CD4511-NE555八路抢答器实验报告1.docx

CD4511_NE555八路抢答器实验报告1
CD4511_NE555八路抢答器实验报告1

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19

数字电路课程设计报告

八路数显抢答器

学生姓名：
专 业： 电子信息工程技术
班 级：
学 号：
指导教师： 倪文兴
同组成员：
时 间:2013年6月7日至6月14日

目录

第1章 绪论 错误!未定义书签.
1。1关于4511型数码抢答器 1
1.2选题的目的和意义 1
1。3课题研究的内容 1
第2章 抢答器的系统概述 2
2.1系统的主要功能简介 2
2.2抢答器的工作过程 2
第3章 抢答器的单元电路设计 3
3.1抢答器设计中的数字编码电路 3
3。2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路 5
3.3抢答器设计中的数码显示电路 8
3.4抢答器设计中的报警电路 9
第4章 抢答器的电路设计图及工作原理 11
4.1抢答器工作原理电路图 12
4。2抢答器工作原理 13
第5章 心得体会 14
附录（元件清单） 15

第一章 绪论

1。1关于4511型数显抢答器
八路数字抢答器电路包括抢答，编码，优先，锁存,数显,复位及抢答键。抢答器数字优先编码电路由D1-D12组成,实现数字的编码。CD4511是一块含BCD—7段锁存/译 码/驱动电路于一体的集成电路.抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成。抢答器数码显示电路由数码管组成，输入的BCD码自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示.

1.2 选题的目的和意义
通过这次课程设计，让我了解到了八路智能抢答器的结构组成和工作原理,进一步掌握元器件质量及特性的判断和焊接方法和技巧。

1.3 课题研究的内容
八路智能抢答器是采用了CD4511集成芯片来实现功能要求的，在抢答过程中，每个选手都有一个抢答按钮。在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候,选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号，同时扬声器发声提醒.如果主持人没有按下复位键而选手就抢答视为犯规,扬声器持续报警。如果主持人按下复位键没宣布开始而选手就抢答，显示屏显示犯规者的编号,主持人可按复位键，新一轮抢答开始。

第2章 抢答器的系统概述

2。1 系统的主要功能简介
4511型八路数显抢答器的主要功能有如下三点:
1. 可同时供8名选手参加比赛，其相应的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。
2. 给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
3. 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号。

2.2 抢答器的工作过程
1、开始上电之后，主持人按复位键，抢答开始。如有选手按下抢答键，报警电路会发出讯响声，并且数码显示电路上会显示成功抢答的选手的编号。
2、当有选手抢答成功之后，系统就进行了优先锁存，其他抢答选手抢答无效。
3、如果主持人未按下复位键，而有人按了抢答按键，此次抢答无效,只有当主持人按下了复位键，选手才能进行顺利抢答。
总而言之，本课题利用简单逻辑数字电路设计了智能抢答器，该抢答器具有基本的强大功能,提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，但是此抢答器功能还不够强大，还有很多功能无法实现，需要我们继续学习和研究。

第3章 抢答器的单元电路设计

八路智能抢答器主要由数字编码电路、译码\优先\锁存驱动电路、数码显示电路和报警电路组成。现简单介绍八路智能抢答器设计中的各单元电路的设计的情况。

3.1抢答器设计中的数字编码电路
参考电路如图3-1所示，S1-S8组成1-8路抢答器,D1—D12组成数字编码器。该电路完成的功能是：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的引脚可以看出，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）。

工作过程：当电路上电，主持人按下复位键，CD4511输入BCD码为“0000”,选手就可以开始抢答.当选手1按下S1抢答键，高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚（A位），7脚为高电平，1、2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0001”；当选手2按下S2抢答键，高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚（B位），1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0010”；以此类推，当选手8按下S8抢答键，高电平加到CD4511集成芯片的6脚（D位），6脚为高电平,1、2、7脚保持低电平,此时CD4511输入BCD码为“1000”. 输入的BCD码就是键的号码,并自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示.
输 入
输 出
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
D
C
B
A
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
表3—1　数字编码电路功能真值表

输出逻辑函数：

3.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路
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:具有消隐和锁存控制、BCD—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.

