任务4 路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作.docx
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1、任务4 路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作数字电子产品的分析与制作 任务四 八路智力抢答器 抢答报警模块的分析与制作 一、任务资讯 作为一个完整的智力抢答器,当参赛者抢到答题权后,不但要能显示参赛者的组别号,同时还要以声音报警的方式通知主持人及其他参赛者和现场的观众。 555定时器是在电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路,它将模拟电路与逻辑功能巧妙地结合在一起,具有结构简单、使用电压范围大、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件,可以构成多种实际应用电路,广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。本任务是制
2、作一个555集成定时器构成的报警器,将它与上一个任务制作的抢答主控模块连接,构成抢答报警提示功能。 (一)任务目标 类别 知识目标 目 标 1.掌握555定时器的基本结构及分类; 2.能用555定时器构成的施密特触发器、单稳态触、多谐振荡器等应用电路。 1.会查阅555集成定时器的技术资料; 技能目标 2.能正确识别555集成定时器并能检测其其性能; 2.能识别与选取语音芯片并能正确使用语音芯片; 3.能不明确制作由555定时器与语音芯片构成的报警电路。 1.学会沟通能力并培养团队协作精神; 职业素养 2.养成良好的职业道德; 3.养成良好的质量、成本、安全、环保意识 (二)产品电路 根据图4
3、-1给定电路的结构与参数,制作采用555集成定时器的提示报警器。 (三)555定时器简介 1.555定时器分类 555定时器又称为时基电路,按照内部元件可以分为双极型(又称TTL型)和单极型 (又称CM0S型)两种,双极型内部采用的是三极管,单极型内部采用的则是场效应管;按单片电路中包括定时器的个数可以分为单时基定时器和双时基定时器。常用的单时基定时器有双极型定时器5G555和单极型定时器CC7555,双时基定时器有双极型定时器5G556和单极型定时器任务四 八路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作 CC7556,引脚排列如图4-2所示。 3 图4-1 八路智力抢答器抢答报警模块电路原理图 (a
4、)单时基定时器引脚排列图 (b)双时基定时器引脚排列图 图4-2 单时基定时器和双时基定时器引脚排列图 2.555定时器的电路组成 CC7555定时器内部电路如图4-3所示,它由分压器、比较器A1和A2、RS触发器和放电管VT等几部分组成。引脚分布为:1脚VSS为接地端;2脚TR为触发端(低触发端);3脚OUT为输出端;4脚R为复位端(低电平有效);5脚C-V为电压控制端;6脚TH为阈值端(高触发端);7脚D为放电端;8脚VDD为电源端。 图4-3 CC7555定时器内部电路图 数字电子产品的分析与制作 (1)分压器 分压器由三个等值的电阻(R1、R2、R3)串联而成,将电源电压VDD分为三等
5、份,作用是为比较器提供两个参考电压,一个是A1反相输入端电压U1,一个是A2同相输入端电压U2,若控制端C-V悬空或通过电容接地,则 U1=21UDD, U2=UDD 33若控制端C-V外加控制电压US,则 U1=US, U2=US/2 (2)比较器 A1和A2接成电压比较器,根据比较器的工作原理,可知: 当U+u-时,比较器的输出为高电平l; 当U+u-时,比较器的输出为低电平O。 显然,当高触发端TH(6脚)的电位大于的电位小于2UDD时,比较器A1的输出R为l,当高触发端TH32UDD时,比较器Al的输出R为0。 31当低触发端TR (2脚)的电位大于VDD时,比较器A2的输出S为0,当
6、低触发端TR的电31位小于VDD时,比较器A2的输出S为1。 3(3)基本RS触发器 基本RS触发器由两个或非门组成,电压比较器的输出是基本RS触发器的输入信号,触发器的输出信号Q和Q将随着比较器输出的变化而改变。 (4)复位电路 R是复位端,低电平有效。当R为低电平时,输出端OUT(3脚)为0。 (5)放电管VT和输出缓冲器 NMOS放电管主要用以构成放电回路。当复位端R无效,即高电平时,若基本RS触发器的Q=0,则放电管VT截止;若Q=1,则放电管VT导通,通过放电端D(7脚)与外接电路形成放电回路。 输出部分由反相器构成输出缓冲器,以提高输出驱动能力。 3.555定时器的功能 根据以上5
