抢答器控制电路设计

课程设计的任务和要求： （包括原始数据、性能指标和工作要求） 要求： 1、 三路控制抢答器 2、 当有一路抢答开头闭合时，相应的显示灯亮，并伴有声音提示，此时其它两路信号不能输入。 3、 电路要有时间控制（少于10秒），达到时限时发出声响以示警告。 4、 电路选用cmos集成电路cc4000系列 5、 电源电压5～10V。 课程设计工作量： 1、 包括电路各部分的组成及工作原理说明。 2、 电路的性能和元器件的选取说明。 指导老师评语及成绩评定： 指导老师： 年 月 日

目 录

前 言 ................................................................................................................................................ 3 二、电路的组成及工作原理............................................................................................................... 4 三、单元设计 ...................................................................................................................................... 6

（一）、抢答器 ..................................................................................................................6 （二）、抢答控制电路 .....................................................................................................10 （三）、清零装置 ............................................................................................................11 （四）、计时电路 ............................................................................................................12 （五）、显示电路 ............................................................................................................13 （六）、声响电路 ............................................................................................................17 （七）、声响控制电路 .....................................................................................................18 （八）、振荡电路 ............................................................................................................19 四、安装和调试 ................................................................................................................................ 21

（一）、抢答器显示的功能测试 ......................................................................................21 （二）、清零功能测试 .....................................................................................................22 （三）、计时功能测试 .....................................................................................................22 （四）、声响电路的功能测试 ..........................................................................................22 五、问题讨论 .................................................................................................................................... 23 六、参考文献 .................................................................................................................................... 24 七、设计总结 .................................................................................................................................... 24

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前 言

智力竞赛抢答计时器是人们常用于各种需抢答比赛时用的电路器件，它是一名公证的裁判员。抢答计时器的出现给人们带来极大的方便，它能准确无误地从若干名参赛者中确定出最先的抢答者，并具有计时、显示、声响等功效。它的设计要求是：（a）一个三个人参加的抢答计时器；（b）当有一个参赛者首先按下抢答开关时，相应显示灯亮并伴有声响，此时，抢答器不再接收其它输入信号；（c）电路具有回答问题时间控制功能，要求回答问题的时间少于10秒（显示为0～9），时间显示采用倒计时方式，当达到限定时间后，能够发出声响以示警告。

智力竞赛抢答计时器电路选用中规模cmos集成电路cc4000系列，工作电压为5～10V，能和TTL电路公用电源，也便于连接，该系列的输入输出端加有反向器作缓冲级，具有对称的驱动能力和输出波形，输出高、低电平时的抗干扰能力相同，电路的外部引线排列图和对应序号同国外产品一致。它是当前发展最快、应用最普遍的cmos器件。因此在本次设计中主要选用中规模cmos集成电路cc4000系列。

智力竞赛抢答计时器系统主要由六部分组成：抢答器、抢答控制电路、清零装置、显示、声响电路和计时电路。其中，倒计时功能的

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集成块选用一片CC40192组成十进制减法计数器电路，规定时间为10秒。中规模集成D触发器选用CC4013与非门G1选用CC4012。显示器的集成块选用CC4511。除了以上所需的元件外，还有石英晶体振荡器，D型解发器，发光二极管、电阻、电容等。

下面，就从智力竞赛抢答器的设计到组装，再经调试这一系列过程分别进行系统阐述。

二、电路的组成及工作原理

根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答器系统的组成框图如图一所示，它主要由六部分构成：

(图一）

在三人抢答逻辑电路的要求是这样的：三名参赛者每人控制一个

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按钮，比赛开始后，先按下按钮者对应的指示灯亮，同时蜂鸣器开始发出叫声，以后其他两人再按下则不起作用，并要求参赛者在规定的时间里回答完问题。

（图二）

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图二电路就是按照上述要求设计的总电路图。图中的A、B、C三个按钮分别由三名参赛者控制，按钮J由竞赛主持人控制，DA、DB、DC是三个发光二极管。

抢答开始前，竞赛主持人先按以下按钮J，将触发器FA FB FC全部置成零状态，时钟信号CP(100KHZ)，通过门G，同时加到三个触发器上。

抢答开始后，假定按钮A首先被按下时，则FA的D端输入高电平在CP作用FA迅速被置1，FA的Q非端变为低电平，这个低电平一方面将门G1封锁，以保证即使在按下按钮B或C时，FB、FC也不会置1，另一方面将使对应的发光二极管DA点亮，同时使门G2输出高电平，打开门G3让1KHZ的信号通过门G3送给蜂鸣器，发出叫声，这种状态会一直维持下去，直到竞赛主持人再次按下按钮J为止。

