn)功能要求的，在搶答過程中，每個選手都有一個搶答按鈕。在主持人按下復位鍵宣布搶答開始的時候，選手就開始進行搶答，在指定時間選手進行搶答，數碼顯示屏上會顯示最先搶答選手的編號。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數碼顯示屏顯示犯規(guī)者的編號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按復位鍵，新一輪搶答開始。通過研究后發(fā)現(xiàn)，采用數字電路技術設計的搶答器與目前常用的搶答器相比優(yōu)點還是有很多的。首先，設計電路連接簡單，因為采用了CD4511集成芯片進行設計的，大多數功能單元都能通過數字電路完成，第二，工作性能可靠，抗干擾能

7、力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的工程設計，具有創(chuàng)新性和實用性。本論文章節(jié)的結構和容如下:第一章：緒論。簡要介紹了八路智能搶答器的發(fā)展現(xiàn)狀；簡要概述了本畢業(yè)設計的研究容。第二章：搶答器系統(tǒng)概述。說明了八路智能搶答器的工作過程和主要功能。第三章：搶答器的單元電路設計。詳細概述了本畢業(yè)設計中，八路智能搶答器各單元電路的設計。第四章：搶答器的電路設計圖。展示了八路智能搶答器的電路圖、工作原理電路圖、PCB板電路圖，更形象的表現(xiàn)出電路設計的思路。第五章：總結與展望?？偨Y課題設計，指出設計中的一些問題，提出改善的意見，并展望搶答器的未來設計。1.4搶答器目前存在的主要問題隨著科技技術的不斷發(fā)展，促

8、使人們開始學科學、學技術、學知識。搶答器是一個機關學校開展智力競賽活動必不可少的設備，廣泛應用于學校、教育部門、企事業(yè)工會組織、俱樂部等單位組織舉辦各種知識、技術競賽與文娛活動時作搶答使用。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，質量較差。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受，但每年使用的次數極少，往往因長期存放使搶答器損壞，再購置的麻煩和與時性就會影響活動的開展。目前多數智能搶答器存在一下幾點不足：首先，現(xiàn)場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降

9、低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現(xiàn)場人員的走動。其次，電路復雜。因為簡單邏輯電路只完成處理、計時、數據運算等功能，其它功能如選手的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數字集成電路完成。采用簡單邏輯電路掃描技術識別選手搶按時，電路的延遲時間較大。最后，容易出現(xiàn)選手搶按成功現(xiàn)象。第2章 搶答器的系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)的主要功能簡介八路智能搶答器的主要功能有如下三點：1. 可同時供8名選手參加比賽，其相應的編碼分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應。2. 給主持人設置一個控制開關，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。3. 搶答

10、器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數碼管上顯示出選手的編號，同時揚聲器給出音響提示。2.2搶答器的工作原理簡介如圖2-1所示為搶答器的結構框圖。電路完成了基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。而報警電路則是起到提示作用。其工作原理為：接通電源后，當主持人按下復位鍵，宣布"開始"搶答器工作。選手即可開始搶答，當選手按下?lián)尨疰I后，搶答器完成：編碼、優(yōu)先鎖存、譯碼、數碼顯示。當一輪搶答之后，只有主持人按下復位鍵，才能進行下一輪搶答，否則搶答無效。圖2-1 搶答器

11、結構框圖2.3 搶答器系統(tǒng)的需求分析1、在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效。2、可以顯示是哪位選手有效搶答，正確按鍵后有訊響聲。3、按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。4、只有主持人按下復位鍵，下一輪搶答才能開始進行。2.4 搶答器的工作流程搶答器的基本工作原理:在上電之后，系統(tǒng)開始運行，在搶答過程中，會有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器部電路和CD4511集成芯片會開始工作，并識別、記錄第一個。在整個搶答器工作過程中，編碼電路、優(yōu)先鎖存譯碼電路、顯示電路、報警電路都會運行。搶答器的工作流程分為正常搶答流程、主持人復位等幾部分，如圖2-2所示。圖2-2 搶答器

