四路搶答器的設計與驗證

廣東省梅州農業學校（梅州市理工學校） 黃軍文

四路搶答器的LED數碼管顯示優先搶答者號碼，禁止顯示其他搶答者號碼，同時發響聲，由主持人通過控制按鈕清除LED數碼管的顯示和停止響聲，并且控制搶答開始時刻。搶答開始時，電路處于開通狀態，當第一個搶答者輸入后，使電路處于鎖存狀態下，對后面的輸入不作出響應，本電路使用具有鎖存功能的BCD碼4—7線譯碼/驅動器CD4511作為核心器件，實現優先搶答的鎖存、譯碼輸出驅動LED數碼管顯示。

一、電路原理

電路分成若干功能模塊：搶答控制部分，譯碼驅動顯示部分，發聲部分。電路原理框圖如圖1所示。

1.CD4511在此電路中作為核心器件，具有鎖存功能，能將輸入的二—十進制碼（8421BCD碼）譯成七段碼（a～g），驅動陰極LED數碼管。它是16腳雙列直插式CMOS集成器件，管腳排列如圖2所示。

管腳功能：

（1）VDD、VSS分別是正、負電源端，電源電壓范圍是3～18V。

（2）A、B、C、D是8421BCD碼輸入端，A是低位，D是高位。

（3）a～g是七段譯碼輸出，高電平有效。

（4）/LT是燈測試端，當/LT=0時，無論其他輸入端狀態如何，此時a～g全為1，LED所有段全亮，可利用此來檢查數碼管的好壞。

（5）/BI消隱控制端，當/BI=0，且/LT=1時，a～g全為0，數碼管不亮。

（6）LE鎖存控制端，當LE=0時選通，當LE=1時鎖存。

表1

2.電路工作原理。

搶答前，主持人按下復位按鈕R后RS觸發器Q輸出端輸出低電平，CD4511處于消隱工作狀態，LED數碼管不顯示，由NE555定時器組成的多諧振蕩器不產生振蕩，蜂鳴器不響。開始搶答時，第一個搶答者按下按鈕后，輸入的高電平經編碼電路編成對應的8421BCD碼，輸入到CD4511中。與此同時，RS觸發器的S輸入端輸入高電平后，其Q端輸出端變為高電平，CD4511處于鎖存工作狀態，將此時CD4511輸入對應的譯碼輸出鎖存起來，使數碼管一直顯示第一個搶答者的號碼，多諧振蕩器開始產生振蕩，蜂鳴器發出響聲。由于電路工作速度很快，第一個搶答者按下按鈕瞬間，電路即刻完成鎖存，所以同時出現搶答的幾率很小。

二、EWB仿真驗證

用EWB軟件仿真設計各功能模塊電路：

1.設計4—4線編碼電路，4—4線編碼電路的功能是將四路搶答輸入信號分別編成對應的8421BCD碼，多人同時刻搶答的結果視為無效，可看成是約束項。編碼表如表1所示。

用卡諾圖化簡輸出a、b、c、d與輸入A、B、C、D的邏輯函數表達式，得到：

a=A+C，b=B+C，c=D，d=0

根據化簡后邏輯函數表達式分別用兩個二極管VD1和VD2實現a=A+C和b=B+C邏輯關系。

2.采用CMOS集成或非門CD4001構成RS觸發器，該觸發器輸入高電平有效。

圖1 電路原理框圖

圖2 CD4511管腳排列示意圖

圖3 四路搶答器電路原理圖

3.用二極管VD3、VD4、VD5、VD6和電阻R1、R2、R3、R4組成四輸入或門電路。

4.用集成NE555定時器組成多諧振蕩器。

5.用CD4511譯碼輸出經220～330歐姆的電阻，限流后加到LED數碼管各相應的陽極。

6.用七段共陰極LED數碼管作為顯示器。

7.R1～R17用1/8W的色環電阻器，C1和C2用瓷介電容器，在電路調試過程中，R14可用一個5.6K的固定電阻器串接一個50K的可變電阻器來暫時代替，當多諧振蕩器產生振蕩，蜂鳴器響時，調節可變電阻器，使蜂鳴器的響聲快慢合適。調試結束，測量兩電阻器串聯的實際電阻值，用標稱阻值與兩電阻器串聯阻值近似相等的電阻器代換焊上。

四路搶答器仿真電路圖如圖3所示。

三、結束語

本電路通過EWB仿真設計驗證，電路工作可靠性很高。本文主要運用數字邏輯電路對四路搶答器電路進行設計，用EWB軟件進行仿真驗證，進一步提高數字邏輯電路的分析、設計能力。

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