1、1、概述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。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 510V，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
2、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 100 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 型触发器，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。2、系统总体方案设计2.1 设计要求1.设计一个三人参加的智力竞赛抢答计时器。2.当有某一参赛者首先按下抢答开关时，相应显示灯亮
3、并伴有声响。此时，抢答器不再接收其他输入的信号。3.电路具有回答问题时间控制功能。要求回答问题的时间小于等于100 秒（显示 099） ，时间显示采用倒计时方式。当达到限定时间时，发出声响以示警告。2.2 电路的组成不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不图 2-1根据上面所说的设计要求，智力竞赛抢答计时系统的组成如上图所示。它的主要的六个组成部分：1抢答器：抢答器是三人抢答计时器的核心。当参赛者的任意一位首先按下抢答开关时，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二级管亮（或音响电路发出声音） ，与此同时，封锁住其他参赛者的输入信号
4、。2抢答控制电路：强大控制电路由三个开关组成。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。3清零装置：清零装置供比赛开始前裁判员使用。它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误动作和抢答过程的不公平。4显示声响电路：比赛开始，当某一参赛者按下抢答器开关时，触发器接受该信号，在封锁其他开关信号的同时，使该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。5计时显示声响电路：即时显示声响是对抢答者回答问题时间进行控制的电路。若规定回答问题时间小于等于 100 秒（显示为 099） ，那么显示装置应该是一个二位数字显示的计数系统。6振荡电路：它应该提供给抢答器，计时系统
5、和声响电路工作的控制脉冲。3.单元设计三人竞赛抢答计时器系统的原理图如图 3-1 所示：不 不 不 不 不 不QABDC P C PC P 2C P 1 (1 K H Z)RRRA B CG 1DCC P 2DBFDDAD DB CQQB QQ AD QQ F FQ QRD(5 0 0 K H Z)RJ+RDRDV0 0不 不 不 不 不 不A图 3-13.1 抢答器由图 3-1 看出，抢答器是由三个 D 型触发器和与非门 G1 组成。它的工作原理是这样的：如果参赛者 A 首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，触发器 FA的输入端 D 接收该信号使输出 Q 为高电平，相应的 Q为低电平，这个
6、低电平信号同时送到与非门 G1 的输入端，与非门G1 被封锁，使触发器的控制脉冲 CP 信号由于与非门 G1 封锁而被拒之门外，触发器 FB和 FC因为不具备 CP 脉冲信号而不接收开关 B 和 C 控制端送入的信号（其他两种情况类同） 。因为该电路只接收第一个输入信号，即使此时其他参赛者也按下开关，但由于与非门已被封锁，信号是输入不进去的。 3.2 抢答控制电路该系统由开关 A,B,C 组成，分别由三名参赛者控制。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，抢答开关也可以利用实验箱上电平输出开关。拨动逻辑开关，相当于输出逻辑高低电平。3.3 清零装置为了保证电路正常工作，比
7、赛开始前，裁判员都要将各触发器的状态统一清零。本系统利用 D 触发器的异步复位端来实现清零功能。由图2-1 可以看出，该触发器的异步复位端为 RD,低电平用一个开关 J 控制，正常比赛时，使 RD， SD均处于高电平，用 RD实现复位功能。3.4 计时声响电路计时电路采用倒计时方法，最大显示为 99 秒。当裁判员给出“请回答”指令后，开始倒计时，当计时到“00”时可驱动声响电路发出声响。倒计时器先用可预置数二十进制同步可逆计数器（双时钟型）CC40192。CC40192 的功能表和外部引线排列分别如表 3-1 和图 3-2 所示：不 不 不 不C P C R AP E B C D Q A B
8、C D10 ac d 不 不 不 不不 不 不 不不 不C P Q Q Q b a c d b 011 11100 00 00000表 3-1V A C R CBQC1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9B A C C P SSD VDDQ QQQP E DC P CQCC 4 0 1 9 2图 3-2图 3-3 是用两片 CC40192 组成的一百进制减法计数器电路。由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0， PE=1，CP =1，CP =CP。可用 CR 端接电平开关来控制计时器的工作与否。声响显示电路需要在两种情况下做出反应：一种是当有参赛者按下
9、抢答开关时，相应电路中的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。声响电路由两部分组成：一是由门电路组成的控制电路，二是三级管驱动电路。门控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数器的借位信号 OB,它说明计时电路在 99 秒向 98 秒，97 秒，2 秒，1 秒，0 秒倒计时再向 99 秒转化时向高位借位给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。这个
10、高电平信号也能使蜂鸣器发声，为了保证电路的可靠工作，也可采用与非门构成的基本 RS 触发器驱动。QC ABCC 40192(+)B AC PCDCC 40192(不 )C PDC R P EQ QQB ACDC R P EQ CABDQ QQC PC P C PO B“ 1 “_+ +图 3-33.5 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 3-4：图 3-4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
11、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
12、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，其外部引线如图 3-5 所示：图 3-53.6 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端。当某参赛者按下开关，该触发器接收该使其输出 Q 端的状态为高电平，相应的 Q端为低电平，就有电流流过发光二极管使它发亮。计时系统的驱动显示电路选用 BCD7 段锁存译码/驱动器 CC4511 和七段数码管组成。其
13、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，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 ag,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 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
14、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 用于限制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： DIUHR0式中 U0H 为 CC4511 输出的高电平（V DD） ，U D为 LED 的正向工作电压（1.5V2.5V） ，I D为 LED 的笔段电流（约 510mA） 。CC4511 的真值表如表 3-2：LE D C B A a b c d e f g 显示 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 0 0 0 0 0 0 0 熄灭0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1