（1）、CD4511的引脚图

其功能介绍如下：
1）A、B、C、D：为8421BCD码输入端，高电平有效。
2）a、b、c、d、e、f、g:为译码输出端,输出为高电平1有效，可驱动共阴LED数码管。
3）(3脚）：测试输入端.该端拥有最高级别权限，与其余所有输入端状态无关，只要=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”。这一功能主要用于测试目的，因此正常使用中应接高电平。
4)（4脚):消隐输入控制端。当=1,=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，不显示任何数字。
5）LE(5脚）：锁定控制端.当=1,=1时,若该端LE=1,则加在A、B、C、D端的外部编码信息不再进入译码，所以CD4511的输出状态保持不变;当LE=0时，则A、B、C、D端的BCD码一经改变，译码器就立即输出新的译码值。
6)还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐.同时，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。

(2）、译码驱动功能
二极管编码器实现了对开关信号的编码，并以BCD码的形式输出,为了将输出的BCD码能够显示对应十进制数,需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。CD4511真值表如表3-2所示.
输         入
输         出
LE
/BI
/LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
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0
0
0
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1
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1
0
1
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0
1
0
1
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0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
~
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁存第一个输入的信号
锁存
表3-2 CD4511真值表
（3）、锁存优先功能
由于抢答器都是多路，须满足多位抢答者抢答要求，这就要求有一个先后判定的锁存优先电路，锁存住第一个抢答信号，显示相应数码并拒绝后面抢答信号的输入干扰。
CD4511内部电路与Q1,R7，R8，D13,D14组成的控制电路（见图3-5 CD4511真值表）可完成这一功能。

当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”，则CD4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平,g为低电平。

通过对0—8这 9个数字的分析（见上表)可以看到，
1)只当数字为0时,才出现d为高电平，而g为低度电平，因此选择g作为锁存信号，经D13加到CD4511的LE端,这时Q1导通，D13、D14的阳极均为低电平，使LE为低电平“0”,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；
2）正是这种情况下，抢答开始,当S1—S8任一键按下时,CD4511的输出端根据按下抢答按键的不同a～g输出不同的高低电平，通过g经D13反馈LE端可以实现对2、3、4、5、6、8的锁存，但是1和7由于此时g为低电平，无法锁存，因此在选取b或c作为第二锁存信号；
3）在利用b或c作为第二锁存信号后,显示0是也将锁存，真是不允许的,经过对上表的分析，选取显示1、7为低电平,而显示0为高电平的d或e、f作为第二锁存信号的控制信号，b接Q1的集电极,d接Q1的基极。当显示1、7时，b为高电平，d为低电平，Q1截止，d经D14送LE锁存；当显示0时b、d均为高电平，Q1饱和导通，D14的阳极为低电平，无法锁存。
3。3抢答器设计中的数码显示电路
共阴式LED数码管的原理图（图3-6LED数码显示电路),使用时,共阴极接地,7个阳极a～g由相应的BCD七段译码器来驱动。数码管接0.5寸共阴数码管。

显示字符
a
b
c
d
e
f
g
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
2
1
1
0
1
1
0
1
3
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
1
0
0
1
1
5
1
0
1
1
0
1
1
6
1
0
1
1
1
1
1
7
1
1
1
0
0
0
0
8
1
1
1
1
1
1
1
9
1
1
1
1
0
1
1
表3-3 共阴极数码管显示字段码

3.4抢答器设计中的报警电路

参考电路如图3—7所示，抢答器报警电路由NE555接成多谐振荡器，扬声器通过C3在NE555 IC的3脚与地之间.R16=R17=10K，C1=0.01，R16 没有直接和电源相接,而是通过四只1N4148组成二极管或门电路接CD4511的1，2,6，7脚，即输入BCD码，任何抢答按键按下，报警电路都能振荡发出讯响声，振荡频率.

