B34
天津轻工职业技术学院
毕业 设计(论文)
课题 ：
专业 电子信息工程技术 班级09电子信息工程
学生姓名 刘建平 学生学号 05号
指导教师 王春媚
提交日期 成绩
答辩日期 答辩成绩
答辩教师
总评成绩
摘要内容
本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警多重功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，同时实现报警功能。
关键字: 八路, 抢答器 设计 报警 数码
目 录
第一章 系统简介和实现的原理与电路................................... 1 1.1 基本功能.........................................................1 1.2 扩展功能.........................................................1 1.3数字抢答器总体方框图..............................................3 1.4电路结构..........................................................6 1.5抢答器的讯响电路结构..............................................7 第二章 译码原理和锁存、复位电路及工作原理............................7 2.1译码显示原理......................................................7 2.2锁存器的定义和器件选择........................................... 9 2.3复位、防作弊、锁存原理...........................................10 2.4声音提示电路及选择及工作过程.....................................14 第三章 集成块功能及电路图CD4068 8输入与非门/与门....................14 3.1基本描述.........................................................14 3.2CD4511的引脚.....................................................15 3.3锁存、译码和消隐功能介绍.........................................16 3.4基本描述引脚描述及功能表及与辑表达式.............................17 第四章 数显抢答器电路元器件分析.....................................18 4.1电阻器、电容器、晶体管以及三极管的介绍...........................18
4.2蜂鸣器及数显抢答器电路的连接、系统调试和完善....................21
致谢................................................................25 参考文献............................................................26
第一章 系统功能简介和实现的原理与电路
1.1 基本功能
(1)设置一个系统清除和抢答控制开关S ，该开关由主持人控制。
(2) 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
(3)抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表
1.2 扩展功能
（1） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动" 开始" 键后，定时器进行减计时
（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.3数字抢答器总体方框图
如图1.1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成，优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。
图1.1设计框图
1.3电路结构图
图1.2 抢答器的核心部分
图1.3抢答器的核心部分放大图
图1.4抢答器的核心部分放大图
本制作是一个简易实用的8路数字显示抢答器，图1.2为该抢答器的核心部分，包括抢答、编码、优先、锁存、数显及复位等电路。所用的原件除集成电路CD4511，还有14只IN4148二极管，一只9014（NPN ）三极管；15只电阻，9只按键开关，SB1~SB8为抢答键，SB9为复位键，LED 数码管为0.5英寸的共阴极数码管。其中7只470欧姆的电阻为限流电阻。
CD4511是一块含BCD ——七段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路。CD4511的1、2、6、7脚为BCD 码输入端，第9~15脚为显示输出端。第3脚为测试端（LT ），当LT 为“0”时，输出全为"1" 。第4脚为消隐端（BI ），当BI 为“0”时，输出
全为“0”，显然此时还有可清除锁存器内的数值。第5脚为锁存允许端（LE ），当LE 由“0”变到“1”时，a b c d e f g 七个输出端保持在LE 为“0”时所加BCD 码对应的数码显示状态。第8脚接地，第16脚接电。
图1.5 CD4511
图1.7 9014的引脚图
图1.6 数码管的引脚图
图1.8二极管IN4148的管脚
1.4抢答器的讯响电路结构
图1.9抢答器的讯响电路
图1.10 555的管脚图
其中R1=R2=10K，扬声器通过100uf 的电容器接在555的3脚与地之间，4只二极管分别接CD4511的1 2 6 7 引脚。任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声。只要整个电路元件良好，装备无误，本制作一般不必调试，当电路通电，按下任何一抢答按键不动，听到扬声器发出讯响声，把电源电压稍作调整（8v 左右），使声音悦耳、音量适当即可。
第二章 译显原理和锁存、复位电路及工作原理
2.1 译码显示原理
本设计因为只采用了九路抢答，即采用一个LED 数码管就可以完成显示功能, 设计中我们使用CD4511的输出端A--G 作为LED 数码管（a--g ）的输入。CD4511的输出端A--G 的输出是由BCD 码输入端ABCD 决定的，根据BCD 编码的输入不同在输出端输出不同数据也不同，LED 数码管根据CD4511各端输出的数据点亮七段发光管就会显示相应的字符，CD4511各端输出的信息总是和LED 上显示的相对应。由CD4511的BCD 码输入端ABCD 、输出端A--G 、LED 显示字符三者的关系可得表2—1。
表2-1
七段LED 是一种最常见数码管显示屏，这种数码管的每个线段都是一个发光二极管。与我们小时候玩过的“火柴棒游戏”相似，几根火柴组合起来，可以拼成各种各样的图形，七段LED 数码管实际上就是利用这个原理作成的。数码管的每个线段都是一个发光管，其中七个长条形的发光二极管排列成一个“日”字型，
另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点。
LED 显示器有两种不同的连接形式：一种是8个发光二极管（a---g 及dp ）的正极连在一起，称之为共阳极LED 显示器；另一种是8个发光二极管阴极连在一起，称之为共阴LED 显示器。他们的内电路如图2.1所示。
共阴极 共阳极
图2.1 七段数码管类型
