電工電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、、設(shè)計(jì)題目：四路搶答器設(shè)計(jì)二、技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)要求：用集成芯片設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)易四路搶答器，具體要求如下：1. 每個(gè)參加者控制一個(gè)按鈕，用按動(dòng)按鈕發(fā)出搶答信號(hào)；2. 搶答組數(shù)分為四組，即序號(hào)A、B、C、D,對(duì)應(yīng)數(shù)字編碼1、2、3、4,優(yōu)先搶答者按動(dòng)本組序號(hào)開關(guān)，該組對(duì)應(yīng)數(shù)字編碼立即鎖存到LED顯示器上，同時(shí)封鎖其他組號(hào)，并有蜂鳴器聲音提示。此后其他3人再按動(dòng)按鈕對(duì)電路不起作用；3. 競(jìng)賽主持人另有一個(gè)按鈕，用于將電路復(fù)位。三、選擇總體方案，確定電路1、提出電路的方案方案（1）：如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為：通電源后，搶答器處于工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器燈滅，主持人宣布“開始”，選手開始搶答，搶答器

2、完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示。當(dāng)一輪搶答之后，禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人操作“復(fù)位”開關(guān)。圖1電路原理框圖方案（2）：下面是用74LS175、74LS00、74LS20得到的4路搶答器的電路，如圖2。這個(gè)電路只是通過發(fā)光二極管來顯示其結(jié)果，沒有達(dá)到按照選手的號(hào)碼來顯示數(shù)字，并且其電路搶答沒有聲音，所要求集成塊個(gè)數(shù)跟方案（1）相當(dāng)，但實(shí)現(xiàn)功能稍遜方案（1）。2、方案的選擇與論證比較方案（1）和方案（2），發(fā)現(xiàn)方案（1）需要元器件數(shù)量稍微多一點(diǎn)，但所需元件都是比較簡(jiǎn)易，電路不是很復(fù)雜，并且所顯示的效果比方案(2)要多，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的要求。而方案(2)不能有效達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)(沒有聲音、

3、無數(shù)字顯示)，所以選擇方案(1)HRHR呼丑弋圖2方案(2)電路圖四、單元電路推導(dǎo)和電路元器件參數(shù)計(jì)算優(yōu)先鎖存、門控電路：CD451具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作輸出級(jí)，通常用以驅(qū)動(dòng)LED其引腳圖和功能表如圖3。動(dòng)LED其引腳圖和功能表如圖3。1一B2Um-162Cf*153LTgH44一BTa_135LEbH26Dck117Ad_108Usse-9輸輸出ItBlLIDcBA宣bcdefSJC3C0JCXJCjC11111118X01XXXX0000000潢瞪o1*10001111110001100010110I?01o11D0101101101201100111111j013011

4、D10001100114o11oI011111101101100011111石o11o1111110007O'1100011.11111s0111001111001190111C)1000000()10消隱Q111011D00000001111o00000000消隠o111L10000000011111001?0ljr?0消隠o1111110000()0111XXX存鉗存圖3CD4511的引腳圖和功能表門控電路用來實(shí)現(xiàn)允許搶答和清零復(fù)位的功能，由一個(gè)開關(guān)R連入電路實(shí)現(xiàn)。分析CD4511的功能表可知，給CD4511的端口LE加高電平就能實(shí)現(xiàn)這一鎖存功能。在搶答的準(zhǔn)備階段，主持人按下開關(guān)R

5、后，CD4001RS觸發(fā)器輸出端4號(hào)端口輸出低電平，即CD4511的LE端口為低電平，4511處于消隱工作狀態(tài)，LED數(shù)碼管不顯示；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)在搶答鍵按下時(shí)，5V電源通過二極管D3、D4、D5或者D6加至CD4001RS觸發(fā)器S端，即1號(hào)腳輸入高電平，其輸出端4號(hào)腳變?yōu)楦唠娖捷敵?，即給LE一個(gè)高電平，鎖存此時(shí)的編號(hào)，同時(shí)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的編號(hào)。觀察CD4511的邏輯真值表發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管顯示“0”時(shí)與數(shù)碼管顯示“1”、“2”、“3”、“4”時(shí)，CD4511的輸出端e、f有不同的特性，顯“0”時(shí)給LE端一個(gè)低電平，顯“1”、“2”、“3”、“4”時(shí)給LE端一個(gè)高電平。（2）搶答編碼電路：A、B、C、D組

