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1、2012年8月电子工程系 鞠雨霏八路抢答器一、教学目标二、总体设计三、模块设计四、电路装调一、教学目标1、能力目标掌握八路抢答器的整体设计思路；认识CD4075，CD4511，MC14042，MC14532，CD4027，CD4069,CD4001等功能元件；能分析八路抢答器的状态变化。2、知识目标熟悉门、计数器、555、译码器编码器、数据选择器、寄存器、LED及数码显示的功能；熟悉逻辑电路、脉冲电路和数字电路的组合方法；3、素质目标通过综合项目实现训练学生协助能力、沟通能力、责任感；通过项目调试培养学生行业规范和严谨的工作作风；通过项目制作培养学生安全生产意识和成本意识。二、总体设计1、需求
2、分析2、模块确定3、状态设计1、需求分析1）抢答器的应用：竞赛中抢答时2）功能诉求准确、及时明确（显示）区别（抢答与否）防投机（手一直放在按钮上）装饰功能其他功能3）功能性与经济性电子产品有生产经济性和使用经济性产品的功能越多，经济性就越高产品的功能性与经济性应达到一个合理的比值，才是最经济的。2、模块确定1）回顾简易抢答器模块抢答判别抢答排他抢答显示抢答锁定抢答状态变换（准备抢答，抢答）2）模块的整合功能模块具有一定的重复性。例如：锁定与排他，可以用同一电路完成。锁定现在的抢答者的时候，也就是不让其他的抢答信号能干扰到这个抢答者的信号。3）特殊功能显示1-8 8进制一般在0-7，而生活中我们
3、习惯看到1-8所以应将0-7改成1-8显示。4）参考模块状态控制模块音频产生模块抢答模块锁存模块显示模块显示8模块音频输出模块3、抢答器状态设计 状态设计就是将具体的功能分为不同的状态，每种状态对应相应的时间变化情况。这样在分好状态的情况下，每种状态可以单独设计，互不干扰。可以使设计简化。例如：流水灯电路中，可以设定两种情况：单灯右移、逐个点亮右移。将单灯右移设置为0状态，逐个点亮右移设置为1状态这样就可以单独设计单灯右移电路，和逐个点亮右移电路。如图：而状态控制交给触发器来完成。如图：实际上就是Q输出为0时是单灯右移，Q输出为1时是逐个点亮右移。如图：违规抢答违规抢答 是为了杜绝选手一直将手
4、放在抢答器上，只要一开始就会自动形成抢答。根据功能要求分析，这个时候应该显示选手编号，并发出声音。正确抢答正确抢答 是抢答正确完成的标识。根据功能要求分析，这个时候应该显示选手的编号，并发出与违规抢答不同的声音。1）状态分析准备：准备：是为了抢答的需要，在这种状态抢答会形成违规抢答。根据功能要求分析，这个时候应该不显示任何选手的编号，同时不发出声音。抢答开始抢答开始 是为正确抢答做准备，在这种状态抢答能正确抢答。根据功能要求分析，这个时候也应该不显示任何选手的编号，同时不发出声音。为了和上一种状态区别，可以增加一标识性的显示，例如增加一个发光二极管，在这种情况下发光。2）设计思路四个状态，可分
5、别命名为S0，S1，S2，S3。如果以S0表示准备状态、以S1表示抢答开始、以S2表示违规抢答、以S3表示正确抢答，则其状态间的转换关系如下：S0至S1：由主持人开关控制。S1至S3：有人抢答。S0至S2：有人抢答。S3至S0：由主持人开关控制。S2至S0：由主持人开关控制。状态图如下：有人抢答主持人开关控制主持人开关控制有人抢答主持人开关控制S0S1S2S33）状态选择当状态数确定后，将进行状态的选择，也就是用一组二进制数来表示该状态，并对该状态具体使用哪个二进制数进行确定，进行状态选择的目的是为了使设计简化。在我们这个项目里面，因为是4个状态，所以用两位二进制表示就可以了。因为需要的二进制
6、位数越少，所使用的状态控制器件就越少，就越节约元器件资源。四位二进制数分别是00，01，10，11。使用哪个数对应哪个状态，主要是使设计能够得到简化，状态转换时变化的二进制数少。根据这个原则，我们确定S0=00，S1=01，S2=10，S3=11。这样，除了S3至S0变化时以外，其它情况下都只有1位二进制数发生了变化。三、模块设计1、状态控制模块2、音频产生模块3、抢答模块4、锁存模块5、显示模块6、显示8模块7、音频输出模块1、状态控制模块1）需完成的功能当转换条件发生时，能完成状态转换。2）元件的选择因为状态转换条件不涉及时间条件，所以选用RS触发器，带RS端的JK触发器、D触发器完成。参