12、的工作流程2.5 搶答器的工作過程1、開始上電之后，主持人按復位鍵，搶答開始。如有選手按下?lián)尨疰I，報警電路會發(fā)出訊響聲，并且數碼顯示電路上會顯示成功搶答的選手的編號。2、當有選手搶答成功之后，系統(tǒng)就進行了優(yōu)先鎖存，其他搶答選手搶答無效。3、如果主持人未按下復位鍵，而有人按了搶答按鍵，此次搶答無效，只有當主持人按下了復位鍵，選手才能進行順利搶答?？偠灾?，本課題利用簡單邏輯數字電路設計了智能搶答器，該搶答器具有基本的強大功能，提高了系統(tǒng)的可靠性、簡化了電路結構、節(jié)約了成本，但是此搶答器功能還不夠強大，還有很多功能無法實現(xiàn)，需要我們繼續(xù)學習和研究。第3章 搶答器的單元電路設計八路智能搶答器主要由數

13、字編碼電路、譯碼優(yōu)先鎖存驅動電路、數碼顯示電路和報警電路組成。現(xiàn)簡單介紹八路智能搶答器設計中的各單元電路的設計的情況。3.1搶答器設計中的數字編碼電路參考電路如圖3-1所示，S1S8組成18路搶答器，D1D12組成數字編碼器。該電路完成的功能是：通過編碼二極管編成BCD碼，將高電平加到CD4511所對應的輸入端。從CD4511的引腳可以看出，引腳6，2，1，7分別為BCD碼的 D、C、B、A位（D這高位，A為低位，即D、C、B、A分別代表BCD碼8、4、2、1位）。工作過程：當電路上電，主持人按下復位鍵，選手就可以開始搶答。當選手1按下S1搶答鍵，高電平通過編碼二極管D1加到CD4511集成芯

14、片的7腳（A位），7腳為高電平，1、2、6腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0001”；當選手2按下S2搶答鍵，高電平通過編碼二極管D2加到CD4511集成芯片的1腳（B位），1腳為高電平，2、6、7腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0010”；當選手3按下S3搶答鍵，高電平通過編碼二極管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7腳（B、A位），1、7腳為高電平，2、6腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0011”；當選手4按下S4搶答鍵，高電平通過編碼二極管D5加到CD4511集成芯片的2腳（C位），2腳為高電平，1、6、7腳保持低電平，此時CD4511輸入

15、BCD碼為“0100”；當選手5按下S5搶答鍵，高電平通過編碼二極管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7腳（C、A位），2、7腳為高電平，1、6腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0101”； 當選手6按下S6搶答鍵，高電平通過編碼二極管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2腳（B、C位），1、2腳為高電平，6、7腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0110”； 當選手7按下S7搶答鍵，高電平通過編碼二極管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7腳（B、C、A位），1、2、7腳為高電平，6腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“0111”；

16、 當選手8按下S8搶答鍵，高電平加到CD4511集成芯片的6腳（D位），6腳為高電平，1、2、7腳保持低電平，此時CD4511輸入BCD碼為“1000”。輸入的BCD碼就是鍵的，并自動地由 CD4511部電路譯碼成十進制數在數碼管上顯示。圖4-1數字編碼系列電路圖3-1數字編碼系統(tǒng)電路輸入輸出S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 D C B A1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0

17、0 10 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0表3-1數字編碼電路功能真值表3.2搶答器設計中的譯碼/優(yōu)先/鎖存電路CD4511是一個用于驅動共陰極 LED（數碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼與驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅動器，引腳排列如圖3-2-1所示。其中A、B、C、D為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數

18、碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數據越過十進制數9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數據。ag是 7 段輸出，可驅動共陰LED數碼管。另外，CD4511顯示數“6”時，a段消隱；顯示數“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數時，字形不太美觀。（1）、CD4511的引腳圖圖3-2-1CD4511的引腳圖 CD4511 是常用的七段顯示譯碼驅動器，它的部除了七段譯碼電路外，還這有鎖存電路和輸出驅動器部分，具有輸出電流

