十路抢答器设计及工作原理
摘 要：本文详细叙述了十路抢答器硬件电路的设计，以及采用EDA软件完成了硬件电路的原理图的编辑、PCB板的布线、PCB板图的生成等。介绍了CD4017、CD4011、NE555中的设计过程。
关键词：抢答器 EDA VHDL CD4017 CD4011 NE555
1 概述
抢答器控制系统是工厂、学校和电视台等单位举办各种智力竞赛等娱乐活动中经常使用的重要基础设备之一。目前设计抢答器的方法很多，但用EDA可以更加快速、灵活地设计出符合各种要求的抢答器，优于其他设计方法，使设计过程达到高度自动化。本文的十路数字显示抢答器基于以十进制计数／分频器CD4017集成电路，作为控制核心设计而成。与传统设计相比较，不仅简化了接口和控制，也提高了系统的整体性能和工作可靠性，具有电路简单、成本低廉、操作方便、灵敏可靠等优点。
根据实际应用的需要，利用CD4017、CD4011集成电路设计一个数字式竞赛抢答器，它能准确、公正、直观地判断出第一抢答者，并能通过抢答器的数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第一抢答者。
设计内容如下：(1) 设计制作一个竞赛抢答器，共设10个组别每组控制一个抢答开关。(2) 设置主持人控制键，用于控制整个系统清零和抢答有效控制。(3) 主持人发出开始命令，10人开始抢答。其中一人先按下抢答键，蜂鸣器发出鸣叫，数码显示该人号码，其他人再按键，系统不再响应，直至主持人按键清零，下一次抢答开始。 (4) 具备倒计时功能，显示设定的抢答倒计时时间，并在主持人发出开始命令后进行倒计时显示。
2 抢答器硬件电路设计
根据抢答器的设计功能要求，设计系统结构框图，如图1所示。该系统硬件电路共分七个组成部分：主持人控制电路、CD4017控制电路、CD4011多谐振荡电路、10人(组)抢答电路、数码组别和显示电路、蜂鸣器警示电路、电源电路等。所有电路图和最后生成的PCB电路板都在Protel DXP 2004环境下开发完成。
抢答器设计主要采用了十进制计数／分频器CD4017集成电路芯片、CD4011集成电路芯片、NE555集成芯片。
2.1 CD4017、CD4011、NE555硬件电路设计
本抢答器由一只CD4017和一只CD4011数字集成电路为核心组成，CD4011组成两个多谐振荡电路，一个为脉冲分配器CD4017提供计数脉冲，另一个作声音信号发生器用。CD4017在电路中作抢答判决元件，前级计数脉冲接在其上沿触发端CP端，平时其使能端EN通过电阻R4接地，CD4017处于计数状态，其输出端Y0~Y9不断轮流输出高电平，与其相连的数码管（发光指示灯）被点亮，由于设计时计数脉冲频率较高，各数码管（发光管）都快速闪烁发光，发光较暗。
NE555设计用来抢答倒计时电路，倒计时的时间可通过改变NE555的2、6输入端RC电路来实现，用3端的输出显示倒计时的时间，和控制CD4017的15端的使能NE端，通过改变电平信号，即高电平、低电平。
2.2 抢答按键设计
按键电路包括10个（SW1~SW10）用于抢答组别信号的输入，另外SW10可用作主持人控制按键，用来复位整个系统。由于一但按钮按下后，只有被按下的输出端保持为高电平，其余都为低电平，因此，以后再按下的按钮均不再起作用，由此作出抢答判决。
主持人控制按键，当倒计时结束时抢答系统自动封锁其他各组的按钮，同时设计只有第一路处于高电平，并用灯或数码管常亮来显示，提示主持人抢答系统处于等待状态。可进行下一轮抢答按钮按下时有效，抢答倒记时开始，反之停止。
3 倒计时和组别显示电路设计
显示电路利用发光二极管或（数码管显示），包括10个发光二极管或7段共阳数码管HEX0[0..6]、HEX1[0..6]、……、HEX8[0..6]、HEX9[0..6]。每个数码管的每段LED都接有限流电阻，以免电流过大烧坏数码管。由于是共阳极接法，因此要点亮某一段LED只需要给相应的信号线输出一个低电平信号即可。由于本设计没有小数需要显示，因此每个数码管的小数点位都没有接信号线，处于悬空状态。
抢答倒记时是由时基电NE555集成电路芯片，RC时间电路及三极管所组成。4、8端连接5VDC正端，1端连接电源地端，2、6端连接RC时间电路，7端是电容放电端，3是输出端。抢答倒记时时间可根据RC来计算T=1.1RC，本设计倒记时时间10秒。当抢答超过10秒时，抢答结束。抢答按扭失效，只有主持人复位后，倒记时抢答重新开始。
4 蜂鸣器电路设计
（蜂鸣器），通过一个CD4011多谐振荡器11角输出，经三极管放大连接到喇叭（蜂鸣器）。蜂鸣器的控制非常简单，一端接正电源，只要在另一端输入一个低电平脉冲信号便可以发出声音，用于警示。
5 电源设计
整个设计用了一种电源：供电电压选择5VDC。此电源是自己设计并制作，对电源变压器选择，功率选择20W应有足够的电源功率，次级电压绕制10VAC选择全波整流，利用IN4001四只整流二极管，整流后直流电压是14VDC应用LM7805集成稳压电路输出5VDC1A。按照每一路最大电流50mA计算，其中10个抢答回路、倒记时1个回路、电源指示回路1个，3只集成电路，共计15个回路。
6 电路的PCB设计
为了减小电路板面积和布线方便，大多数元器件都是塑封装；整个PCB单面板，主要元件都分布在正面。PCB（印刷电路板）的原料是玻璃纤维，需要在表面覆铜。所以把PCB板也称之为覆铜基板。
7 结语
经实际应用，我们所设计的十路抢答器，不仅简化了接口和控制，也提高了系统的整体性能和工作可靠性，具有电路简单、成本低廉、操作方便、灵敏可靠等优点。而且在实际生活中具有很强的实用性。可以成为各单位举办各种智力竞赛等娱乐活动时的必备设备。
参考文献
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