6、成14路搶答器，任一搶答鍵按下都需編成BCD碼，將高電平加到CD4511的A、B、C、D、4個(gè)BCD碼輸入端。分析CD4511的邏輯功能表，要在數(shù)碼管上顯示的4個(gè)十進(jìn)制編號(hào)“1”、“2”、“3”、“4”所對(duì)應(yīng)輸入的BCD碼應(yīng)為“0001”、“0010”、“0011”、“0100”，4個(gè)二進(jìn)制位從左到右分別對(duì)應(yīng)CD4511的D、C、B、A4個(gè)編碼輸入端。顯示“1”、“2”、“4”比較容易實(shí)現(xiàn)，只需要通過按鍵接通電源直接將高電平加到相應(yīng)的端口A、B、C。而顯示“3”則在A、B端口加高電平，這通過編碼二極管D1、D2來實(shí)現(xiàn)，按鍵同時(shí)接在這兩個(gè)二級(jí)管的正極，二極管的負(fù)極分別接在CD4511的A、B端，

7、只要按鍵接通電源就可同時(shí)給兩個(gè)端口加高電平，以實(shí)現(xiàn)編碼。按下第幾號(hào)搶答鍵，輸入的BCD碼就是鍵的號(hào)碼并自動(dòng)由CD4511內(nèi)部電路譯碼為十進(jìn)制數(shù)在數(shù)碼管上顯示出來。搶答編碼連接電路圖如下圖4所示:D2IN414BxSD1R1R2R3r:Tik7nr：R420k7126U24511ABCDLTbTLEABCDEFG圖4搶答編碼連接電路圖(3) 譯碼電路：由于需要用LED數(shù)碼管顯示搶答的相應(yīng)編號(hào)，選用常見的BCD-七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)集成電路CD4511。其工作的邏輯真值表如表1所示表1CD4511邏輯真值功能表輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg顯示XX0XXXX1111111日X01XXX

8、X0000000熄滅01100001111110001100010110001101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011110601101111110001701110001111111801110011110010901110100000000熄滅01110110000000熄滅01111000000000熄滅01111010000000熄滅01111100000000熄滅01111110000000熄滅111XXXX鎖存鎖存將CD4511的七段譯碼輸出端A、B、C、D、E、F、G分別與數(shù)碼

9、管的7個(gè)端口連接，由于CD4511輸出端的電壓為5V，而數(shù)碼管的前向?qū)妷汉烷_門電壓分別為1.66V和5V，這時(shí)CD4511與數(shù)碼管連接時(shí)中間需要加限流電阻R7R1M668Q，限流電阻需要小于這個(gè)阻值，這里取330Q。連接后的譯碼、數(shù)顯電流如下圖5所示。圖5搶答譯碼連接電路圖（4）聲響顯示電路：在CD4511的4、5端，用集成555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，連接一個(gè)音頻多諧振蕩電路，并聯(lián)一個(gè)喇叭，組成音頻多諧振蕩器，使搶答成功后的提示在LED顯示及聲音顯示。如下圖6：圖6蜂鳴器、LED數(shù)碼管顯示圖五、總體電路圖與電路工作原理說明電路如圖7所示。該電路完成兩個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)優(yōu)先搶答的鎖存、譯碼輸出