19、大，最大可達25mA,可直接驅動LED 數碼管。CD4511 由4 個輸入端A/B/C/D 和7 個輸出端ag，它還具有輸入BCD 碼鎖存、燈測試和熄滅控制功能，它們分別由鎖存端LE、燈測試LT、熄滅控制端BI 來控制各引腳的名稱：其中7、1、2、6分別表示BCD碼的A、B、C、D位；5、4、3分別表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分別表示 a、b、c、d、e、f、g；上邊的引腳表示輸入，下邊的引腳表示輸出；還有兩個引腳8、16分別表示的是VDD、VSS。其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端。當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數碼管均處于熄滅（消隱）狀

20、態(tài)，不顯示數字。LT：3腳是測試輸入端。當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。如果該端為低電平，則譯碼器輸出全為高電平，該端擁有最高級別權限，只要它為0，既有上述現(xiàn)象，而與其余所有輸入端狀態(tài)無關。這一功能主要用于測試目的，因此正常使用中應接高電平。LE：5腳是鎖定控制端。當BI、LT為1時，若該端為高電平，則加在A、B、C、D端的外部編碼信息不能進入譯碼，所以譯碼器的輸出狀態(tài)保持不變；當LE=0時，則A、B、C、D端的BCD碼一經改變，譯碼器就立即輸出新的譯碼值。A、B、C、D：為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸

21、出端，輸出為高電平1有效。圖3-2-2 CD4511部電路圖圖3-2-3 CD4511部邏輯圖（2）、譯碼驅動功能編碼器實現(xiàn)了對開關信號的編碼，并以BCD碼的形式輸出，為了將輸出的BCD碼能夠顯示出來，需要用譯碼顯示電路，選擇常用的七段譯碼顯示驅動器CD4511作為譯碼電路。CD4511真值表如圖3-2-4所示。CD4511譯碼用兩級或非門擔任，為了簡化線路，先用二輸入端與非門對輸入數據B、C進行組合，得出四項，然后將輸入的數據A、D一起用或非門譯碼。圖3-2-4CD4511真值表（3）、鎖存優(yōu)先功能由于搶答器都是多路即須滿足多位搶答者搶答要求，這就有一個先后判定的鎖存優(yōu)先電路，確保第一個搶答

22、信號鎖存住。同時數碼顯示并拒絕后面搶答信號的干擾。CD4511部電路與Q1，R7，R8，D13，D14組成的控制電路（見圖3-2-5CD4511真值表）可完成這一功能。當搶答鍵都未按下時，因為CD4511的BCD碼輸入端都有接地電阻（10K），所以BCD碼的輸入端為“0000”，則CD4511的輸出端a、b、c、d、e、f均為高電平，g為低電平。通過對0-9這 10個數字的分析（見圖4-2-5鎖存優(yōu)先功能電路圖）可以看到，只當數字為0時，才出現(xiàn)d為高電平，而g為低度電平，這時Q1導通，D13、D14的陽極均為低電平，使CD4511的第5腳（即LE端）為低電平“0”，這種狀態(tài)下，CD4511沒有

23、鎖存而允許BCD碼輸入。在搶答準備階段，主持人會按復位鍵，數顯為“0”態(tài)，正是這種情況下，搶答開始，當S1-S8任一鍵按下時，CD4511的輸出端d為低電平或輸出端g為高電平，這兩種狀態(tài)必有一個存在或都存在，迫使CD4511的第5腳（即LE端）由0到1，反映搶答鍵信號的BCD碼允許輸入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g 七個輸出鎖存保持在LE為0時輸入的BCD碼的顯示狀態(tài)。例如S1按下，數碼管應顯示1，此時僅e、f為高電平，而d為低電平，此時三極管Q1的基極亦為低電平，集電極為高電平，經D13加至CD4511第5腳（即LE端），即LE由0-1狀態(tài)，則在LE為“0”時輸入給CD451