7、考元件CD40273）电路设计当准备时，Q1,Q0 为00。即主持人按下复位轻触开关后，状态应该是00。当抢答开始时，Q1,Q0为01。即主持人按下开始轻触开关后，状态是01。即只有Q0状态改变，Q1不变当违规抢答时，Q1,Q0为10。当正确抢答时，Q1,Q0为11。综合看即有人抢答时只有Q1改变，Q0不变。参考电路如图：2、音频产生模块因为要发出两种声音，所以应该有两组频率不同的多谐振荡电路，并可按照不同状态输出不同声音，或不输出声音。多谐振荡器可采用555振荡电路，也可采用简单的与非门振荡电路。从节约器件资源考虑，可采用与非门振荡电路，从电路的稳定性考虑可采用555振荡电路。1）由与非门构
8、成的多谐振荡器 在该电路中，我们先假设在初始时刻，1脚为低电平，2脚为高电平，3脚为高电平，4脚为低电平，电容未充电。G1G2此时，电源经G1内部流经2脚，通过R向C充电。当充电到1脚电压高于VTH时，电路发生翻转。1脚相当于高电平，2脚变为低电平，3脚变为低电平，4脚变为高电平。电容C经电阻R向通过2脚向地放电。当放电到1脚电压低于VHT时，电路再次发生翻转，形成循环。从而在4脚产生一个多谐振荡的输出。其波形如图 这种振荡器的频率容易受到电源电压波动的影响因此一般增加一个补偿电阻RS，减小电源电压变化对频率的影响。一般的RSR。如图：2）经济性原则在完成基本功能的情况下，应尽量节约元件资源。
9、因为对声音的稳定性等无太多具体要求。故选择上应尽量选择以节约为主。推荐元件：CD40693）人机工程对声音的要求人耳辨别声音频率变化的能力从低音调起，随音调的增高而加强，到极高音调时又降低。人耳对400800赫兹频率的音调敏感性最高，因此听觉信息应采用这一范围的频率。参考电路3、抢答模块1）抢答模块功能讨论抢答模块功能提示：让选手完成抢答动作 让选手能够通过简单操作进行触发，能自动复位，并且触发和复位时是两种不同的电平。能够在有人抢答时，发出识别信号保证在有人抢答时，能迅速的进行状态切换，从而使第一个抢答出现之后，其它的抢答无效。因为我们的状态转换后就不再具有抢答的功能。（状态设计的特点）能够
10、将抢答者信号变成数字我们可以将抢答者编号，成为1号抢答者、2号抢答者，但是这种编号机器不知道。所以应有将这种编号变为机器能识别的信号的功能。2）编码器编码器就是将抢答者编号转变为机器能识别到的元件。也就是变成二进制代码。这种用二进制代码表示具有某种特定含义信号的过程称为编码。能完成编码功能的电路通称为编码器。如：如：8421BCD码中，用码中，用1000表示表示8使用编码技术可以大大减少数字电路系统中信号传输线的条数，便于信号的接收和处理。普通编码器普通编码器 输入输入I0I7中任何时刻只允许一个输入中任何时刻只允许一个输入变量有效，即取值为变量有效，即取值为1（高电平有效）。（高电平有效）。
11、输 入输 出I0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y01000000000001000000001001000000100001000001100001000100000001001010000001011000000001111普通编码器如果有两个或更多输入信号有效，将会出现输出混乱。实际使用中,要求根据事件处理的轻重缓急，规定好这些外设允许操作的先后次序，即优先级别依次产生编码输出。能识别多个编码请求信号的优先级别，并根据优先级产生相应编码输出的逻辑部件称为优先编码器。输 入输 出I0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0X X X X XX X 1111X X X X XX 1011