此外，计时电路在9秒向0秒倒计时再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲往反相器G4得到列一个高电平，这个高电平信号也能使蜂鸣器发声以示警告。

三、单元设计

（一）、抢答器

抢答器是智力竞赛抢答器的核心，当参赛者的任意一位首先按下抢答器开关时，抢答器即刻收到该信号，指使相应发光二极管（或音

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响电路发出声音），与此同时，封锁住其它参赛者的输入信号，该抢答器由三个D型触发器和非门G1组成，三个D型触发器可由二号CC4013集成块得到。其外部引线图见（图三），功能表见表一，与非门由CC4012集成块得到，其外部引线见（图四）。

（图三） （图四）

表一

任时钟信号操作下，D触发器只有置1和置0两种功能，从表一可得出其特性方程为QN+1=DQN+DQn=D，其状态转换图如（图五所示）。

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（图五）

抢答器的电路图如下所示：（图六）

它的工作原理是这样的，若参赛者A首先按下开关，使该端输入

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高电平信号，触发器FA的输入端D接收到该信号使输出Q为高电平，相应的Q非为低电平，这个低电平信号同时送到与非门的G1的输入端，与非门个，使触发器的控制脉冲CP信号由于与非门G1的封锁而被截断，触发器FB、FC由于不具备CP脉冲而被迫停止工作，因此该电路只接受第一个信号，其他情况原理相同。

CMOS与非门（CC4012）的工作原理及工作特点。

（图七）是CMOS与非门电路及逻辑符号，其中T1、T2是NMOS管串联按，T3、T4是PMOS管，并联连接；A、B为输入端、Y为输出端，VDD为正电源。

（图七）

下面用正逻辑值分析其工作原理，当A=B=0时，T1、T2截止，T3、T4导通，故Y=1，当A=1、B=0或A=0、B=1时，T1、T2中必有一个截止，T3和T4中必有一个导通，故Y=1；；当A=B=1时，T1、T2导通，T3、T4截止，故Y=0，上述结果列出真值表如（表二）所示。

A 0 B 0 Y 1 9

0 1 1 1 0 1 1 1 0 表二

工作特点：

（1）、输出高电平时，输出电阻随输入信号的取值不同而变化，因为T3、T4并联，其中一个或两个导通都输出高电平，但两者输出等效电阻是不同的。

（2）、输出低电平值不仅和T1、T2导通电阻有关，而且和串联管数目有关，当输入端数增加时，串联管数目也够，会使输出低电平抬高。

为了克服上述缺点，一般在电路输入和输出端加反相器作缓冲级，这样，与非门的电器特性和反相器就完全相同了。

（二）、抢答控制电路

该电路由三个联组成，三名参赛者各控制一个，拨动开关使相应控制端的信号为高电平或低电平，常态时开关接地，比赛时按下开关，使该端为高电平，为实验方便，抢答开也可以利用试验箱上的电平输出开关。拨动逻辑开关，相等于输出逻辑高低电平，其电路图如（图八）所示。

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（图八）

（三）、清零装置

供比赛开始前裁判员使用，为了保证电路正常工作，比赛开始前，裁判员都要将各触发器的状态统一清零，这时只需要用手按以下按钮J即可。本系统利用D触发器的异步复位端实现清零功能，由表一CC4013集成块的功能表可以看出，该D触发器的异步复位端R低电平有效。因此，将各触发器的异步复位端统一用一开关控制。其电路如图九所示，正常比赛时使R和S均处于低电平，用R=0实现复位功能。

（图九）

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（四）、计时电路

计时电路采用倒计时方式，最大显示为9秒，当裁判员给出请回答指令后，开始倒计时，当计时到0时，可驱动声响电路发出声响，当回答问题的队员听到声响后，就必须停止回答，说明回答问题时间到，倒计时器选用可预置数20进制，同步可逆计数器CC40192。CC40192的功能和外部引线分别见表三和图十。

