简易三路抢答器

简易三路抢答器概述电子课程设计是对以前学科知识的综合，检验学生掌握电子学科的理论知识的程度，也是学科教学中的一个十分重要的环节。通过把理论与实践相结合，提高理论水平，锻炼实践动手能力。同时，对于学生对电子学科的学习兴趣也是有极大的激发作用，让同学在自己动手制作的过程中找到乐趣，加深对学科知识的理解及消化，为以后的学习打下良好的基础。一个较为复杂的设计课题，通常需要对设计要求进行认真分析和研究，通过收集和查阅资料，在已学模拟和数字电子技术课程（或电子技术）理论的基础上进行构思，从而提出实现设计要求的可能方案，并画出相应的框图。抢答器是一个用于智力抢答的简易器械，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，通过它可以实现对由谁获得回答权的自动判断，假如仅靠人的判断，很难保证先做出抢答的选手获得答题权，运用抢答器可以消除这种可能性从而保证比赛的公平公正性。抢答器多见于一些益智类节目中，可以锻炼选手的快速反应能力，而且活跃现场气氛。下面请看一下我的整体设计方案：2总体方案设计以下是电路组成的原理框图：基本RS触发器输入电路驱动三极管光显电路声显电路基本RS触发器输入电路驱动三极管光显电路声显电路主持人控制主持人控制由上图可以看到这个方案是非常简洁，下面我将结合具体元件给出此方案的详细介绍：每个选手开关之前的电路作为一个模块的电路，有G2、G3组成基本RS触发器，T1为驱动三极管，与非门G1控制RS触发器的置位输入。连在每个触发器的Q输出端的D6与G4相连形成一个多输入端或非门，当所有模块的Q端都输出低电平时，N4输出为高电平，即每个模块G1的2输入端输入高电平。当按下任意一个按钮，相应的G1输出变为低电平，触发器的Q端输出高电平,T1导通，相应的发光二极管发光，蜂鸣器发出响声。通过D6，使N4的输入变为高电平，输出变为低电平，使得所有模块的N1的2端输入端变为低电平，从而抑制其他的按钮触发其触发器工作。模块输入端与Sr相连的支路为复位输入端，当主持人按下开关Sr，所有模块复位，Q端输出低电平，当然，按下Sr之前，已经置位的RS触发器保持状态不变。3主要单元介绍3.1基本RS触发器基本RS触发器的电路如图所示。它是由两个与非门，按正反馈方式闭合而成，也可以用两个或非门按正反馈方式闭合而成。基本RS触发器的逻辑方程为：Qˊ=S+R′Q（3-1）根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:当R端无效(1)，S端有效时(0)，则Q=1,Q非=0,触发器置1。2.当R端有效(0)、S端无效时(1)，则Q=0,Q非=1,触发器置0。如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q和Q有两种互补的稳定状态。一般规定触发器Q端的状态作为触发器的状态。通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q端的状态。Q=1、Q非=0时，称触发器处于1态，反之触发器处于0态。S=0,R=1使触发器置1，或称置位。因置位的决定条件是S=0,故称S端为置1端。R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。同理，称R端为置0端或复位端。若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R端的电平由1变0，S端的电平由0变1。这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。从功能方面看，它只能在S和R的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。当RS端均无效时，触发器状态保持不变。触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。4.当RS端均有效时，触发器状态不确定在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，以二者不能同时为0。3.2二输入端4输入与非门74LS00图174LS00逻辑图图274LS00引脚图74LS00有外部14个管脚，内部由四个二输入与非门电路构成。现取其中一个列其功能表：表274LS00功能表输入输出ABYLLHLHHHLHHHL表174LS00引脚功能脚号脚名功能脚号脚名功能1A1输入18Y3输出32B1输入19A3输入33Y1输出110B3输入34A2输入211Y4输出45B2输入212A4输入46Y2输出213B4输入47GND地14Vcc电源74LS00有外部14个管脚，内部由四个二输入与非门电路构成。现取其中一个列其功能表：表274LS00功能表输入输出ABYLLHLHHHLHHHL3.2.1参数表374LS00绝对最大额定值电源电压7V输入电压7V自由空气温度范围0℃to+70℃储存温度范围-65℃to+150℃表474LS00建议操作条件符号参数最小典型最大单位VCC电源电压4.7555.25VVIH输入高电平电压2--VVIL输入低电平电压--0.8VIOH高电平输出电流0.4mAIOL低电平输出电流--8mATA工作温度0-70℃表574LS00交流电气特性最小最大最小最大单位tPLH低到高电平输出传递延迟时间310415nstPHL传递延迟时间310415表674LS00直流电气规格符号参数条件最小典型最大单位VI输入钳位电压VCC=最小,II=-18mA1.5VVOH输出高电平电压VCC=最小,IOH=最大,VIL=最大2.73.4-VVOL输出低电平电压VCC=最小,IOL=最大,VIH=最小-0.350.5VIOL=4mA,VCC=最小-0.250.4II输入电流@最大输入电压VCC=最大,VI=7V--0.1mAIIHt输入高电平电流VCC=最大,VI=2.7V--20μAIIL低电平输入电流VCC=最大,VI=0.4V0.36mAIOS短路输出电流VCC=最大(Note3)-20--100mAICCH高电平输出电源电流VCC=最大-0.81.6mAICCL低电平输出电源电流VCC=最大-2.44.4mA3.34025B三输入或非门图34025B逻辑图表74025B工作条件4重要元件的功能介绍4.1开关二极管的性能与参数开关二极管是利用二极管的单向导电性，在半导体PN结加上正向偏压后，在导通状态下，电阻很小（几十到几百欧）；加上反向偏压后截止，其电阻很大。利用开关二极管的这一特性，在电路中起到控制电流通过或关断的作用，成为一个理想的电子开关。开关二极管的正向电阻很小，反向电阻很大，开关速度很快。