共阴数码管内部的8个二极管的N 极连接在一起，与引脚com 端相连接，在使用时引脚com 应接低电平。当数码管其余的某个引脚接高电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。共阳极数码管内部的8个发光二极管的P 极被连接在一起，与引脚com 端相连接。在使用时引脚com 应接高电平，当数码管其余的某个引脚接低电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。七段发光二极管工作时若电流太小，则发光强度不够：电流太大，则耗电量大，甚至会烧坏二极管。在实际应用中，经常外接1K 的电阻作为限流电阻。
由图2.1可以看出共阳和共阴结构的LED 显示器各笔划段名的安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划就会发光，由发亮的笔划段组合而显示出各种字符，可以显示0--F 十六格字符及小数点。由于此设计中只有九路抢答所以使用led 数码管的0-9十个字符就可以满足显示要求，在本设计中采用CD4511 BCD七段所存，译码，驱动器来驱动数码管显示则七个笔划对应于cd4511的输出端A 、B 、C 、D 、E 、F 、G ，因此可用7位二进制代码表示欲显示字符的代码，数码管各
段与输出端各位的对应关系如表2—2所示。
表2—2
阳极数码管二进制数据位0表示对应字
段亮，数据为1表示对应字段暗; 共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。若要显示"0" 字符共阳极数码管的字符编码应为1000000B, 共阴极数码管的字型编码为0111111B ，依次类推，只要把欲要显示数字字形码通过cd4511输出端送给数码管即可。数码管字型码见表2—3。
表2—3字型码
2.2 锁存器的定义和器件选择
锁存器的定义及器件选择
(一) 使用专门的锁存器74LS373，74LS3074等集成电路，使电路中元件增加，连线复杂，调试维修增加难度，并使设计成本增加。
(二) 选用锁存/译码/驱动器集成于一体的集成电路，可以简化外围电路，工作更加稳定。经比较两种方案，基于设计电路时，我们考虑的是电路简便，实用，稳定性，可靠性好，费用低的原则，故选用方案二。 CD4511BCD七段锁存，译码，驱动器是将锁存器，译码器。它的输出由输入的BCD 码决定，故显示器显示数字为“0、1„„9”。 分析CD4511各引脚功能知 5脚LE 为锁存控制脚，LE 脚为0时，ABCD 输入端决定显示字符，LE 脚为1时，锁存显示的字符此时控制LE 脚的高低电平必须接外围电路，电路如图2.2所示。
图2.2 锁存、复位电路
此数选抢答器不仅有抢答的功能，而且还可以实现防作弊功能，更进一步维护比赛的公平，公正，公开原则。
2.3 复位、防作弊、锁存原理
一、复位原理
电路原理图如2—10所示S10为复位键，一般主持人在喊开始抢答前按下，当S10被按下时，CD4511LE 脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态，显示字符有ABCD 输入端决定，主持人此时并没有喊开始所以任何人不能进行抢答，ABCD 输入端的值全部为0，CD4511的七段输出引脚ABCDEFG 应该为1111110则LED 数码管显示字符0，用CD4511输出ABCDEF 分别接CD4086与非门的10，9，5，4，3，2引脚CD4511输出端G 经VT1反向后变为高电平1连接CD4086的11，12，13引脚。这样CD4086与非门输入端为1，即输出低电平0，CD4086的输出端经过R3限流后连到CD4511的5脚LE 上，保持主持人在没有喊开始之前LED 数码管数字一直显示为0。
图2.3 复位电路
二、防作弊原理
主持人在按下S10按键后，CD4511LE 引脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态显示字符取决于ABCD 输入端，此刻并没有喊开始，所以ABCD 输入端的值全部应为0，CD4511的输出端ABCDEFG 应为1111110，而LED 数码管显示为0，如果有人在此之前按下抢答键CD4511的输入端ABCD 的值不全为0，输出端ABCDEFG 也输出与输入相对应的值，通过LED 数码管显示出抢答器的抢答号，而且还通过CD4086与非门后到达CD4511的LE 引脚锁存该按键号，找出作弊的比赛者。因此，有效的防止有人作弊。
三、锁存原理
表2-4 锁存原理
当主持人喊开始后最先按下抢答键的键号会在LED 数码管上显示出来，其它键再按下去也不起作用。某一个按键被按下后首先编码电路对其进行编码并输出到CD4511的ABCD 端，由于CD4511本身具有译码，驱动功能，输出端ABCDEFG 则根据ABCD 的输入值输出对应的数值在LED 数码管上显示出来。同时，CD4511是输出端ABCDEFG 是值也送到了CD4086与非门的输入端上，经与非门输出端高电平1送到CD4511锁存引脚LE ，由于CD4511的LE 为锁存引脚，为低电平0时，无效。为高电平1时，处于锁存状态。此LE 为高电平1时处于锁存状态，输出的值被固定与输入端ABCD 的输入没有关系即比赛者再按下抢答键进行抢答均不起作用。主持人喊开始后，若首先按下的键为SB6时，当SB6被按下时，编码电路首先对其进行编码0110，再送到CD4511的输入端ABCD 经CD4511本身具有的译码，驱动功能，输出端ABCDEFG 为0011111则数码管上显示字符6，同时输出端AB 是值00送到CD4086的10，9引脚，CDEF 的值1111送到5，4，3，2引脚，G 值经过VT1的反向后变为0送到11，12引脚，此时CD4086输入端的值为11110000，与非后输 出高电平1并送到CD4511的锁存引脚LE ，CD4511是LE 只要一为高电平1，立刻处于锁存状态，输入端ABCD 输入的值都为无效，即再按抢答键不起作用。只有主
持人按下“复位”按钮强行使CD4511锁存脚置零，CD4511锁存解除，才能开始下一论抢答。依此原理可得表2—4。
2.4 声音提示电路及选择及工作过程
一、声音提示电路的选择
声音提示是为了更好的提示抢答人员是否还有抢答的机会而设置的电路。 方案一：选用扬声器发声，必须有功率放大集成电路进行信号放大，如功放块LM386发出声音，其电路连接复杂，扬声器功耗大，需要的元器件较多。 方案二：选用蜂鸣器 使用蜂鸣器不需要驱动电路，只需一个控制开关，就可以实现声音提示功能电路连接图如2.4所示。经比较，基于连接简单，费用低可以实现同样的功能，考虑选择第二种方案作为本设计的声音提示电路。
图2.4 声音提示电路
声音提示是协同显示字符工作的，支持人按下复位键时，数码管显示0字符，报警电路不工作，没有声音，只有有抢答键被按下时，数码管显示相应的键号，报警电路工作有声音。 二、工作过程
当有选手抢答成功后，数码管显示该选手号码，同时CD4086的输出端为高电平1，使CD4511处于锁存状态因VT2的基极是接应CD4086的输出端上的，所以VT2基极电压升高（>=0.7V）使VT2导通，蜂鸣器负极接地，正极接VCC ，蜂鸣器工作发出声音，在主持人没有按下复位键一直工作。
第三章 集成块功能及电路图CD4068 8输入与非门/与
门
电路中采用了两块CMOS 数字集成电路，CD4511将BCD 编码、七段锁存、译码、驱动功能集于一身，一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED 显示器。CD4068 是八输入的与非门/与门数字基成电路。
3.1基本描述
高输出源电流可达25mA ，输入所存提供BCD 码存储功能、灯测试和消隐功能，BCD 码>1001时，七段译码输出消隐100%测试的静态电压规定可到20V,VDD=18V最大输入电流1uA （整个温度范围）TA=25C时输入漏电流最大为100mA 。
显示译码器CD4511是一个用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED 显示器。 其引脚功能介绍如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端. 。a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
3.2 CD4511的引脚