输入 CPCP- CR × × ↑ 1 1 × × 1 ↑ 1 1 0 0 0 0 PE 输出 B × b × × × C × c × × × D × d × × × QA QB QC QD 0 a 0 b 0 c 0 d A × a × × × × 0 1 1 1 加法计数器 减法计数器 保持 表三

由表三不难看出，要使CC40192集成电路工作在减法计数状态，CP+必须为高电平，CR为低电平PE为高电平。

（图十）

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按功能表将这个十进制减法计数器接好，见图十一

（图十一）

（五）、显示电路

显示电路由发光二极管与电阻串联而成，发光二极管正极接电源端，负极接D触发器的Q非端，当某参赛者按下开关，该触发器接收信号使其输出Q端的状态为高电平，相应的Q非端为低电平。就有电流通过发光二极管使他发亮，计时系统的驱动显示电路选用BCD-7段锁存译码驱动器CC4511和七段数码管组成，其工作原理如下：当计数器在CP脉冲的作用下开始计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号，这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。

CC4511是常用的七段显示译码器，它的内部除了七段译码电路外，

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还设有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出大驱动电流的能力，最大可达到25mA，可直接驱动LED数码管或萤光数码管。

CC4511有四个输入端A、B、C、D和七个输出端a—g,它还具有输入BCD码锁存，灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测端LT、熄灭控制端BI来控制。

CC4511的管脚排列如图十二,CC4511的真值表见表四：

图十二

LE × × 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 × 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 × D × × 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 C × × 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 × B × × 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 × A × × 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 × a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 显示 8 熄灭 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熄灭 锁存 1010-1111 表四 为LE上跳前的BCD码决定 由表四可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输

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出端a—g随输入A—D端变化而变化，当LE=1时，锁存器锁定，输出端保持不变；熄灭控制端BI=0时，译码器输出全0，因此正常工作时应使BI为高电平，另外灯测试端LT=0时，译码器输出全1，数码管各段均亮，即显示全8，用来测数码管是否正常，当输入的BCD码大于1001时，七段显示输出全0，各段均不亮。

CC4511常用于驱动共阴极LED数码管，工作时一定要加限流电阻，由CC4511组成的基本数字显示电路如图十三所示，图中BS205为共阴极LED数码管，电阻R用于CC4511的输出电流大小，它决定LED的工作电流大小，从而调节LED的发光亮度，R值由下式决定：

RUOHUDID

式中V0H为CC4511输出的高电平（≈VDD），UD为LED的正向工作电压（1.5V～2.5V），ID为LED的笔段电流（约5～10mA）。

图十三

七段数码显示器（又称七段数码管或七段字符显示器）就是由七段能够发光直线段排列成日字形来显示数字的。与火柴棒摆放的

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数字图形相似，常见的七段半导体数码管(又称LED数码管)是由七段发光二极管拼合而成。

图十四

图十四是半导体数码管的外形图和等效电路。半导体数码管有共阳极型和共阴极两种类型。图十四中，共阳极型中各发光二极管阳极连接在一起，接高电平，a~g和DP各引脚中任一脚为低电平时相应的发光段发光；共阴极型号中各发光二极管的阴极连接在一起，接低电平，a~g和DP各引脚中任一脚为高电平时相应的发光段发光（DP为小数点）,这是采用的是共阴极接法。

一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为1.5～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。在使用时应串接限流阻。

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（六）、声响电路

声响电路由两部分组成，一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路，门按电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器D输出Q的与非，它说明只要有一个Q为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣器发声，另一个来自计时系统高位计算的借位信号OB，它说明计时电路在9秒向8.7.6.5.4.3.2.1.0秒再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平，这个高电平信号也能使蜂鸣器发声，为了保证电路的可靠性，也可采用与非门构成的基本RS触发器驱动。CC40192的外部引线前面已经介绍过了，RS触发器的连接如图十五所示。

图十五

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（七）、声响控制电路

比赛开始，当某一个参赛者按下抢答器开关时，触发器接受该信号，在封锁其它开关信号的同时，使该电路的发光二极管发出亮光和蜂鸣器发出声响，以引起人们的注意，见图十六：

图十六

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

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

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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。

蜂鸣器的功率较大时，门G2的输出需功率放大后再接蜂鸣器。 与非门G4、G2可选用四输入2与非门CC4011，其旬外部引线如图十七所示：

图十七

（八）、振荡电路

本设计电路需要产生不同频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为100KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号；第三种频率为1HZ的信号用于计时电路，以上电路可用555定时电路组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。

