《2002年江西省电子设计大赛题目及电路解析》
2002年电子设计制作赛作品分析
为了促进电子信息类及相关学科的专业建设和课程建设，加强大学生动手能力的培养和工程实践能力的训练，提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的综合能力，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，江西省教育厅、共青团江西省委联合主办每年一届的学生电子设计制作赛。竞赛分现场赛、自选赛，每年五月下旬举行。
现场赛是考查学生基本技能的竞赛，凡在校的各年级学生都有机会参加。赛题内容主要是运用模拟电路、数字电路及传感器知识设计，制作一个能演示规定功能的电子作品。
自选赛是考查学生创造能力与团队协作精神的竞赛，类似全国大学生电子设计竞赛，一般都是在现场赛中选拔优秀学生参加。赛题内容以电子电路（含模拟和数字电路）设计应用为基础，可涉及模一数混合电路、单片机、嵌入式系统、DSP.EDA软件的应用。
现将近十三年现场赛赛题、作品分析和评审细则选编于后，供参赛者实训练习。
15.1 智力竞赛抢答器（2002年赛题）
一、题意
运用模拟电路、数字电路知识设计，制作一个8路智力竞赛抢答器，要求有优先锁存、数显、声响及复位电路。
二、电路结构
抢答器核心电路
本制作是一个简易实用的8路数字显示抢答器，图15-1为该抢答器的核心部分，包括抢答、编码、优先、锁存、数显及复位等电路。所用的元器件除集成电路CD4511，还有14只IN4148二极管，一只9014(NPN)三极管，1 5只1/8W的碳膜电阻器，9只小型按钮开关，SB，~SB8为抢答键，SB9为复位键，LED数码管为0.5英寸的共阴极管，红色（如BSR510IC）或绿色(如BSG510IC)均可。辨别引脚可参考图15-1所示，电阻器R9～R15为限流电阻。若要大尺寸数码显示，则可用显示屏，此时需用导线将显示屏的引脚线连接到印制板上，又由于数码显示屏的工作电压较高，故应提高电路的工作电压。原理图中的SA为工作电源开关，可由此将6～8V的直流电压单独引入至该电路进行测试，SA不用也无妨。
CD4511是一块含BCD一七段锁存／译码／驱动电路于一体的集成电路，其引脚图见图1 2—1 0所示。
CD4511的1.2.6.7脚为BCD码输入端，第9~15脚为显示输出端。第3脚为测试端(岫，当LT为“O"时，输出全为“1".第4脚为消隐端(B1)，当BI为“0"时，输出全为“0"，显然此时还可清除锁存器内的数值。第5脚为锁存允许端(LE)，当le端由“0"一“1"肘，
a.b.c.d.e.f.g七个输出端保持在LE为“0"时所加BCD码对应的数码显示状态。第1 6脚接电源正极，第8脚接电源负极CD4511输入端与输出端的关系可见表15-1真值表。
除上述核心电路外，还有电源电路及讯响电路。电源电路采用第8章的图8-22的LM317 可调直流稳压电源电路，提供8V左右的直流电压给核心电路与讯响电路（UDD=8V），这三部分的接地(GNI))彼此相连．，抢答器的汛响电路由图7-18的多谐振荡电路稍作改变成图15-2的音频多谐振荡器，其中R。=R．{-IOKQ，扬声器(1/4W、8Q)通过lOOvF的电容器接在555IC的3脚与地(GND)之问，C=0.luF，而RA没有直接接电源+%．，rm是通过4只IN4148组成的二-极管或门电路，4只二极管的阳极分别接CD4511的1、2、6、7引脚．，任何抢答按键按下，讯响电路都能振荡发出讯响声．，只要整个电路元件良好，装配己无误，本制作一般不必调试，当电路通电，按下任一抢答按键不动，听到扬声器发II{I讯响后，把IlL源电从梢作调整(8V左右)，使声音悦耳、音量适当即可．，
三、电路的工作原理
从上述知，本电路由图15-1、图15-2及H 8-22（直流稳}fj电源）三人部分构成，而图8-22 jj图15-2的汛响Ib路的1：作原珲在第8章和第7章作过介绍，故不赘述．，这里要讲述的是图15-1所示奉制作核心电路的T作原理。
SBl-SB8组成1-8路抢答键，Dl-D12组成数字编码器，任一抢答键按下，都须通过编码二极管编成BCD玛，将高电平加到CD4511所埘应的输入端。从CD4511的0i脚图右，看出，引脚6、2、1、7分别为BCD码的I）、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、l位）。设SB8键按下，则高电平仅通过1只二极管加到CD4511的6脚，而2、1、7脚，保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“1000”。又如有SBs键按下，此时高电平便通过2只二极管加到CD45 11的2脚与7脚，而6.1脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码是“0101"o依此类推，按下第几号抢答键，输入的BCD 码就是键的号码并自动地由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示。
抢答器讯响电路CD4511管脚图
由于抢答器都是多路即满足多位参赛者抢答的要求，这就有一个先后判定的锁存优先的电路，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y丁、VD13、VD14、尺7、尺8组成的控制电路可完成这一功能，当抢答键都未按下时，因CD4511的BCD码输入端都有接地的电阻(1 0KR)，所以此时BCD码输入端为“OOOO"，则CD4511输出端a.b.c.d.e.f均为高电平，g为低电平。通过对O—9这1 0个数的分析（见CD4511真值表）可以看到，只当数字为“O"时，才出现d为高电平而g为低电
平，这时y丁导通，VD12、VD14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚，即LE端为低电平“O"，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“O"态，正是这种情况下，抢答歼始，当SBl～SB8任一键按下时，CD4511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“O"-b“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“O”时输入的BCD码之显示状态。例如SBi键第一个按下，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y丁的基极亦为低电平，集电极为高电平，经VD13加至CD4511第5脚，即LE "O"。“1"状态。则在LE为“O”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SB键送来的信号是1，SB键之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答，主持人须先按下复位键SB9，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SBs键第一个按下，这时应立即数显“5"，与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平（1 0脚d为低电平，1 2脚h为低电平，VD13截止），并通过VD14使CD45 11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，后边接蹲而来的其它按键信号被封住，可见电路一旦“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。
CD4511真值表及驱动显示
四、制作与调试
8路数显智力抢答器，可用一块尺寸为8x20cm的电路板，将电源、讯响及图15-1电路制作、焊接成一个整体，为了操作的方便，按键SB1～SB8及扬声器用适当长度的导线连接到电路板相应的接点上。本制作不难，较为复杂的是图15-1部分，为此提供这部分的印制板图供制作者参考，如图15-3所示。
只要所用的元器件质量良好，焊接、装配无误，调试就十分简单，须注意的是本制作的直流稳压电源输出Uo=UDD=UCC=6~8V，为了兼顾电路的正常工作及讯响清脆，通常应调至8Vo如果制作者希望增加第九路抢答，由842 1码知，十进制的“9"即是二进制的“1 00 1”，故只需增加二只二极管与一只抢答键便可实现。