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 。其引脚图如3.1所示。
图 3.1 CD4511引脚
各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A 、B 、C 、D ；5、4、3分别表示LE 、BI 、LT ；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b 、c 、d 、e 、f 、g 。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD 、VSS 。CD4511的工作原理 CD4511的如表3-1。
表3-1 工作真值表
表3—2 CD4511的真值
3.3 锁存、译码和消隐功能介绍
一、锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成, 传输门的导通或截止由控制端LE 的电平状态. 当LE 为“0”电平导通，TG2截止；当LE 为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。 二、译码功能
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B 、C 进行组合，然后将输入的数据A 、D 一起用或 非门译码。 三、消隐功能
BI 为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B 端输出为低电平，字形消隐。 消隐输出J 的电平为 J =（C+B）D+BI 如不考虑消隐BI 项，便得J=（B+C）D ，据上式，当输入BCD 代码从1010--1111时，J 端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
3.4 基本描述引脚描述及功能表及与辑表达式
一、基本描述
10V 中速工作时TPHL=TPLH=75nS缓冲的输出级100%测试的静态电压规定可到20V ，VDD=18V 25摄氏度时输入最大漏电流100mA 。 二、引脚描述及功能表
表3—3引脚描述及功能
图3.2 引脚图
三、引脚图(3—4) 与辑表达式
与非门输出 Y=/A/B/C/D/E/F/G/H 与门输出 W=ABCDEFGH
第四章 数显抢答器电路元器件分析
本实验用到的电阻都是色环电阻。电阻的测量：R1、R2（10k Ω）色环为：棕黑橙 ，实际测量为R1=9.92 kΩ,R2=9.89 kΩ, R3（2k Ω）色环为:红黑橙, 实际测量为 R3=2.1 k Ω，R4（1.6k Ω）色环为:棕兰红, 实际测量为R4=1.52 k Ω。1N4004型硅整流二极管测量结果:良好。三极管VT-9013测试结果:良好。扬声器测试结果：良好。
4.1电阻器、电容器、晶体管以及三极管的介绍
一、电阻器
电阻（Resistor ）是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。
电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“ Ω”表示。欧姆是这样定义的：当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。除了欧姆外，电阻的单位还有千欧（K Ω），兆欧（M Ω）等。其换算关系为： 1MΩ=1000KΩ ， 1KΩ=1000Ω。 电阻器的电气性能指标通常有标称阻值, 误差与额定功率等。 它与其它元件一起构成一些功能电路，如RC 电路等。 电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。色环法在一般的的电阻上比较常见。由于精密电路中的电阻一般比较小，很少被标上阻值，即使有一般也采用数字法，即， 101表示100Ω的电阻， 102表示1K Ω的电阻， 103表示10K Ω的电阻。 二、电容器
电容器简称电容，也是组成电子电路的主要元件。它可以储存电能，具有充电、放电及通交流、隔直流的特性。
（一）电容器结构特性和定义
电容器的结构特性：电容器是由两个相互靠近的金属电极板，中间夹一层绝缘介质构成的。在电容器的两个电极加上电压时，电容器就能储存电能。
定义：电容器所带的电量与两极板间电势差的比值叫电容。 （二）电容器的物理意义
电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，在数值上等于把电容器两极板间的电势差增加1 V所需充加的电量。注意：电容C 由电容器本身的构造因素决定，与Q 、U 无关。 （三）电容的单位
其单位为法，符号F 。 1 F＝1000000μF ＝[1**********]00pF 三、晶体管
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种元素是硅和锗。
PN 自由电子和空穴作定向运动。内电场的方向：由N 区指向P 区。内电场的作用：一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面促使两个区靠近界面处的少子产生漂移运动。PN 结的单向导电特性：加在PN 结上的电压称为偏电压，若P 区为电信高端，N 区为电位低端，称PN 正偏；反之，称反偏。PN 结正偏导通，呈现很小的电阻，形成较大的正向电流。PN 结反偏截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为0。因此，电路中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等。
四、三极管
半导体三极管也称为晶体三极管，它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。电子制作中常用的三极管有90××系列，低噪声管9013（NPN ）等。我们使用的三极管是：NPN 型9013功放管。
三极管有两种类型：NPN 和PNP 。它有两个PN 结（分别称为发射结和集电结），三个区，从三个区域引出三个电极。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。 （一）极限参数
1．最大允许集电极耗散功率PCM
PCM是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功耗Pc 大于PCM 时，不仅使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。 2．最大允许集电极电流ICM
当IC 很大时，β值逐渐下降。一般规定在β值下降到额定值的2／3（或1／2）时所对应的集电极电流为ICM 当IC ＞ICM 时，β值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。 3. 反向击穿电压BVCEO 与BVCEO
BVCEO 是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。BVCBO 是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的（1／2～1／3），以保证管子安全可靠地工作。
（二）三极管的特性曲线
三极管的共发射极电路如图4.1所示。
图4.1 三极管的共发射极电路
（三）判断三极管的引脚
晶体三极管内部有两个PN 结, 所以可以用万用表欧姆测量PN 结的正、反向电阻来确定晶体三极管的管脚、管型并可判断三极管性能的好坏。
1基极判别:将万用表置于欧姆R*1K挡，用两表笔搭接三极管的任意两管脚，如果阻值很大（几百千欧以上），将表笔对调在测试一次，如果阻值也很大，则剩下的引脚必是基极B 。
2类型判别:基极确定后，可用用万用表黑表笔（正值）去搭接在引脚基极B 上，另一表笔任意搭接。如果测得阻值较小，为NPN ；反之, 为PNP 。
3集电极测试，测NPN 型C 极时，先在除B 极以外两个电极中任设一个为C 极，并用万用表黑表笔搭接在假设的C 极上，红表笔搭接在假设的发射极上，用一大电阻R 接B 极和假设的C 极上，如果数字表有较大的变化，则假设正确；反之, 为E 极。