24、1的第一個BCD碼數據被判定優(yōu)先而鎖存，所以數碼管顯示對應S1送來的信號是1，S1之后的任一按鍵信號都不顯示。為了進行下一題的搶答，主持人需要按下復位鍵S9，清除鎖存器的數值，數顯先是熄滅一下，再復顯“0”狀態(tài)，此后若S5鍵第一個按下，這時應立即顯“5”，與此同時CD4511的輸出端14腳g為高電平，10腳d為低電平，12腳b為低電平，Q1截止，并通過D14使CD4511的第4腳為高電平，此時LE呈01狀態(tài)，于是電路判定優(yōu)先鎖存，后邊輸入的其它按鍵信號被封住，可見電路“優(yōu)先鎖存”后，任何搶答鍵均失去作用。圖3-2-5鎖存優(yōu)先功能電路圖3.3搶答器設計中的數碼顯示電路共陰式LED數碼管的原理圖（

25、圖3-3-1數碼顯示管原理圖），使用時，共陰極接地，7個陽極ag由相應的BCD七段譯碼器來驅動。數碼管接0.5寸共陰數碼管。圖3-3-2數碼顯示管的結構圖顯示字符gfedcba001111111000011021011011310011114110011051101101611111017000011181111111圖3-3-3共陰極數碼管顯示字段碼3.4搶答器設計中的報警電路參考電路如圖3-4-1所示，搶答器報警電路由NE555接成音多諧振蕩器，其中R16=R17=10K，揚聲器通過100UF的電容器接在NE555 IC的3腳與地（GND）之間。C1=0.01，R16 沒有直接和

26、電源相接，而是通過四只1N4148組成二極管或門電路，四只二極管的陽極分別接CD4511的1，2，6，7腳，任何搶答按鍵按下，報警電路都能振蕩發(fā)出訊響聲。圖3-4-1搶答器報警電路由NE555接成音多諧振蕩器構成的報警電路如圖3-4-1所示。其中555構成多諧振蕩器，振蕩頻率fo143（RI2R2）C，其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。555構成的多諧振蕩器的工作原理如圖3-4-2所示：接通電源Vcc后，Vcc經電阻R1和R2對電容C充電，其電壓uc由0按指數律上。當uc2/3 Vcc時，電壓比較器C1和C2的輸出分別為uc1=0,

27、uc2=1,基本RS觸發(fā)器被置0，Q等于0，Q非等于1，輸出uO躍到低電平UOL。于此同時。放電管V導通，電容C經電阻R2和放電管V放電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C的放電，uc隨之下降。當uc下降到uc1/3Vcc時，則電壓比較器C1和C2的輸出uc1=1和uc2=0，基本RS觸發(fā)器被置為1，Q等于1，Q非等于0，輸出uO由低電平UOL躍到高電平UOH。同時因Q非等于0，放電管V截止，電源Vcc又經過R1和R2對電容C充電。電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓uc在2/3Vcc和1/3Vcc之間來回充電和放電，從而使電路產生振蕩，輸出矩形脈沖。圖3-4-2 555定時器工作原理圖將NE555多諧振蕩器與成音多諧振蕩器連接起來，前一個振蕩器的輸出接到后一個振蕩器的復位端，后一個振蕩器的輸出接到揚聲器上。這樣，只有當前一個振蕩器輸出高電平時，才驅動后一個振蕩器振蕩，揚聲器發(fā)聲；而前一個振蕩器輸出低電平時，導致后面振蕩器復位并停止振蕩，此時揚聲器無音頻輸出。第4章 搶答器的電路設計圖通過對電路的功能分析，我們運用Protel 99 SE軟件對電路進行設計，設計出了電路的走線圖和PCB板圖，并且進行PCB板刻錄，開始進行焊接，做出了實物電路板。4.1搶答器工作原理電路圖通過對電路的一些功能需求分析，我們運用了Protel 99 SE軟件對