路抢答器的组装与调试

项目三　4路抢答器的组装与调试

李红所在班上准备举行知识竞赛活动，需要一个抢答器，班主任让李红负责，利用实验室里的器材进行组装。下面我们和李红同学一起来做一个4路抢答器。

【知识目标】

　●能描述基本触发器的工作原理。

　●能说出基本触发器的特征方程。

　●能描述7段数码管显示原理。

　●能根据4路抢答器电路原理图分析功能，列写真值表。

【技能目标】

　●能识读基本触发器的逻辑符号及吸引脚功能。

　●能识别集成触发器实物。

　●能根据4路抢答器装配图完成电路的组装和调试。

任务一　组装4路抢答器电路

任务描述

知识竞赛活动一般由几组人员参加，如果要让抢答者用举手等方法进行抢答，就有可能因为主持人的主观误断造成比赛的不公平。为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就需要用抢答设备来作为裁判员。现在我们就和李红同学一起来组装一个4路抢答器。

任务分析

本4路抢答器主要采用锁存电路及译码显示等典型功能电路来实现，要求开始抢答后，若无抢答者抢答，通过译码显示电路显示“0”；当有抢答选手抢答，通过锁存电路锁存第一抢答者信号，其他选手按下抢答键无效，并通过译码显示电路显示第一抢答者的序号；当主持人按下复位键后，译码显示电路显示“0”等待下一轮抢答的开始。在完成本任务之前，学生需要认知触发器、译码显示器及七段数码管等元件。为了更好地组织教学，建议采用小组协作、理实一体组织教学。

任务实施

活动一　认识电路组成与功能

一、逻辑框图

4路抢答器逻辑框图如图3-1所示。

图3-1

二、电路原理图

4路抢答电路原理图如图3-2所示。

活动二　元件的识别与检测

一、元件清单

元件清单见表3-1。

表3-1　元件清单表

二、元件检测

在安装前应用万用表对元件进行检查，防止已损坏的元件被安装。

①七段数码管检测:引脚是否正常，有无断裂、损坏。

②74LS系列芯片检测:引脚是否正常，有无断裂、损坏。

③按钮开关检测:通断是否正常，有无损坏。

活动三　识读电路装配图，组装电路

一、识读装配图

观察装配图，如图3-3所示识读图上相应的器件。

图3-3

二、组装步骤

①正确识读装配图。

②按照装配图正确整形、安装各元器件，特别是集成芯片的焊接引脚较多，错误后难以进行修改，因此安装完成之后一定要加以检查是否安装正确。

③焊接各元件，特别注意芯片引脚的焊接，避免焊锡量过多使相邻引脚连在一起。

④焊接电源连线。

三、装配工艺

在印制板上安装元件时，应注意如下几点:

①元件引脚若有氧化膜，则应除去氧化膜并进行搪锡处理。

②安装时，要确保元件的极性正确，如集成芯片74LS48，注意器件与装配图上缺角对应。

③元件外形的标志应放于便于识别的位置。

④同一种元件的高度应当尽量一致。

⑤安装时，应先安装小元件（如电阻），然后安装中型元件，最后安装大型元件，这样便于安装操作。另外，应先装耐高温元件。

⑥在进行焊接操作时要注意送锡方法及焊接时间。

任务二　调试4路抢答器

任务描述

组装好的抢答器能否在竞赛中准确、公正、直观地判断出第一抢答者，关键在于抢答器是否能够正常工作，接下来我们就对组装好的4路抢答器进行调试。

任务分析

在完成本任务前需要认知触发器、译码显示器及7段数码管的工作原理。该4路抢答器多数采用集成芯片，没有较多的独立元器件，因此只需要利用万用表检测几个集成芯片是否正常工作即可。

任务实施

活动一　通电前的检查

电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍。

①检查每个元件的规格型号、安装位置是否正确，着重检查各芯片的极性。

②检查每个焊点是否有漏焊、假焊和搭锡现象，线头和焊锡等杂物是否残留在印制电路板上。

③清理好测试场地和工作台，以便做进一步的调试。

活动二　检测与调试

一、通电前检测

检测时，不要急于测试，先要用眼看、鼻闻，观察有无异常现象。如果出现元器件冒烟、有焦味等异常现象，要及时中断通电，排除故障后再行通电检测。

二、工作过程

随意按下任一抢答按钮，观察LED数码管显示情况，若显示数字与选手号不同或无法显示现象，利用万用表测试电路的通断情况，故障排除之后再通电进行测试。

下面以2号选手首先抢答为例说明其工作过程:

①电源接通后，七段LED数码管显示“0”等待抢答的开始，接线图如图3-4所示。

②2号选手按下抢答键，SW2输出为高电平，信号经过U5B输出为低电平，再由U4A到达74LS175的CLK端，使74LS175触发锁存该信号，其他选手再按下均无效。同时，74LS175输出Q1也为高电平，经74LS32将二进制代码“0010”输入到显示译码器74LS48，显示译码器将相应的十进制数显示在数码管上，接线图如图3-5所示。