4.2 蜂鸣器及数显抢答器电路的连接、系统调试和完善
一、蜂鸣器的简介及种类
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机，打印机，复印机，报警器，电子玩具，汽车电子设备，电话机，定时器等。电子产品中做发声器件，主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器有两类3大品种一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器
和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是因音频信号驱动的，通上支流电就可工作而已。 （一）压电式蜂鸣器
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5—15支流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5—2.5kHz 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由铅钛酸铅式铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。 （二）电磁式蜂鸣器
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振荡膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 二、数显抢答器电路的连接、系统调试和完善
对于本电路的实物连接就是依照电路图将所选元件连接到电路板上，连接时注意元器件要按照电路图所示逐个的进行连接，要分类进行。连接电阻时要分清电阻的阻值和类别，集成块的安装要对应好了方可安装。另外还有三极管的安装要分清它的集电极、基极、发射极，开关的安装要分清开关的位置。
装配时注意：不要扭动固定爪、拆卸；不要随意修改PCB 板、装配孔、电路。 焊接注意：温度小于280℃焊接时间要少于3秒，使用恒温焊锡，重复焊接少于3次，间隔大于5分钟。 （一）对电路板布局
根据电路原理图的元器件的多少、形状及集成块的引脚位置再结合所用的电路板的大小、焊盘连线，确定个元器件在电路板上的大体位置完成大致的布局。随着电子时代的迅速发展，仅仅实用、可靠以不能满足消费者对产品的需求。随着人们生活水平的不断提高要求的不只是实用、可靠这两方面而是更侧重于讲究美观、精小，即在生产产品之前有较好的布局变得很有必要。 （二）电路的连接与调试
把已经测试好的电阻、二极管、三机管、蜂鸣器、开关、数码管、若干导线、电路板、电源放在实验台上。由分析电原理图知此电路分为编码电路、译码显示电路、锁存电路、复位电路、声音提示电路等五大模块，根据抢答器原理我们首先连接编码电路，依次连接译码显示、锁存、复位、声音提示电路，这样从前向后连接可用最小程度的减少连线中所出的问题，这种方法且连接出的电路调理清晰查找故障方便。
1．开关、编码电路的连接、调试
根据布局先选择抢答按键及对应二极管的相应位置再对其进行焊接，依照编码电路图2-1，SB1---SB9的一端相连接,VD1、VD3、VD7、VD10的负极与SB1相连接作BCD 码的最低位A ，依次将VD2,VD5,VD8的负极与SB2相连接作BCD 码的低位B,VD4,VD6,VD9的负极与SB4相连接作BCD 码的高位C ，VD11的负极与SB8相连接作BCD 码的最高位D 。连接完成后在ABCD 处分别接一个发光二极管，其负极连接到一起接VCC 的负极，另一端SB1---SB9的一端引线接VCC 的正极，按下抢答按键后对应的二极管可以点亮如：SB7按下后BCD 码的CBA 处的二极管点亮，依次按下所有的抢答按键均对应的发光二极管点亮，即编码电路可以正常工作。 2．译码显示电路的连接、调试
由根据电路原理图将CD4511数码管固定在电路板上并根据集成CD4511和数码管引脚图依次将CD4511的输出端A —G 与数码管a--g 相连接，再把编码输出端A 、B 、C 、D 、与CD4511的BCD 编码ABCD 输入端依次连接，并CD4511 LT、BI 功能引脚接高电平VCC 、LE 锁存引脚接任意电平使其无效。数码管中间两引脚相连接地，这时给CD4511加上+9V电源，按下抢答键不放，按原理分析数码管可以显示对应的抢答键号。按键后二极管发光，七段数码管无显示键号，用万用表测量七段译码器的输出端是否有电压。当测得七段译码器的输出端电压正常，说明七段显示管损坏。更换新的数码管后按键后可以显示对应的抢答键号，依次实验SB1--SB9均可以正常显示。 3．锁存电路的连接、调试
在本设计中，此电路仅使用了一个三极管与CD4086与非门集成电路，依照电路连接简便选择合适的位置将其固定。根据锁存原理图并结合集成块引脚图，依
次将CD4511的输出端A---F 连接到CD4086的输入端上，CD4511的输出端G 通过R2连接到VT1的基极，VT1的发射极E 接地，集电极C 通过R1连接VCC ，同时送到CD4086的11、12脚，将CD4086的13脚通过电阻R3接CD4511的5脚（锁存脚LE ）并接电容C1到地，给CD4086家上+9V电源后，通过按下抢答键验证锁寸电路连接是否正确。按键后二极管发光，七段显示管显示，但放手后七段显示管显示为零，此故障说明无锁存功能。按键后先用万用表测量CD5411D 锁存输入端5脚有高电平，依次向前查找CD4068输出端13脚也没有高电平，经检查CD4068供电电源没有接好。改正后按下任意抢答键，数码管可以显示相应的键号，这时再去按任何抢答键均不起作用，经实验SB1--SB9都可以正确锁存。 4．复位电路连接、调试
复位电路是主持人所使用的为了消除上次抢答成功记录，所设置的此抢答器的复位主要利用的是CD4511的锁存功能。LE 锁存脚为高电平有效，当为低电平时，输出的由输入的决定。此刻因没有开始抢答，编码应为0000，则数码管即显示0字符，完成复位功能，依照其原理，将SB10复位按键一端接CD4511锁存脚、另一端接地。按下SB10后数码管有字符0显示，说明复位电路连接正确。 5．声音提示电路的连接、调试
将蜂鸣器B 、三极管VT2固定在电路板合适的位置，依声音提示电路工作原理图把蜂鸣器的正端接高点平VCC 的正极、负端接VT2的集电极、VT2的发射极接VCC 的负极、基极通过电阻R4连接到cd4068的输出端13脚上。检查电路连接无误后，打开电源开关按下抢答按键不放，蜂鸣器发出声音提示、数码管也显示相应的键号，松开按键数码管显示0字符，经分析测量cd4068 13脚、cd4511 5脚电压得出R4电阻选择较小，当13脚输出锁存高电平时经R4、加到VT2的基极上使VT2导通，B 发出声音提示，此刻因为VT2导通，R4阻值较小就立刻把cd4511 锁存脚电位拉低不能正常锁存。经实验根据现有电阻选择R4的阻值为1.6K 较为合适，按下抢答按键数码管可以显示相应的字符，蜂鸣器也可以发出声音提示。
致 谢
首先衷心地感谢我的导师王春媚老师，这段时间以来王老师无论在实习工作上、思想上、还是在就业指导上都给予我极大的支持。本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，无处不饱含着王老师的心血。王老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向王老师致以深深的谢意和崇高的敬意。还有在这次毕业设计当中也有同学的帮忙，我充分感到了同学的重要性，在以后的生活和工作中希望我们都有个好结果。
25
参考文献
1、《数学电路与逻辑设计》曹国清 中国矿业大学出版社
2、《电子技术》陈澎、曾永和 湖南大学出版社
3、《电子线路设计、实验、测试》谢自美 华中理工出版社
4、《模拟电子技术》胡宴如、耿苏燕 高等教育出版社
5、《电路分析》石生
6、《常用基成电路速查手册》王武江、陈树凯
7、《常用电子元件及典型应用》周惠潮
8、《电子元器件的选用与检测》张庆双