为了保证时间信号的频率及稳定度，一般采用石英晶体振荡器，

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见图二十一

见图二十一

将图二十一产生的较高频率的信号进行分频，以得到计数所需的“秒”信号，石英晶体振荡器输出信号的频率fo=100KHZ，经过5次十分频电路可得到每秒振荡一次的脉冲信号。用二十进制计数器C180构成的分频电路如图二十二所示：

当我们把石英晶体串进对称或多谐振荡器的反馈回路以后，因为石英晶体在外加电压频率为f时电抗最小，电压信号容易通过它而形

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成正反馈通路，所以振荡器的工作频率必然为f。其它的频率电压信号经过石英晶体后严重衰减，不足以产生振荡，在电路接通电源后，门G5、G6的输出端VI1和VI2必然有噪声存在，而噪声电压的频率是非常宽的，其中一定含有fO频率的电压成分，虽然这个电压成分开始时可能极小，但经过电路反馈的作用增强，立即就能达到使电路饱和截止状态间转化所需要的输入信号幅度，我们把fo称作石英晶体的固有振荡频率，它只与石英晶体切割的方向，外形和尺寸有关，不受外围电路参数的影响，石英晶体谐振频率的稳定度可达到10-10～10-11，足以满足要求。

四、安装和调试

用中规模集成D触发器CC4013组成三人智力竞赛抢答器的逻辑电路如图二所示，

（一）、抢答器显示的功能测试

按图二的具体连线，将开关A、B、C全部处于低电平，首先拨动开关A，该端发光二极管亮，此时再拨动开关B或C，观察其它发光二极管的情况。

此时再拨动开关B或C，由于与非门G已锁，CP脉冲信号不接收开关B和C控制端送入的信号，因此B和C端发光二极管不

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亮。

（二）、清零功能测试

在以上实验的基础上，将CC4013所有的R端连在一起通过开关J控制。由表可以看出，CC4013的异步控制信号高电平有效，因此可用R＝1实现复位功能，开关J可以用实验箱上的电平开关，常态时，它处于低电平，拨动开关J，观察发光二极管全部熄灭。 （三）、计时功能测试

按图十一的电路连接，计数器的输出端接发光二极管，在CP作用下，观察发光二极管的显示情况。通过控制CP端的状态再观察发光二极管显示情况，通过控制端CR的状态，再观察发光二极管的发光情况。

在CP作用下，当CR＝0时，A、B、C、D输出端的发光二极管亮。当CP＝1时，A、B、C、D输出端的发光二极管熄灭。 （四）、声响电路的功能测试

按三人智力竞赛抢答器的逻辑电路的有关部分连线，可将与非门和反相器的输入端分别通过电平开关控制状态，观察喇叭发声的情况。

当某参赛者按下抢答开关时，喇叭发出声响，若回答问题到达限定时间，喇叭也会发出声响。

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五、问题讨论

（一）、利用CC40192的借位信号驱动声响电路

以CC40192的工作波形可以看出，其借位信号的脉冲周期是比较短的，为了保证电路工作的可靠性，可采用与非门组成的RS触发器驱动，具体电路见图十五所示。

（二）、由CC4012四D锁存器组成的四人抢答器电路如图二十三所示。

图二十三

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六、参考文献

[1] 阎 石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社 2006

[2] 康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2000 [3] 任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社. 1992

七、设计总结

下面将我的一点心得体会总结如下：

通过本次课程设计本人收获良多。认识到了自己所学的专业知识的实用性和重要性。对自己以前所学知识的巩固和今后的学习起了很大的作用。本次课程设计，更加深了我对电工电子技术的热爱，也使我对以后的学习有了很大的信心。

我觉得自己得到了许多知识，也明白了许多道理.

首先，在我们的学习过程中，不能只局限于课本，在平时要多注意收集资料，特别是专业方面的，要开阔自己的眼界，扩展自己的知识面，只有如此，才能在工作和生活中达到事半功倍的效果。

其次，要有团队精神，在这次课程设计中，我们经常在一起讨论分析，取长补短，大大加快了工作效率，因此，在以后的学习生活和工作中，我们一定要懂得合作，时该不忘团队精神，我想只要做到此，无论做什么事，最终会得到成功的。

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