12、0X X X X X100101X X X X 1000100X X X 10000011X X 100000010X 1000000001100000000003）轻触开关经典电路轻触开关电路通常在数字电路中都是为了完成两个不同的电平，所以一般情况下都是一端接电源，另一端接地。在按下开关时是一种电平，放开时是另一种电平。但是为了达到按下时不会产生电源短路的情况，通常要在上面串联一个电阻，该电阻要满足电流的需求，同时还不能影响电平转换4）参考电路4、锁存模块1）模块工作思路锁存器模块的功能是为了锁存由抢答器模块传输过来的二进制编码，以便在状态变化后能够保存抢答者的信息，用于显示。该电路工作过程
13、应该为，在准备和抢答开始状态时能传输数据，在错误抢答以及正确抢答时，能锁存数据。2）锁存器工作原理锁存器是一种能锁存二进制信号的元件，在锁存控制端无效时，锁存器相当于导线，将信号直接从输入端传输到输出端。当锁存控制转为有效时，将该时刻的输入信号锁存。保持输出信号为该时刻的输入信号，直到锁存信号转变为无效时为止。例如：5、显示模块1）显示原理显示都是用点、划拼接而成的图案。电视正是由很多点组成的图案。而显示数字则比较简单，由7划即可显示从09的数字。所以数码管通常又称7段数码管。当然还可以有别的显示模式的数码管。以及由发光二极管组成的显示数字形式。如图：我们通常将这种数码管分为7段。abcdef
14、g那么显示1的时候只需要bc亮，而别的不亮就可以了。通常发光体由发光二极管构成。当一端为高电平，另一端为低电平时点亮，两端为相同电平时不亮。为简便，通常将正极一端或负极一端连在一起，分别称为共阳、共阴型数码管2）显示译码器显示译码器正是为了配合数码管显示而产生的一种数字集成电路。这种电路最重要的特点就是一定要和数码管配合使用。同时它还具有一些特殊功能消隐、试灯、灭零6、显示8模块要注意的是，因为我们的选手的编号通常是1到8，而如果抢答控制模块里选用的是8-3编码器的话，它的编码输出只能表示0到7，那么这种情况下，需要对输出信号进行处理，要么选择用加法器加1，要么选择将0变成8。将0变成8需要利
15、用显示译码器固有的试灯端。要特别提醒的是，因为在准备和抢答开始状态时，锁存器未锁存，而编码器输出在不编码时和I0端有效时一样，这样就会出现试灯和消隐端同时有效的情况。在选择显示译码器时，就需要选择消隐比试灯优先的显示译码器，或者利用8-3优先编码器的识别信号进行一定的组合，使试灯端在准备和抢答开始状态处于无效。当然这个信号也要进行锁存，否则会在抢答选手抢答完，手离开轻触按钮后产生错误信号。加法器是一种完成二进制加法的集成电路该集成电路可以完成两个4位二进制数相加的功能，C1为低位来的进位输入，CO为高位进位输出。例如：A4A3A2A1=0011，B4B3B2B1=1010。0011+1010=
16、1101 当A4A3A2A1=1011，B4B3B2B1=1010时，1011+1010=10101两数相加为共五位，也就是产生了进位。此时S4S3S2S1=0101，CO为1。当A4A3A2A1=1011，B4B3B2B1=1010，C1=1时，1011+1010+1=10110从式8-3，8-2可以看成，当C1为1，在最低位加1。当第5位有1，CO为1 使用时应注意：1、加法器输出结果依然为2进制数，如需十进制显示，需要做一定的转换。将其转换为8421BCD编码。2、低位进位端、高位进位端多用于加法器的级联，但级联会降低加法器反应速度，所以加法器级联较少用。参考电路7、音频输出模块音频输出
17、，分为音频选择和音频输出两部分。音频输出主要是放大电流推动扬声器。所以通常采用由三极管构成的反相器来输出。需要注意的是，三极管构成的反相器在不输出声音时，应使三极管工作在截止状态 避免三极管过热，或扬声器过热，损坏器件。音频选择是使在规定状态下，输出规定频率的声音，该部分可以通过数据选择器完成，也可以通过门电路的组合来完成。在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器。CD4512是一款8选1选择器，按照CBA所给的地址，从X0-X7中选一个作为输出。它有两组输入分别是地址端CBA，和数据X0-X7。由地址端CBA决定选择哪组输入作为Z的输出，由数据端X0-X7决定输出的数据是什么。参考电路该电路的设计一定要考虑总体设计的情况，分析不同情况下的高低电平情况，才能得到正确的电路连接方式。考虑总体连接情况，分析各点工作状态连接后可得总参考电路如图四、电路装调1、检测元件2、布局3、焊装4、调试