26 高等教育出版社 冶金工业出版社 电子工业出版社 机械工业出版社
B34
天津轻工职业技术学院
毕业 设计(论文)
课题 ：
专业 电子信息工程技术 班级09电子信息工程
学生姓名 刘建平 学生学号 05号
指导教师 王春媚
提交日期 成绩
答辩日期 答辩成绩
答辩教师
总评成绩
摘要内容
本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警多重功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，同时实现报警功能。
关键字: 八路, 抢答器 设计 报警 数码
目 录
第一章 系统简介和实现的原理与电路................................... 1 1.1 基本功能.........................................................1 1.2 扩展功能.........................................................1 1.3数字抢答器总体方框图..............................................3 1.4电路结构..........................................................6 1.5抢答器的讯响电路结构..............................................7 第二章 译码原理和锁存、复位电路及工作原理............................7 2.1译码显示原理......................................................7 2.2锁存器的定义和器件选择........................................... 9 2.3复位、防作弊、锁存原理...........................................10 2.4声音提示电路及选择及工作过程.....................................14 第三章 集成块功能及电路图CD4068 8输入与非门/与门....................14 3.1基本描述.........................................................14 3.2CD4511的引脚.....................................................15 3.3锁存、译码和消隐功能介绍.........................................16 3.4基本描述引脚描述及功能表及与辑表达式.............................17 第四章 数显抢答器电路元器件分析.....................................18 4.1电阻器、电容器、晶体管以及三极管的介绍...........................18
4.2蜂鸣器及数显抢答器电路的连接、系统调试和完善....................21
致谢................................................................25 参考文献............................................................26
第一章 系统功能简介和实现的原理与电路
1.1 基本功能
(1)设置一个系统清除和抢答控制开关S ，该开关由主持人控制。
(2) 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
(3)抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表
1.2 扩展功能
（1） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动" 开始" 键后，定时器进行减计时
（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.3数字抢答器总体方框图
如图1.1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成，优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。
图1.1设计框图
1.3电路结构图
图1.2 抢答器的核心部分
图1.3抢答器的核心部分放大图
图1.4抢答器的核心部分放大图
本制作是一个简易实用的8路数字显示抢答器，图1.2为该抢答器的核心部分，包括抢答、编码、优先、锁存、数显及复位等电路。所用的原件除集成电路CD4511，还有14只IN4148二极管，一只9014（NPN ）三极管；15只电阻，9只按键开关，SB1~SB8为抢答键，SB9为复位键，LED 数码管为0.5英寸的共阴极数码管。其中7只470欧姆的电阻为限流电阻。
CD4511是一块含BCD ——七段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路。CD4511的1、2、6、7脚为BCD 码输入端，第9~15脚为显示输出端。第3脚为测试端（LT ），当LT 为“0”时，输出全为"1" 。第4脚为消隐端（BI ），当BI 为“0”时，输出
全为“0”，显然此时还有可清除锁存器内的数值。第5脚为锁存允许端（LE ），当LE 由“0”变到“1”时，a b c d e f g 七个输出端保持在LE 为“0”时所加BCD 码对应的数码显示状态。第8脚接地，第16脚接电。
图1.5 CD4511
图1.7 9014的引脚图
图1.6 数码管的引脚图
图1.8二极管IN4148的管脚
1.4抢答器的讯响电路结构
图1.9抢答器的讯响电路
图1.10 555的管脚图
其中R1=R2=10K，扬声器通过100uf 的电容器接在555的3脚与地之间，4只二极管分别接CD4511的1 2 6 7 引脚。任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声。只要整个电路元件良好，装备无误，本制作一般不必调试，当电路通电，按下任何一抢答按键不动，听到扬声器发出讯响声，把电源电压稍作调整（8v 左右），使声音悦耳、音量适当即可。
第二章 译显原理和锁存、复位电路及工作原理
2.1 译码显示原理
本设计因为只采用了九路抢答，即采用一个LED 数码管就可以完成显示功能, 设计中我们使用CD4511的输出端A--G 作为LED 数码管（a--g ）的输入。CD4511的输出端A--G 的输出是由BCD 码输入端ABCD 决定的，根据BCD 编码的输入不同在输出端输出不同数据也不同，LED 数码管根据CD4511各端输出的数据点亮七段发光管就会显示相应的字符，CD4511各端输出的信息总是和LED 上显示的相对应。由CD4511的BCD 码输入端ABCD 、输出端A--G 、LED 显示字符三者的关系可得表2—1。
表2-1
七段LED 是一种最常见数码管显示屏，这种数码管的每个线段都是一个发光二极管。与我们小时候玩过的“火柴棒游戏”相似，几根火柴组合起来，可以拼成各种各样的图形，七段LED 数码管实际上就是利用这个原理作成的。数码管的每个线段都是一个发光管，其中七个长条形的发光二极管排列成一个“日”字型，
另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点。
LED 显示器有两种不同的连接形式：一种是8个发光二极管（a---g 及dp ）的正极连在一起，称之为共阳极LED 显示器；另一种是8个发光二极管阴极连在一起，称之为共阴LED 显示器。他们的内电路如图2.1所示。
共阴极 共阳极
图2.1 七段数码管类型