15、 0 00 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 60 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 70 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 80 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 90 1 1 1010-1111 0 0 0 0 0 0 0 熄灭1 1
16、 1 为 LE 上跳前的 BCD 码决定 锁存表 3-2由表 3-2 可见，当锁存允许端 LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端 ag 随输入 AD 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 =0 时，译码器输出全 0，因此正常工作BI时应使 为高电平，另外灯测试端 =0 时，译码器输出全 1，数码管BI LT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。七段数码显示器（又称七段数码管或七段字符显示器）就是由七段能够独立发光直线段排列成日字形来显示数字的。与火柴棒摆放的数字图形相似，常见的七段
17、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 2-1 火 柴 棒 摆 放 数 字 图 形 图 3-6图 3-6 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 3-6 中，共阳极型中各发光二极管阳极连接在一起，接高电平，ag 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，ag 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 09 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
18、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1.52.5V，每个发光二极管的点亮电流在 510mA。在使用时应串接限流阻。一个 LED 数码管可用来显示一位 09 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1.52.5V，每个发光二极管的点亮电流在 510mA。在使用时应串接限流阻。3.7 振荡电路本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为 1KHz 的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为 500KHz 的脉冲信号，用于触发器CP 信号。第三种频率为
19、1Hz 信号用于计时电路。以上电路可用 555 定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频率得到。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。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。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
20、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10-1010 -11，足以满足要求。4.安装与调试用中规模集成 D 触发器 CC4013 组成的三人抢答竞赛抢答计时器的逻辑电路图如图 4-1 所示。QBAC P C PC P(1KH Z)R RR RBCC PDAD DB CQQBQ QAD AR+VAC C 40192C P=PE=1 C P(1HZ)1D 1C P
21、2P 2C P VC C 40 132QSSKJ 1Q 1R 1RDVDDV1D1Q DSV SC C 40 13C C 4013C P(500KH Z)G1C C 4511D D C BAa gAD BCTa gAD BCB CDDR5.1R图 4-1CC4013 的功能表的外引线排列分别如表（二）和图 4-1，CC4012的外部引线排列如图 4-2。不 不 不 不C P D S1 0Qn + 1不 不 不R1 011 11 1000000 0 0QQ Qn n 1 0100表（二）V 2Y 2A N . C2C1C1814 13 12 11 10 91Y 1A 1B N . C SSVDD
22、 2B1D2DCC 40122 3 4 5 6 7图 4-24.1 抢答显示功能测试按图 4-1 的有关分在实验箱上连线，将开关 A,B,C 全处于低电平。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,观察其他发光二极管的情况。4.2 清零功能测试在以上实验的基础上，将 CC4013 的所有 R 端连在一起通过开关 J控制。由表（二）可以看出，CC4013 的异步控制信号高电平有效，困此可用 R=1 实现复位功能。开关 J 可以利用实验箱上的电平开关。常态时，它处于低电平。拨动开关 J，观察发光二极管是否全灭。4.3 倒计时功能测试按图 4-1 的电路在实验箱上连线，计数器的
23、输出可接发光二极管，在 CP 作用下，观察发光二极管显示情况。通过控制 CR 端的状态，再观察发光二极管显示情况。译码显示电路的连接方法可参考“数字钟”的有关内容。4.4 声响电路功能测试按图 4-1 的有关分在实验箱上连线，可将与非门的反相器的输入端分别通过实验箱上的电平开关来控制状态，观察喇叭发声情况。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。原器件清单：电源、发光二极管、蜂鸣器、电阻、开关、触发器、CC40192 、各种门电路、三极管、译码显示装置等。5.设计心得和体会“电子技术课程设计”是点在技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技术综合性的训
24、练。通过本次课程设计我收获良多，使我认识到了自己所学的专业知识的实用性和重要性。本次设计我选择的是简易三人抢答计时器的设计，本次设计使我对课本上的知识进行了复习和运用。这是我第一次接触课程设计，所以起初不知该如何下手，后来通过上网查询和查阅相关书籍资料，总算是有点眉目了。知道了如何下手，后面的工作相对就容易一些了。埋头苦干的过程是苦涩的，在书山中查找资料的过程是疲倦的，但当课程设计完成时，收获的感觉是甜蜜的。没有耕耘，哪来的收获的喜悦，不懂的付出怎么能知道回报的快乐，一份耕耘一份收获，有付出才有回报，就在这样的痛苦与快乐的交换中，我学到了知识，学到了做人的道理，收获了一份珍贵的财富。这次实践使
25、我认识到了我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用过程中还有些问题不能独立解决，所以我会在今后的学习中更加努力学习，学号自己的专业知识，来发展迅速的现代社会。在此次设计中我非常感谢黄老师，我在设计过程中遇到过一些不明白的问题，多亏了老师的指导和帮忙，但我的设计还存在有很多不足之处，还望老师予以指正，提出修改的建议，使该设计更加完善。主要参考文献：1 何小艇，电子系统设计，杭州：浙江大学出版社，2001 年 6 月.2 姚福安，电子电路设计与实践，山东：山东科学技术出版社，2001年 10 月.3 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，南京：东南大学出版社，1999年 10 月.4 李银华，电子线路实际指导，北京：北京航空航天大学出版社，2005 年 6 月.5 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003 年.
