八路抢答器的设计与制作(年赛题)

时间：2022-03-03 理论教育版权反馈

【摘要】：CD4511的1、2、6、7脚为BCD码输入端，第9～15脚为显示输出端。8路数显智力抢答器，可用一块尺寸为8cm×20cm的电路板，将电源、讯响及主控电路制作、焊接成一个整体，为了操作的方便，按键SB1～SB8及扬声器用适当长度的导线连接到电路板相应的接点上。

1．题意

运用模拟电路、数字电路知识设计，制作一个8路智力竞赛抢答器，要求有优先锁存、数显、声响及复位电路。

2．电路结构

图10－1 抢答器核心电路

3．主要元器件作用解析

(1)SB1～SB8为按键开关，当按键按下时即接通高电平。

(2)R1、R2、R5、R6为CD4511输入端下拉电阻，用于保持电路的稳定性。

(3)VD1～VD12构成或门电路，利用二极管的单向导通性。使得数码管依次出现1至7。

(4)R9～R15为数码管显示的限流电阻，防止电流过大，烧坏数码管。

(5)R7、R8、VT为数码显示“1”、“7”的锁存电路。此处利用三级管开关特性。

(6)R4为上拉电阻，保证在按键SB9按下前为高电平，按下后为低电平。

(7)CD4511为数码管驱动芯片，当输入数字大于9时，数码管消隐。

4．CD4511集成电路解析

其引脚图见图10－2所示。

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(岫，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”，显然此时还可清除锁存器内的数值。第5脚为锁存允许端(LE)，当LE端由“0”→“1”时，a、b、c、d、e、f、g7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16脚接电源正极，第8脚接电源负极，CD4511输入端与输出端的关系可见图10－1真值表。

图10－2 CD4511管脚图

除上述核心电路外，还有电源电路及讯响电路。电源电路采用第8章的图8－22的LM317可调直流稳压电源电路，提供8V左右的直流电压给核心电路与讯响电路(UDD=8V)，这三部分的接地(GND))彼此相连，抢答器的讯响电路由多谐振荡电路稍作改变成图10－4的音频多谐振荡器，其中T=0．69×(RA+2RB) ×C。扬声器(1/4W、8Q)通过10μF的电容器接在IC555的3脚与地(GND)之间，C=0．1μF，而RA没有直接接电源。而是通过4只IN4148组成的二极管或门电路，4只二极管的阳极分别接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，装配己无误，本制作一般不必调试，当电路通电，按下任一抢答按键不动，听到扬声器发讯响后，把电源电压稍作调整(8V左右)，使声音悦耳、音量适当即可。

表10－1 CD4511的真值表

续上表

× =Don't Care

* Dependsup on the BCDcodeappliedduring the 0 to 1transition of LE．

图10－3 CD4511真值表及驱动显示

5．电路的工作原理

本次大赛由直流稳压电源部分(如图10－5所示)、主电路部分(如图10－1所示)和讯响电路部分组成(如图10－4所示)组成。

SB1～SB8组成1～8路抢答键，D1～D12组成数字编码器，任一抢答键按下，都须通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端。从CD4511的管脚图可以看出，引脚6、2、1、7分别为BCD码的D、C、B、A位(D为高位，A为低位，即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位)。设SB8键按下，则高电平仅通过1只二极管加到CD4511的6脚，而2、1、7脚，保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“1000”。又如有SB5键按下，此时高电平便通过2只二极管加到CD4511的2脚与7脚，而6、1脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码是“0101”。依此类推，按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动地由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示。

图10－4 抢答器讯响电路

图10－5 直流稳压电源部分

由于抢答器都是多路即满足多位参赛者抢答的要求，这就有一个先后判定的锁存优先的电路，确保第一个抢答信号锁存住同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰CD4511内部电路与VT、VD13、VD14、R7、R8组成的控制电路可完成这一功能，当抢答键都未按下时，因CD4511的BCD码输入端都有接地的电阻(10kΩ)，所以此时BCD码输入端为“0000”，则CD4511输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。通过对0～9这10个数的分析(见CD4511真值表)可以看到，只当数字为“O”时，才出现d为高电平而g为低电平，这时VT导通，VD12、VD14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚，即LE端为低电平“O”，这种状态下CD4511没有锁存而允许BCD码输入。在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当SB1～SB8任一键按下时，CD4511输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使CD4511的LE端(第5脚)，由“0”变“1”反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g7个输出锁存保持在LE为“O”时输入的BCD码之显示状态。例如SB1键第一个按下，数码管应显示“1”，此时仅e、f为高电平，而d为低电平。此时三极管VT的基极亦为低电平，集电极为高电平，经VD13加至CD4511第5脚，即LE“0”→“1”状态。则在LE为“O”时输入给CD4511的第一个BCD码数据，被判定优先而锁存。所以数码管显示对应SB键送来的信号是1，SB键之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答，主持人须先按下复位键SB9，清除锁存器内的数值，数显先是消隐一下，再复“0”显状态。此后，若SB5键第一个按下，这时应立即数显“5”，与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平(10脚d为低电平，12脚h为低电平， VD13截止)，并通过VD14使CD4511的第4脚为高电平，此时LE呈“0”→“1”状态，于是电路判定优先锁存，后边的其它按键信号被封住，可见电路一旦“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。