共阴数码管内部的8个二极管的N 极连接在一起，与引脚com 端相连接，在使用时引脚com 应接低电平。当数码管其余的某个引脚接高电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。共阳极数码管内部的8个发光二极管的P 极被连接在一起，与引脚com 端相连接。在使用时引脚com 应接高电平，当数码管其余的某个引脚接低电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。七段发光二极管工作时若电流太小，则发光强度不够：电流太大，则耗电量大，甚至会烧坏二极管。在实际应用中，经常外接1K 的电阻作为限流电阻。
由图2.1可以看出共阳和共阴结构的LED 显示器各笔划段名的安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划就会发光，由发亮的笔划段组合而显示出各种字符，可以显示0--F 十六格字符及小数点。由于此设计中只有九路抢答所以使用led 数码管的0-9十个字符就可以满足显示要求，在本设计中采用CD4511 BCD七段所存，译码，驱动器来驱动数码管显示则七个笔划对应于cd4511的输出端A 、B 、C 、D 、E 、F 、G ，因此可用7位二进制代码表示欲显示字符的代码，数码管各
段与输出端各位的对应关系如表2—2所示。
表2—2
阳极数码管二进制数据位0表示对应字
段亮，数据为1表示对应字段暗; 共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。若要显示"0" 字符共阳极数码管的字符编码应为1000000B, 共阴极数码管的字型编码为0111111B ，依次类推，只要把欲要显示数字字形码通过cd4511输出端送给数码管即可。数码管字型码见表2—3。
表2—3字型码
2.2 锁存器的定义和器件选择
锁存器的定义及器件选择
(一) 使用专门的锁存器74LS373，74LS3074等集成电路，使电路中元件增加，连线复杂，调试维修增加难度，并使设计成本增加。
(二) 选用锁存/译码/驱动器集成于一体的集成电路，可以简化外围电路，工作更加稳定。经比较两种方案，基于设计电路时，我们考虑的是电路简便，实用，稳定性，可靠性好，费用低的原则，故选用方案二。 CD4511BCD七段锁存，译码，驱动器是将锁存器，译码器。它的输出由输入的BCD 码决定，故显示器显示数字为“0、1„„9”。 分析CD4511各引脚功能知 5脚LE 为锁存控制脚，LE 脚为0时，ABCD 输入端决定显示字符，LE 脚为1时，锁存显示的字符此时控制LE 脚的高低电平必须接外围电路，电路如图2.2所示。
图2.2 锁存、复位电路
此数选抢答器不仅有抢答的功能，而且还可以实现防作弊功能，更进一步维护比赛的公平，公正，公开原则。
2.3 复位、防作弊、锁存原理
一、复位原理
电路原理图如2—10所示S10为复位键，一般主持人在喊开始抢答前按下，当S10被按下时，CD4511LE 脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态，显示字符有ABCD 输入端决定，主持人此时并没有喊开始所以任何人不能进行抢答，ABCD 输入端的值全部为0，CD4511的七段输出引脚ABCDEFG 应该为1111110则LED 数码管显示字符0，用CD4511输出ABCDEF 分别接CD4086与非门的10，9，5，4，3，2引脚CD4511输出端G 经VT1反向后变为高电平1连接CD4086的11，12，13引脚。这样CD4086与非门输入端为1，即输出低电平0，CD4086的输出端经过R3限流后连到CD4511的5脚LE 上，保持主持人在没有喊开始之前LED 数码管数字一直显示为0。
图2.3 复位电路
二、防作弊原理
主持人在按下S10按键后，CD4511LE 引脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态显示字符取决于ABCD 输入端，此刻并没有喊开始，所以ABCD 输入端的值全部应为0，CD4511的输出端ABCDEFG 应为1111110，而LED 数码管显示为0，如果有人在此之前按下抢答键CD4511的输入端ABCD 的值不全为0，输出端ABCDEFG 也输出与输入相对应的值，通过LED 数码管显示出抢答器的抢答号，而且还通过CD4086与非门后到达CD4511的LE 引脚锁存该按键号，找出作弊的比赛者。因此，有效的防止有人作弊。
三、锁存原理
表2-4 锁存原理
当主持人喊开始后最先按下抢答键的键号会在LED 数码管上显示出来，其它键再按下去也不起作用。某一个按键被按下后首先编码电路对其进行编码并输出到CD4511的ABCD 端，由于CD4511本身具有译码，驱动功能，输出端ABCDEFG 则根据ABCD 的输入值输出对应的数值在LED 数码管上显示出来。同时，CD4511是输出端ABCDEFG 是值也送到了CD4086与非门的输入端上，经与非门输出端高电平1送到CD4511锁存引脚LE ，由于CD4511的LE 为锁存引脚，为低电平0时，无效。为高电平1时，处于锁存状态。此LE 为高电平1时处于锁存状态，输出的值被固定与输入端ABCD 的输入没有关系即比赛者再按下抢答键进行抢答均不起作用。主持人喊开始后，若首先按下的键为SB6时，当SB6被按下时，编码电路首先对其进行编码0110，再送到CD4511的输入端ABCD 经CD4511本身具有的译码，驱动功能，输出端ABCDEFG 为0011111则数码管上显示字符6，同时输出端AB 是值00送到CD4086的10，9引脚，CDEF 的值1111送到5，4，3，2引脚，G 值经过VT1的反向后变为0送到11，12引脚，此时CD4086输入端的值为11110000，与非后输 出高电平1并送到CD4511的锁存引脚LE ，CD4511是LE 只要一为高电平1，立刻处于锁存状态，输入端ABCD 输入的值都为无效，即再按抢答键不起作用。只有主
持人按下“复位”按钮强行使CD4511锁存脚置零，CD4511锁存解除，才能开始下一论抢答。依此原理可得表2—4。
2.4 声音提示电路及选择及工作过程
一、声音提示电路的选择
声音提示是为了更好的提示抢答人员是否还有抢答的机会而设置的电路。 方案一：选用扬声器发声，必须有功率放大集成电路进行信号放大，如功放块LM386发出声音，其电路连接复杂，扬声器功耗大，需要的元器件较多。 方案二：选用蜂鸣器 使用蜂鸣器不需要驱动电路，只需一个控制开关，就可以实现声音提示功能电路连接图如2.4所示。经比较，基于连接简单，费用低可以实现同样的功能，考虑选择第二种方案作为本设计的声音提示电路。
图2.4 声音提示电路
声音提示是协同显示字符工作的，支持人按下复位键时，数码管显示0字符，报警电路不工作，没有声音，只有有抢答键被按下时，数码管显示相应的键号，报警电路工作有声音。 二、工作过程
当有选手抢答成功后，数码管显示该选手号码，同时CD4086的输出端为高电平1，使CD4511处于锁存状态因VT2的基极是接应CD4086的输出端上的，所以VT2基极电压升高（>=0.7V）使VT2导通，蜂鸣器负极接地，正极接VCC ，蜂鸣器工作发出声音，在主持人没有按下复位键一直工作。
第三章 集成块功能及电路图CD4068 8输入与非门/与
门
电路中采用了两块CMOS 数字集成电路，CD4511将BCD 编码、七段锁存、译码、驱动功能集于一身，一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED 显示器。CD4068 是八输入的与非门/与门数字基成电路。
3.1基本描述
高输出源电流可达25mA ，输入所存提供BCD 码存储功能、灯测试和消隐功能，BCD 码>1001时，七段译码输出消隐100%测试的静态电压规定可到20V,VDD=18V最大输入电流1uA （整个温度范围）TA=25C时输入漏电流最大为100mA 。
显示译码器CD4511是一个用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED 显示器。 其引脚功能介绍如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端. 。a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
3.2 CD4511的引脚
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 。其引脚图如3.1所示。
图 3.1 CD4511引脚
各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A 、B 、C 、D ；5、4、3分别表示LE 、BI 、LT ；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b 、c 、d 、e 、f 、g 。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD 、VSS 。CD4511的工作原理 CD4511的如表3-1。
表3-1 工作真值表
表3—2 CD4511的真值
3.3 锁存、译码和消隐功能介绍
一、锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成, 传输门的导通或截止由控制端LE 的电平状态. 当LE 为“0”电平导通，TG2截止；当LE 为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。 二、译码功能
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B 、C 进行组合，然后将输入的数据A 、D 一起用或 非门译码。 三、消隐功能
BI 为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B 端输出为低电平，字形消隐。 消隐输出J 的电平为 J =（C+B）D+BI 如不考虑消隐BI 项，便得J=（B+C）D ，据上式，当输入BCD 代码从1010--1111时，J 端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
3.4 基本描述引脚描述及功能表及与辑表达式
一、基本描述
10V 中速工作时TPHL=TPLH=75nS缓冲的输出级100%测试的静态电压规定可到20V ，VDD=18V 25摄氏度时输入最大漏电流100mA 。 二、引脚描述及功能表
表3—3引脚描述及功能
图3.2 引脚图
三、引脚图(3—4) 与辑表达式
与非门输出 Y=/A/B/C/D/E/F/G/H 与门输出 W=ABCDEFGH
第四章 数显抢答器电路元器件分析
本实验用到的电阻都是色环电阻。电阻的测量：R1、R2（10k Ω）色环为：棕黑橙 ，实际测量为R1=9.92 kΩ,R2=9.89 kΩ, R3（2k Ω）色环为:红黑橙, 实际测量为 R3=2.1 k Ω，R4（1.6k Ω）色环为:棕兰红, 实际测量为R4=1.52 k Ω。1N4004型硅整流二极管测量结果:良好。三极管VT-9013测试结果:良好。扬声器测试结果：良好。
4.1电阻器、电容器、晶体管以及三极管的介绍
一、电阻器
电阻（Resistor ）是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。
电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“ Ω”表示。欧姆是这样定义的：当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。除了欧姆外，电阻的单位还有千欧（K Ω），兆欧（M Ω）等。其换算关系为： 1MΩ=1000KΩ ， 1KΩ=1000Ω。 电阻器的电气性能指标通常有标称阻值, 误差与额定功率等。 它与其它元件一起构成一些功能电路，如RC 电路等。 电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。色环法在一般的的电阻上比较常见。由于精密电路中的电阻一般比较小，很少被标上阻值，即使有一般也采用数字法，即， 101表示100Ω的电阻， 102表示1K Ω的电阻， 103表示10K Ω的电阻。 二、电容器
电容器简称电容，也是组成电子电路的主要元件。它可以储存电能，具有充电、放电及通交流、隔直流的特性。
（一）电容器结构特性和定义
电容器的结构特性：电容器是由两个相互靠近的金属电极板，中间夹一层绝缘介质构成的。在电容器的两个电极加上电压时，电容器就能储存电能。
定义：电容器所带的电量与两极板间电势差的比值叫电容。 （二）电容器的物理意义
电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，在数值上等于把电容器两极板间的电势差增加1 V所需充加的电量。注意：电容C 由电容器本身的构造因素决定，与Q 、U 无关。 （三）电容的单位
其单位为法，符号F 。 1 F＝1000000μF ＝[1**********]00pF 三、晶体管
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种元素是硅和锗。
PN 自由电子和空穴作定向运动。内电场的方向：由N 区指向P 区。内电场的作用：一方面阻碍多子的扩散运动，另一方面促使两个区靠近界面处的少子产生漂移运动。PN 结的单向导电特性：加在PN 结上的电压称为偏电压，若P 区为电信高端，N 区为电位低端，称PN 正偏；反之，称反偏。PN 结正偏导通，呈现很小的电阻，形成较大的正向电流。PN 结反偏截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为0。因此，电路中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等。
四、三极管
半导体三极管也称为晶体三极管，它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。电子制作中常用的三极管有90××系列，低噪声管9013（NPN ）等。我们使用的三极管是：NPN 型9013功放管。
三极管有两种类型：NPN 和PNP 。它有两个PN 结（分别称为发射结和集电结），三个区，从三个区域引出三个电极。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。 （一）极限参数
1．最大允许集电极耗散功率PCM
PCM是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功耗Pc 大于PCM 时，不仅使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。 2．最大允许集电极电流ICM
当IC 很大时，β值逐渐下降。一般规定在β值下降到额定值的2／3（或1／2）时所对应的集电极电流为ICM 当IC ＞ICM 时，β值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。 3. 反向击穿电压BVCEO 与BVCEO
BVCEO 是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。BVCBO 是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的（1／2～1／3），以保证管子安全可靠地工作。
（二）三极管的特性曲线
三极管的共发射极电路如图4.1所示。
图4.1 三极管的共发射极电路
（三）判断三极管的引脚
晶体三极管内部有两个PN 结, 所以可以用万用表欧姆测量PN 结的正、反向电阻来确定晶体三极管的管脚、管型并可判断三极管性能的好坏。
1基极判别:将万用表置于欧姆R*1K挡，用两表笔搭接三极管的任意两管脚，如果阻值很大（几百千欧以上），将表笔对调在测试一次，如果阻值也很大，则剩下的引脚必是基极B 。
2类型判别:基极确定后，可用用万用表黑表笔（正值）去搭接在引脚基极B 上，另一表笔任意搭接。如果测得阻值较小，为NPN ；反之, 为PNP 。
3集电极测试，测NPN 型C 极时，先在除B 极以外两个电极中任设一个为C 极，并用万用表黑表笔搭接在假设的C 极上，红表笔搭接在假设的发射极上，用一大电阻R 接B 极和假设的C 极上，如果数字表有较大的变化，则假设正确；反之, 为E 极。