图3—8 555定时器工作原理图
555构成的多谐振荡器的工作原理如图3-8所示：
1)接通电源Vcc后，,此时，,，555内基本RS触发器被置1,输出为高电平UOH ,电路处于第一暂稳态，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压由0按指数律上；
2）当时,,，555内基本RS触发器被置0,输出 跃到低电平UOL，电路进入第二暂稳态，于此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和V放电。
3）随着电容C的放电，随之下降.当时,则，,基本RS触发器被置为1，输出由低电平UOL跃到高电平UOH。同时放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。电路又回到第一暂稳态。
因此，电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。

第4章 抢答器的电路设计图及工作原理
4.1抢答器工作原理电路图
通过对电路的一些功能需求分析，我们运用了Protel 99 SE软件对电路图进行了设计，将抢答器工作原理电路图设计出来,如图4-1—1所示.

4—1—1抢答器工作原理电路图

4。2抢答器的工作原理
抢答器讯响电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND)之间.C1=0.01，R16 没有直接和电源相接,而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1,2，6，7脚，任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声。
S1—S8组成1—8路抢答键，D1-D12组成数字编码器，任一抢答案键按下，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的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的D，C,B，A位（D这高位，A为低位,即D,C,B，A分别代表BCD码8，4，2，1位）。设S8键按下，高电平加到CD4511的6脚，而2，1,7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码这“1000”。又如设S5键按下，此时高电平通过两只二极管D6，D7加到CD4511的2脚与7脚，而6，1脚保持低电平。此时CD4511输入的BCD码是“0101"依此类推，按下第几号抢管键，输入的BCD码就是键的号码并自动地由CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。
由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路,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Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路可完成这一功能,当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”。则CD4511的输出端a，b，c,d，e,f均为高电平，g为低电平.通过对0—9这10个数字的分析（见CD4511真值表)可以看到，只当数字为0时,才出现d为高电平而g为低度电平,这时Q1导通，D13，D14
的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚,即LE端为低电平”0".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S1—S8任一键按下时,CD4511的输出端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到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,g七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码之显示状态.例如S1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Q1的基极亦为低电平,集电极为高电平。经D13加至CD4511第5脚，即LE由0—1状态。则在LE为"0"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S1送来的信号是1，S1之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答,主持人顺先按下复位键S9,清除锁存器内的数值,数显先是熄灭一下，再复”0”显状态，此后若S5键第一个按下，这时应立即显”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b为低电平,Q1截止）,并通过D14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.后边接蹲面来的其它按键信号被封住,可见电路”优先锁存”后，任何抢答键均失去作用.

第5章 心得体会

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维.电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。经过这段时间的努力，在老师和同组同学的帮助下终于彻底的做完了课程设计的所有工作。通过这次的课程设计,我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使我思考问题的能力得到了很大的提高。在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在此得到了巩固.
通过这次设计设计,我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固,所掌握的电路应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样!我将会在以后的学习和生活中不断提升自己。

附录：元件清单
名称
型号
数量
编号
瓷片电容
103
1
C1
瓷片电容
104
1
C2
电解电容
100uF/10V
2
C3， C4
开关二极管
1N4148
18
D1～ D18
0.5寸共阴数码管
5011AH
1
DS1
5.08-2P接线端子
KF301-2P
1
J1
TO—92三极管
9013
1
Q1
1/4W电阻
10K
8
R1~ R6, R16, R17
1/4W电阻
2K2
1
R7
1/4W电阻
100K
1
R8
1/4W电阻
360
7
R9~ R15
6*6＊5微动开关
6*6＊5
9
S1～ S9
12mm无源蜂鸣器
12095
1
SP
集成电路
CD4511
1
U1
集成电路
NE555
1
U2
16P IC座
DIP 16P
1