10、驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示先搶答者的號(hào)碼，同時(shí)四路搶答器發(fā)出響聲，其他選手再搶答視為無效搶答；二是主持人通過“復(fù)位”按鈕清除LED數(shù)碼管的顯示和停止響聲。工作過程：搶答前，主持人按下“復(fù)位”F按鈕后，RS觸發(fā)器的Q端輸出為低電平，即CD451端4號(hào)引腳接低電平，所以CD4511處于消隱工作狀態(tài)，a-g全為0,即LED數(shù)碼管不顯示，多諧振蕩器不產(chǎn)生振蕩，蜂鳴器不響。開始搶答時(shí)，第一個(gè)搶答者按下按鈕后，輸入的高電平經(jīng)4-3線編碼電路編成對(duì)應(yīng)的8421BCD碼，然后輸入到CD4511中，與此同時(shí)，CD4001R觸發(fā)器的S輸入端1號(hào)腳輸入高電平后，其輸出端4號(hào)腳變?yōu)楦唠娖?，即CD451的LE鎖存控制端接高電

11、平，所以CD4511處于鎖存工作狀態(tài)。此時(shí)CD451輸入對(duì)應(yīng)的譯碼輸出將鎖存起來，根據(jù)上述4-3線編碼器功能真值表和CD451真值表，即可查到此時(shí)候LED數(shù)碼管顯示值（高電平記為“T,低電平記為“0”）。此時(shí)，數(shù)碼管保持顯示第一個(gè)搶答者的號(hào)碼，同時(shí)多諧振蕩器開始產(chǎn)生振蕩，蜂鳴器發(fā)出響聲。上電復(fù)位后的時(shí)刻，CD4001的6號(hào)腳瞬時(shí)輸入高電平，4號(hào)腳輸出低電平，使LE數(shù)碼管不亮，多諧振蕩器停止振蕩，蜂鳴器不響。集成器件CD4511的A、B、C輸入端分別通過R4R3R1接“地”（低電平）。nR3rnr<20k20knR22QkM4140«62SDi4亠D2+5Vo北圖7總體電路原理圖

12、AC0亡DLTBrLEdpGND六、兀器件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備清單表2器件名稱數(shù)量萬能電路板1塊輕觸型復(fù)位按鈕5個(gè)20K電阻6只0.330K電阻8只12K電阻1只5.1K電阻1只0.020K電阻1只0.01uF瓷介電容2只1uF瓷介電容1只IN4148二極管6只共陰極型LED數(shù)碼管1只蜂鳴器1個(gè)NE555定時(shí)器1個(gè)CD4001集成與或門1個(gè)CD4511組合邏輯譯碼器1個(gè)NPN型9013三極管1個(gè)數(shù)字萬用表1個(gè)導(dǎo)線若干七、電路的組裝、調(diào)試、功能驗(yàn)證1、測(cè)試觸發(fā)器及各邏輯門電路的邏輯功能，判斷器件的好壞。測(cè)試鎖存功能：按原理圖圖7連接好CD4511邏輯門電路部分，準(zhǔn)備測(cè)量CD4511的各個(gè)引腳的電位值，將其

13、與上述圖3CD4511功能圖相對(duì)應(yīng)，高電平即為“T,低電平即為“0”。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)CD4511功能正常。測(cè)試結(jié)果如下表所示（表中數(shù)值單位為“伏”）：表3CD4511管腳電位測(cè)試結(jié)果輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg顯示00500000000000消隱055000504.14.10000105500504.14.104.14.104.1205500554.04.0004.0t3055050004.04.0004.04.04測(cè)試CD4001四2輸入或非門功能：按電路原理圖7,測(cè)試CD4001各個(gè)引腳電位，高電位為“1”，低電位為“0”，觀察結(jié)果是否符合邏輯表達(dá)式丫=斗總，其中（1）A=1號(hào)引

14、腳，B=2號(hào)引腳，丫=3號(hào)引腳；（2）A=5號(hào)引腳，B=6號(hào)引腳，C=4號(hào)引腳。若符合邏輯表達(dá)式，則對(duì)應(yīng)CD4001完好，測(cè)試發(fā)現(xiàn)器件正常。測(cè)試各個(gè)引腳電位結(jié)果如下表所示（表中數(shù)值單位為“伏”）：表4測(cè)試NE555定時(shí)器組成的多諧振蕩器：按原理圖中圖7連接好電路，蜂1號(hào)引腳2號(hào)引腳3號(hào)引腳4號(hào)引腳5號(hào)引腳6號(hào)引腳005055550500鳴器輸出端接入示波器，觀察其輸出波形，若未搶答時(shí)候波形為正弦波，搶答成功后輸出波形為方波，則多諧振蕩電路正常。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，元器件正常。圖8正弦波與方波2、按原理圖連接好四部分內(nèi)容，檢查連線無誤后打開電源開關(guān)，測(cè)試搶答器的功能搶答開始，按下A、B、C、D某一按鈕，

15、觀察對(duì)應(yīng)LED顯示器，是否顯示相應(yīng)得數(shù)字，按A開關(guān)時(shí)候，顯示數(shù)字1，B顯示數(shù)字2,C顯示數(shù)字3，D顯示數(shù)字4,并且蜂鳴器發(fā)出持續(xù)的聲響；按下R復(fù)位開關(guān)時(shí)候，LED數(shù)碼管不顯示數(shù)字，蜂鳴器聲響停止。若LED顯示器顯示對(duì)應(yīng)的開關(guān)號(hào)，并且按下其搶答開關(guān)，電路工作狀態(tài)保持不變，則說明整個(gè)電路系統(tǒng)正常；否則就說明電路有問題，應(yīng)仔細(xì)檢查各部分連線是否正常。同時(shí)檢查蜂鳴器和顯示器是否按照規(guī)定方案蜂鳴和顯示。如果都正常則實(shí)驗(yàn)成功。八、測(cè)試結(jié)果分析經(jīng)檢查，各部分連線無誤，各部分間的連線都正確，每個(gè)元件都正常。檢測(cè)搶答器的最終功能，先將搶答器接到5V直流電源上，按鈕A置“1”LED顯示1,蜂鳴器發(fā)出聲響，按下其他

16、搶答按鈕不起作用；再次將復(fù)位按鈕按下，LED無顯示，蜂鳴器停止發(fā)出聲響。其測(cè)試項(xiàng)目如下表所示：表5測(cè)試開關(guān)號(hào)測(cè)試項(xiàng)目1234電路接通到5V直流電源LED顯示開始顯示1234按動(dòng)其它搶答按鈕后顯示1234蜂鳴器響響響響二極管亮亮亮亮主持人按鈕復(fù)位Led顯示無顯示無顯示無顯示無顯示蜂鳴器不響不響不響不響九、遇到的問題及解決1實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題是電路稍微復(fù)雜，焊接該電路所需要的導(dǎo)線需要很多;再者在焊接電路過程中必須確保每一步焊接的電路正確，是電路搭接美觀實(shí)用;最后是通過使用萬用表來檢測(cè)焊接電路的正確性。2. 焊接電路得保證焊點(diǎn)沒有虛焊，為此我們焊接速度比較慢，謹(jǐn)慎焊接，保證每個(gè)焊點(diǎn)都沒有虛焊。3. 在用示波器檢測(cè)蜂鳴器輸出端信號(hào)時(shí)候，發(fā)現(xiàn)信號(hào)殘缺，后經(jīng)過排故發(fā)現(xiàn)有一根導(dǎo)線脫焊，為此我們小組同學(xué)又重新焊接。后來再測(cè)試發(fā)現(xiàn)信號(hào)沒有殘缺。十、設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和改進(jìn)(1) 可靠性：整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路分為四個(gè)部分，在實(shí)驗(yàn)的過程中，每一部分都經(jīng)過了仔細(xì)的檢測(cè)，各部分功能完好；通過焊接搭接將各部分按電路圖連接成完整的搶答器電路，經(jīng)過檢測(cè)，連接無誤，最終實(shí)現(xiàn)搶答器的功能，保證了搶答器電路的可靠性。(2) 易測(cè)性：搶答器電路由四部分構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)的過程中，依次完成每部分，如果出現(xiàn)什么問題，可以隨時(shí)檢測(cè)該部分的功能或連線是否出現(xiàn)故障。(3) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：由于實(shí)驗(yàn)需要