4.2 蜂鸣器及数显抢答器电路的连接、系统调试和完善
一、蜂鸣器的简介及种类
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机，打印机，复印机，报警器，电子玩具，汽车电子设备，电话机，定时器等。电子产品中做发声器件，主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器有两类3大品种一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器
和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是因音频信号驱动的，通上支流电就可工作而已。 （一）压电式蜂鸣器
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5—15支流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5—2.5kHz 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由铅钛酸铅式铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。 （二）电磁式蜂鸣器
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振荡膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 二、数显抢答器电路的连接、系统调试和完善
对于本电路的实物连接就是依照电路图将所选元件连接到电路板上，连接时注意元器件要按照电路图所示逐个的进行连接，要分类进行。连接电阻时要分清电阻的阻值和类别，集成块的安装要对应好了方可安装。另外还有三极管的安装要分清它的集电极、基极、发射极，开关的安装要分清开关的位置。
装配时注意：不要扭动固定爪、拆卸；不要随意修改PCB 板、装配孔、电路。 焊接注意：温度小于280℃焊接时间要少于3秒，使用恒温焊锡，重复焊接少于3次，间隔大于5分钟。 （一）对电路板布局
根据电路原理图的元器件的多少、形状及集成块的引脚位置再结合所用的电路板的大小、焊盘连线，确定个元器件在电路板上的大体位置完成大致的布局。随着电子时代的迅速发展，仅仅实用、可靠以不能满足消费者对产品的需求。随着人们生活水平的不断提高要求的不只是实用、可靠这两方面而是更侧重于讲究美观、精小，即在生产产品之前有较好的布局变得很有必要。 （二）电路的连接与调试
把已经测试好的电阻、二极管、三机管、蜂鸣器、开关、数码管、若干导线、电路板、电源放在实验台上。由分析电原理图知此电路分为编码电路、译码显示电路、锁存电路、复位电路、声音提示电路等五大模块，根据抢答器原理我们首先连接编码电路，依次连接译码显示、锁存、复位、声音提示电路，这样从前向后连接可用最小程度的减少连线中所出的问题，这种方法且连接出的电路调理清晰查找故障方便。
1．开关、编码电路的连接、调试
根据布局先选择抢答按键及对应二极管的相应位置再对其进行焊接，依照编码电路图2-1，SB1---SB9的一端相连接,VD1、VD3、VD7、VD10的负极与SB1相连接作BCD 码的最低位A ，依次将VD2,VD5,VD8的负极与SB2相连接作BCD 码的低位B,VD4,VD6,VD9的负极与SB4相连接作BCD 码的高位C ，VD11的负极与SB8相连接作BCD 码的最高位D 。连接完成后在ABCD 处分别接一个发光二极管，其负极连接到一起接VCC 的负极，另一端SB1---SB9的一端引线接VCC 的正极，按下抢答按键后对应的二极管可以点亮如：SB7按下后BCD 码的CBA 处的二极管点亮，依次按下所有的抢答按键均对应的发光二极管点亮，即编码电路可以正常工作。 2．译码显示电路的连接、调试
由根据电路原理图将CD4511数码管固定在电路板上并根据集成CD4511和数码管引脚图依次将CD4511的输出端A —G 与数码管a--g 相连接，再把编码输出端A 、B 、C 、D 、与CD4511的BCD 编码ABCD 输入端依次连接，并CD4511 LT、BI 功能引脚接高电平VCC 、LE 锁存引脚接任意电平使其无效。数码管中间两引脚相连接地，这时给CD4511加上+9V电源，按下抢答键不放，按原理分析数码管可以显示对应的抢答键号。按键后二极管发光，七段数码管无显示键号，用万用表测量七段译码器的输出端是否有电压。当测得七段译码器的输出端电压正常，说明七段显示管损坏。更换新的数码管后按键后可以显示对应的抢答键号，依次实验SB1--SB9均可以正常显示。 3．锁存电路的连接、调试
在本设计中，此电路仅使用了一个三极管与CD4086与非门集成电路，依照电路连接简便选择合适的位置将其固定。根据锁存原理图并结合集成块引脚图，依
次将CD4511的输出端A---F 连接到CD4086的输入端上，CD4511的输出端G 通过R2连接到VT1的基极，VT1的发射极E 接地，集电极C 通过R1连接VCC ，同时送到CD4086的11、12脚，将CD4086的13脚通过电阻R3接CD4511的5脚（锁存脚LE ）并接电容C1到地，给CD4086家上+9V电源后，通过按下抢答键验证锁寸电路连接是否正确。按键后二极管发光，七段显示管显示，但放手后七段显示管显示为零，此故障说明无锁存功能。按键后先用万用表测量CD5411D 锁存输入端5脚有高电平，依次向前查找CD4068输出端13脚也没有高电平，经检查CD4068供电电源没有接好。改正后按下任意抢答键，数码管可以显示相应的键号，这时再去按任何抢答键均不起作用，经实验SB1--SB9都可以正确锁存。 4．复位电路连接、调试
复位电路是主持人所使用的为了消除上次抢答成功记录，所设置的此抢答器的复位主要利用的是CD4511的锁存功能。LE 锁存脚为高电平有效，当为低电平时，输出的由输入的决定。此刻因没有开始抢答，编码应为0000，则数码管即显示0字符，完成复位功能，依照其原理，将SB10复位按键一端接CD4511锁存脚、另一端接地。按下SB10后数码管有字符0显示，说明复位电路连接正确。 5．声音提示电路的连接、调试
将蜂鸣器B 、三极管VT2固定在电路板合适的位置，依声音提示电路工作原理图把蜂鸣器的正端接高点平VCC 的正极、负端接VT2的集电极、VT2的发射极接VCC 的负极、基极通过电阻R4连接到cd4068的输出端13脚上。检查电路连接无误后，打开电源开关按下抢答按键不放，蜂鸣器发出声音提示、数码管也显示相应的键号，松开按键数码管显示0字符，经分析测量cd4068 13脚、cd4511 5脚电压得出R4电阻选择较小，当13脚输出锁存高电平时经R4、加到VT2的基极上使VT2导通，B 发出声音提示，此刻因为VT2导通，R4阻值较小就立刻把cd4511 锁存脚电位拉低不能正常锁存。经实验根据现有电阻选择R4的阻值为1.6K 较为合适，按下抢答按键数码管可以显示相应的字符，蜂鸣器也可以发出声音提示。
致 谢
首先衷心地感谢我的导师王春媚老师，这段时间以来王老师无论在实习工作上、思想上、还是在就业指导上都给予我极大的支持。本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，无处不饱含着王老师的心血。王老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向王老师致以深深的谢意和崇高的敬意。还有在这次毕业设计当中也有同学的帮忙，我充分感到了同学的重要性，在以后的生活和工作中希望我们都有个好结果。
25
参考文献
1、《数学电路与逻辑设计》曹国清 中国矿业大学出版社
2、《电子技术》陈澎、曾永和 湖南大学出版社
3、《电子线路设计、实验、测试》谢自美 华中理工出版社
4、《模拟电子技术》胡宴如、耿苏燕 高等教育出版社
5、《电路分析》石生
6、《常用基成电路速查手册》王武江、陈树凯
7、《常用电子元件及典型应用》周惠潮
8、《电子元器件的选用与检测》张庆双
26 高等教育出版社 冶金工业出版社 电子工业出版社 机械工业出版社