常用开关二极管可分为小功率和大功率管形。小功率开关二极管主要使用于电视机、收录机及其他电子设备的开关电路、检波电路高频高速脉冲整流电路等。主要型号有2AK系列（用于中速开关电路）、2CK系列（硅平面开关，适用于高速开关电路）等。合资生产的小功率开关管有1N4148、1N4152、1N4151等型号，主要参数：

⑴反向恢复时间：反映开关管特性好坏的一个参数。开关二极管的开关时间为开通时间和反向恢复时间的总和。开通时间是指开关二极管从截止至导通所需时间，开通时间很短，一般可以忽略；反向恢复时间是指导通至截止所用时间，反向恢复时间远大于开通时间。因此反向恢复时间为开关二极管主要参数。一般硅开关二极管的反向恢复时间小于3ns～10ns；锗开关二极管的反向恢复时间要长一些。

⑵反向击穿电压：是指在开关二极管两端的反向电压超过规定的值，使二极管可能击穿的电压。⑶最高反向工作电压：是指加在开关管两端的反向电压不能超过规定的允许值。

⑷正向电流：是指开关二极管在正向工作电压下工作时，允许通过开关管的正向电流。表8二极管1N4001工作条件最大反向峰值电压电压50V最大平均正向电流电流1.0A最大正向电压<=1A最大反向电流<=10A外型尺寸DO-414.2发光二极管它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：限流电阻计算公式R=（E－UF）/IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。表9发光二极管参数型号ZX-35288W42-1正向电压3.0-3.4V发光强度1500-2000MCD正向电流20MA发光角度120度色温2700-25000K有效寿命＞70000H工作温度-30-80℃最大承受脉冲电流100mA存储条件-30-80℃焊接温度260±5℃4.3开关三极管负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃工作于截止(cutoff)区。同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区(saturation)。4.3.1开关三极管的工作原理截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，即为三极管的截止状态。开关三极管处于截止状态的特征是发射结，集电结均处于反向偏置。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并且当基极的电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再怎么变化，此时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，即为三极管的导通状态。开关三极管处于饱和导通状态的特征是发射结，集电结均处于正向偏置。而处于放大状态的三极管的特征是发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。这也是可以使用电压表测试发射结，集电结的电压值判定三极管工作状况的原理。开关三极管正是基于三极管的开关特性来工作的。开关三极管的特点及应用开关三极管具有寿命长、安全可靠、没有机械磨损、开关速度快、体积小等特点。开关三极管可以用很小的电流，控制大电流的通断，有较广泛的应用。小功率开关管可以用在电源电路、驱动电路、开关电路等；大功率管可用于彩色电视机、通信设备的开关电源；也可用于低频功率放大电路、电流调整等；高反压大功率开关管可用于彩色电视机行输出管。4.3.2三极管的主要参数选用三极管需要了解三极管的主要参数。若手中有一本晶体管特性手册最好。三极管的参数很多，其中必须了解的四个极限参数：ICM、BVCEO、PCM、fT、TONTOFF等，可满足95%以上的使用需要。1.ICM是集电极最大允许电流。三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数β将下降。为此规定三极管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。所以在使用中当集电极电流IC超过ICM时不至于损坏三极管，但会使β值减小，影响电路的工作性能。2.BVCEO是三极管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压。如果在使用中加在集电极与发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的集电极电流，这种现象叫击穿。三极管击穿后会造成永久性损坏或性能下降。3.PCM是集电极最大允许耗散功率。三极管在工作时，集电极电流在集电结上会产生热量而使三极管发热。若耗散功率过大，三极管将烧坏。在使用中如果三极管在大于PCM下长时间工作，将会损坏三极管。需要注意的是大功率三极管给出的最大允许耗散功率都是在加有一定规格散热器情况下的参数。使用中一定要注意这一点。4.特征频率fT。随着工作频率的升高，三极管的放大能力将会下降，对应于β=1时的频率fT叫作三极管的特征频率。5.开通时间、关断时间是衡量开关管响应速度的一个重要参数。

表10三极管参数型号9013结构NPN集电极-发射极电压25V集电极-基电压45V射极-基极电压5V集电极电流0.5A耗散功率0.625W结温150℃特怔频率最小150MHZ放大倍数D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300

5总电路原理图6工作原理G2、G3组成基本RS触发器，与非门G1控制RS触发器的置位输入。连在每个输出端的二极管与G4形成一个3输入或非门。与Sr相连的模块为复位输入端，支持人按下开关Sr，所有模块复位，Q输出低电平。Q输出低电平，则或非门G4输入高电平，则此时每个模块的G1的2端为高电平。当任意一位选手按下开关S，G1的两输入端均为高电平，G1输出低电平，相当于RS触发器的S端为0，则Q端输出高电平。当Q端输出高电平，驱动三极管T1导通，相应的发光二极管发光，蜂鸣器发出响声。同时，通过D6，G4的输入为高电平，输出为低电平，使所有模块的G1的2端输入变为高电平，从而抑制了其他按钮触发触发器工作，当再次按下Sr之前，RS触发器的两输入端都为1，则Q的状态保持不变。7总结与体会通过此次课程设计，使我的能力有了一定程度的提高，并且在数字逻辑电路技术和理论基础上有了更深的了解，巩固了本学期学的数字电路知识。通过设计简易三路抢答器，我对逻辑电路有了更近一步的了解。提高了文件搜索和查找数据手册的能力，学习了Protel软件的使用。在此次课程设计，最重要的是：我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够