③第一轮抢答完毕，主持人按下复位键，数码管清零（显示“0”），等待下轮抢答开始。

三、主要故障检测

（1）检测开关故障

①抢答开关:按下按钮S2，Q1应为高电平，否则开关损坏。其他的抢答开关故障按照相同的方法检查。

②复位按钮:按下复位按钮，74LS112的R端应为低电平，否则复位按钮损坏。

（2）检测芯片故障

①测量74LS112输出端电平，其输出端电平Q端应与输入端电平一致，说明芯片正常。

②改变74LS32输入端的电平，测量74LS48的输入端ABCD的电位，看其与根据或门的逻辑功能推导出来的结果是否一致。若一致，说明芯片工作正常。

③改变74LS48的输入电平，根据74LS48显示译码器的功能对照输出是否一致。若一致，说明芯片工作正常。

（3）检测7段数码管故障

用万用表红表笔接公共端，黑表笔分别接各笔段电极。正常情况下，指针应偏转（一般为100kΩ以内），说明笔段的发光二极管导通，同时对应笔段会发光。若测到某个引脚时，指针不偏转也没有发光，说明被测笔段的发光二极管内部已开路损坏。

（4）分组调试

按照电路工作过程，从输入端逐步检测电路中的关键点，观察其输出是否正确，直至电路正常工作调试完成。

知识链接

知识点一　触发器基础知识

在数字电路中，只有二进制数字和两状态逻辑信号作为基本的工作信号，触发器就是存放这些信号的单元电路，被称为是具有记忆功能的电路。

一、触发器的现态与次态

触发器接收信号之前的状态称为现态，用Qn表示；触发器接收信号之后的信号称为次态，用Qn＋1表示。触发器次态输出Qn＋1与现态Q1和输入信号之间的逻辑关系是知识重点。

二、触发器逻辑功能的表示方法

①逻辑电路:实现触发器逻辑功能的电路。

②特性表:又称功能表，用来反映触发器输出与输入状态的变化规律。

③特性方程:又称状态方程，反映触发器输出状态变化的函数式。

④状态转换图:反映触发器“0”和“1”两种状态之间转换及条件的图形。

⑤时序图:又称输出状态演化时序波形图，类似组合逻辑电路的波形图。

知识点二　基本触发器

一、电路组成与逻辑符号

图3-6所示是两个与非门交叉连接起来构成的基本RS触发器，是信号输入端，字母上的反号表示低电平有效，即 端为低电平时表示有信号，为高电平时表示无信号。和Q表示触发器的状态，是两个互补的信号。

图3-6

二、电路工作原理

电路无输入信号，即 ＝＝0时，有两个稳定状态:

（1）0状态

我们把Q＝0、＝1的状态定义为0状态。由于Q＝0送到与非门G2的输入端，使之截止，保证 ＝1，而 ＝1和 一起使与非门G1导通，维持Q＝0。

（2）1状态

我们把Q＝1、＝0的状态定义为1状态。由于 ＝0送到G1与非门的输入端，使之截止，保证Q＝1，而Q＝1和 ＝1一起使G2与非门导通，维持 ＝0。

通常把Q＝1，＝0的状态称为触发器的1状态；把Q＝0，＝1的状态称为触发器的0状态。根据0状态和1状态的定义，我们一般用Q端的状态表示触发器的状态。

知识点三　JK触发器

一、电路组成与逻辑符号

JK触发器电路组成与逻辑符号如图3-7所示。

组成:它由两个同步RS触发器构成，其中1门～4门组成从触发器，5门～8门组成主触发器。

二、特性表与特性方程

图3-7

表3-2　JK触发器的功能表

三、常用JK触发器

74LS112的外引脚图如图3-8所示，逻辑符号如图3-9所示。

图3-8

图3-9

74LS112为负边沿触发的双JK触发器。SD、RD分别为异步置1端和异步置0端，均为低电平有效。其逻辑功能见表3-3。

表3-3　74LS112功能表

知识点四　显示译码器74LS48

74LS48芯片是一种输出高电平有效的7段数码管译码器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。其实物图如图3-10所示，引脚功能图如图3-11所示，74LS芯片驱动功能表见表3-4。

图3-10

图3-11

表3-4　74LS48功能表——7段译码驱动器功能表

知识点五　7段LED数码管

7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个表示小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0～9数字和小数点，使用非常广泛。它的外观如图3-12所示。

图3-12

图3-13

数码管可以分为共阳极与共阴极两种。共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如图3-14所示；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如图3-15所示。图中的8个LED分别与图3-13的a—dp各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。例如:显示数字“2”，那么应当是a亮、b亮、g亮、e亮、d亮、f不亮、c不亮、dp不亮。

图3-14

图3-15

强化训练

一、练一练

（1）JK触发器在_________时可以直接置1，在_________时可以直接清0。

（2）要使JK触发器的输出Q从1变成0，它的输入信号JK应为_________。

（3）JK触发器74LS112，当JK＝00时，Qn＋1＝_________；当JK＝10时，Qn＋1＝_________。

（4）驱动共阳极7段数码管的译码器的输出电平为_________有效。

（5）若74LS148输入端ABCD＝“1100”，则数码管显示数字:_________。

（6）画出图3-16所示由与非门组成的基本RS触发器输出端Q、Q 的电压波形，输入端S、R 的电压波形如图中所示。

图3-16

二、做一做

我们学习组装了4位参赛选手的抢答器，如果参赛选手超过4位呢？现在请同学们根据4路抢答器工作原理及所使用元器件设计一个8路抢答器，并画出电路原理图。

学习评价表

续表