8P IC座
DIP 8P
1

PCB板

1

线路板安装工艺卡
电路：八路智能抢答器
一、 安装步骤：D13、D14、R8暂时不接
1、 元器件清点、分类；
2、 元器件质量、极性判断（电解电容、二极管、三极管、集成电路）；
3、 分析印制线路板与元器件对应关系(编号、极性、参数）；
4、 元器件引脚预处理（去氧化、整形）;
5、 插接元器件、焊接.
1） 电阻、二极管、三极管、瓷片电容要离开线路板5mm，其他元件贴装;
2） 安装顺序：先低后高、先分立后集成、先小件后大件、同类型元件统一安装
6、 通电调试、排故.
二、 安装及调试任务书：
通过J1接入DC4.5—9V电源，为系统提供工作电源。
1、元器件识别、筛选、检测（10分)
仔细清点套装材料的数量，并对套装元器件进行识别、检测与筛选，检测过程中填写下表.
元器件
识别及检测内容
配分
评分标准
得分
电阻器
2支
色环（最后一位为误差)
标称值(含误差）
每支1分
共计2分
检测错不得分

绿红黑橙银

蓝黑黑橙棕

电容器
1支
数码
标志
容量值(µ f）
1分
检测错不得分

47

二极管
1支

正向电阻
（数字表
指针表）
反向电阻
（数字表
指针表）
1分
检测错不得分

D6

三极管
1支

面对标注面，管脚向下，画出管外形示意图，标出管脚名称
1分
检测错不得分

Q1

蜂鸣器

测量阻值
测量挡位
1分
检测错1项,不得分

SP

数码管
1支

画出数码管外形俯视
示意图标出所有管脚
4分
检测错不得分

DS1

二、抢答器电路板的焊接(30分）
要求焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光滑、圆润、干净，无毛刺；引脚加工尺寸及成形符合工艺要求；导线长度、剥头长度符合工艺要求，芯线完好，捻头镀锡。
疵点: 少于5处扣1分;5~10处扣5分；10～15处扣10分;15~20处扣15分；
20～25处扣20分；25处以上扣25分。
三、抢答器的装配（20分)
要求印制板插件位置正确，元器件极性正确，元器件、导线安装及字标方向均应符合工艺要求；接插件、紧固件安装可靠牢固，印制板安装对位；无烫伤和划伤处，整机清洁无污物.
装配不符合工艺要求： 少于5处扣1分；5～10处扣3分；10～20处扣5分；20处以上扣10分。
四、抢答器的调试(40分)
1.调试并实现抢答器基本功能（20分)
l     按键电路工作正常（5分） l    声响电路工作正常（5分）
l 显示驱动电路工作正常（5分） l 显示电路工作正常（5分）
2。检测与调试（20分）
（1）检查电路无误后,接通电源，测量三极管Q1在下列情况下的C、E间的电压。
①S8按下时，Q1的C、E间的电压为 （V)；
②S8未按下时，Q1的C、E间的电压为 （V）。
（2）若电容C2容值增大，U2（555）3脚输出波形的频率 （变大、变小、不变）。
（3）若断开R17，U2（555）3脚输出波形会 （变大、变小、不变)。
（4）按下S5时，D6两端电压为 (V），D7两端电压为 （V)；松开S5时,D6两端电压为 （V)，D7两端电压为 (V)。
（5)电容C1起 作用，C2起 作用，C3起 作用，C4起 作用.
（6)若电阻R4短路，会出现一直显示 现象;若电阻R6短路,会出现 现象；若电阻R2短路，会出现 现象。
(7）利用仪器，检测U2（555)3脚输出信号，记录波形参数并填写下表：（5分）
记录波形（1分）,其他（0.5分）
示 波 器
频率器
得分

时间档位：

幅度档位:

峰峰值：

频率：

周期：

占空比: