电工电子创新实验报告

1、、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

2、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、

3、无数字显示)，所以选择方案(1)HRHR呼丑弋图2方案(2)电路图四、单元电路推导和电路元器件参数计算优先锁存、门控电路：CD451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。动LED其引脚图和功能表如图3。1一B2Um-162Cf*153LTgH44一BTa_135LEbH26Dck117Ad_108Usse-9输輸出ItBlLIDcBA宣bcdefSJC3C0JCXJCjC11111118X01XXXX0000000潢瞪o1*10001111110001100010110I?01o11D0101101101201100111111j013011

4、D10001100114o11oI011111101101100011111石o11o1111110007O'1100011.11111s0111001111001190111C)1000000()10消隐Q111011D00000001111o00000000消隠o111L10000000011111001?0ljr?0消隠o1111110000()0111XXX存钳存图3CD4511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

5、后，CD4001RS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

6、成14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，

7、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:D2IN414BxSD1R1R2R3r:Tik7nr：R420k7126U24511ABCDLTbTLEABCDEFG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所示表1CD4511逻辑真值功能表输入输出LEBILTDCBAabcdefg显示XX0XXXX1111111日X01XXX

8、X0000000熄灭01100001111110001100010110001101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011110601101111110001701110001111111801110011110010901110100000000熄灭01110110000000熄灭01111000000000熄灭01111010000000熄灭01111100000000熄灭01111110000000熄灭111XXXX锁存锁存将CD4511的七段译码输出端A、B、C、D、E、F、G分别与数码

9、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R7R1M668Q，限流电阻需要小于这个阻值，这里取330Q。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

10、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”F按钮后，RS触发器的Q端输出为低电平，即CD451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，CD4001R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CD451的LE锁存控制端接高电

11、平，所以CD4511处于锁存工作状态。此时CD451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CD451真值表，即可查到此时候LED数码管显示值（高电平记为“T,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LE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R4R3R1接“地”（低电平）。nR3rnr<20k20knR22QkM4140«62SDi4亠D2+5Vo北图7总体电路原理图

12、AC0亡DLTBrLEdpGND六、兀器件和实验设备清单表2器件名称数量万能电路板1块轻触型复位按钮5个20K电阻6只0.330K电阻8只12K电阻1只5.1K电阻1只0.020K电阻1只0.01uF瓷介电容2只1uF瓷介电容1只IN4148二极管6只共阴极型LED数码管1只蜂鸣器1个NE555定时器1个CD4001集成与或门1个CD4511组合逻辑译码器1个NPN型9013三极管1个数字万用表1个导线若干七、电路的组装、调试、功能验证1、测试触发器及各逻辑门电路的逻辑功能，判断器件的好坏。测试锁存功能：按原理图图7连接好CD4511逻辑门电路部分，准备测量CD4511的各个引脚的电位值，将其

13、与上述图3CD4511功能图相对应，高电平即为“T,低电平即为“0”。经测试发现CD4511功能正常。测试结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：表3CD4511管脚电位测试结果输入输出LEBILTDCBAabcdefg显示00500000000000消隐055000504.14.10000105500504.14.104.14.104.1205500554.04.0004.0t3055050004.04.0004.04.04测试CD4001四2输入或非门功能：按电路原理图7,测试CD4001各个引脚电位，高电位为“1”，低电位为“0”，观察结果是否符合逻辑表达式丫=斗总，其中（1）A=1号引

14、脚，B=2号引脚，丫=3号引脚；（2）A=5号引脚，B=6号引脚，C=4号引脚。若符合逻辑表达式，则对应CD4001完好，测试发现器件正常。测试各个引脚电位结果如下表所示（表中数值单位为“伏”）：表4测试NE555定时器组成的多谐振荡器：按原理图中图7连接好电路，蜂1号引脚2号引脚3号引脚4号引脚5号引脚6号引脚005055550500鸣器输出端接入示波器，观察其输出波形，若未抢答时候波形为正弦波，抢答成功后输出波形为方波，则多谐振荡电路正常。经测试发现，元器件正常。图8正弦波与方波2、按原理图连接好四部分内容，检查连线无误后打开电源开关，测试抢答器的功能抢答开始，按下A、B、C、D某一按钮，

15、观察对应LED显示器，是否显示相应得数字，按A开关时候，显示数字1，B显示数字2,C显示数字3，D显示数字4,并且蜂鸣器发出持续的声响；按下R复位开关时候，LED数码管不显示数字，蜂鸣器声响停止。若LED显示器显示对应的开关号，并且按下其抢答开关，电路工作状态保持不变，则说明整个电路系统正常；否则就说明电路有问题，应仔细检查各部分连线是否正常。同时检查蜂鸣器和显示器是否按照规定方案蜂鸣和显示。如果都正常则实验成功。八、测试结果分析经检查，各部分连线无误，各部分间的连线都正确，每个元件都正常。检测抢答器的最终功能，先将抢答器接到5V直流电源上，按钮A置“1”LED显示1,蜂鸣器发出声响，按下其他

16、抢答按钮不起作用；再次将复位按钮按下，LED无显示，蜂鸣器停止发出声响。其测试项目如下表所示：表5测试开关号测试项目1234电路接通到5V直流电源LED显示开始显示1234按动其它抢答按钮后显示1234蜂鸣器响响响响二极管亮亮亮亮主持人按钮复位Led显示无显示无显示无显示无显示蜂鸣器不响不响不响不响九、遇到的问题及解决1实验中出现的问题是电路稍微复杂，焊接该电路所需要的导线需要很多;再者在焊接电路过程中必须确保每一步焊接的电路正确，是电路搭接美观实用;最后是通过使用万用表来检测焊接电路的正确性。2. 焊接电路得保证焊点没有虚焊，为此我们焊接速度比较慢，谨慎焊接，保证每个焊点都没有虚焊。3. 在用示波器检测蜂鸣器输出端信号时候，发现信号残缺，后经过排故发现有一根导线脱焊，为此我们小组同学又重新焊接。后来再测试发现信号没有残缺。十、设计电路的特点和改进(1) 可靠性：整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。(2) 易测性：抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。(3) 实验改进：由于实验需要