7、55定时器的电路结构,可以分析其功能见表4-1。 (1)复位端R的优先级最高,只要R= 0,电路的输出OUT就为0;当R=1时,触发器的输出的状态将由高触发端TH和低触发端TR二者的大小来决定。 21(2)UTHVDD时,RS触发器的输入端R=O,UTRVDD时,RS触发器的输入端S=1,此时触33发器置位,Q=1。放电管VT截止,放电端D为高阻态。电路的输出OUT就为1。 任务四 八路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作 表4-1 555定时器功能表 TH TR 2VDD 32VDD 31 0 导通 1VDD 31 保持原态 保持原态 (3)UTH21VDD时,RS触发器的输入端R=l,UTR
8、VDD时,RS触发器的输入端S=0,此时触3321VDD时,RS触发器的输入端R=0,UTRVDD时,RS触发器的输入端S=0,此时触33发器复位,Q=0。放电管VT导通。电路的输出OUT就为0。 (4)UTH发器保持原状态,放电管VT也保持原状态,即电路的输出OUT保持原态。 为便于记忆,上述功能可归纳为“同低出高。同高出低。不同保持”。例如,“同低出高”是指高触发端、低触发端同时低于各自的参考电压时,输出为高电平。 (四)施密特触发器 施密特触发器能将缓慢变化的波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲,同时具有回差电压和较强的抗干扰能力。 1.用555定时器构成的施密特触发器 (1) 电路组成 将55
9、5定时器的高触发端TH(6脚)与低触发端TR(2脚)接在一起,作为信号的输入端,即可构成施密特触发器,如图4-4(a)所示。电压控制端C-V(5脚)接有一个0.01F的滤波电容,以提高电路的稳定性。 2.工作原理 设输入波形为三角波,如图4-4(b)所示。根据表4-1中555定时器的功能表可以得到分析结果。 112当uiVDD时,对应图4-4(b)中的0t1段,此时,UTRVDD,UTHVDD,为“同低出高”,33312u0为1;当uI升高到VDD u0(a) 555定时器构成的施密特触发器 (b) 波形图 图4-4 555定时器构成的施密特触发器及其波形图 2VDD时,对应图中t2t3段,为
10、“同高出低”,u0为0,触发器处于复位状态。当321VDD以下,尚未达到VDD时,对应图中的t3t4段,为“不同保持”,触发器保33输入uI减小到持原来状态,维持u0为0。 1当输入电压uI继续下降到 21VDD时,由于ui VDD,于是“同高出低”,555定时器输出为低电平,即u0=O。放电3321VDD、UTR=uIVDD,则“不同保持”,33管VT导通,电容C经VT迅速放电,uC0,此时UTH=uC即输出u0为稳定的低电平,工作波形如图4-9(b)中Ot1段所示。 1暂稳态:在负脉冲ui作用下,低触发端TR得到低于VDD的触发电平,而此时uC=0,即3UTH21VDD、UTRVDD,则“
11、同低出高”,即输出u0为高电平,同时放电管VT截止,电路进入暂33稳态,定时开始。工作波形如图4-9(b)中t1t2段所示。 暂稳态阶段,电容C充电,充电回路为VDDRC地,充电时间常数tRC,uC按指数规律上升。 自动返回稳定状态:当电容电压uC上升到221VDD时,UTHVDD、UTRVDD,则有“同高333出低”,输出u0由高电平变为低电平,放电管VT由截止变为饱和,暂稳态结束。电容C经放任务四 八路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作 电管VT放电至0V,由于放电管饱和导通的等效电阻较小,所以放电速度快,在这个阶段,输出u0维持低电平。工作波形如图4-9(b)中t2t3段所示。 电路返回
12、稳态后,当下一个触发信号到来时,又重复上述过程。 由图可见,输出脉冲宽度tW为定时电容C上的电压uC由0充到2VDD所需的时间,其大小3可用下式估算 tW=RCln31.1RC 由上式可见,脉冲宽度tW大小与定时元件R、C的大小有关,而与输入脉冲宽度及电源电压大小无关,调节定时元件,可以改变输出脉冲宽度。 当一触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳态状态以后,tW期间其他触发脉冲对触发器就不起作用;只有当触发器处于稳态时,输入的触发脉冲才能起作用。 2.单稳态触发器的应用 (1) 定时 单稳态触发器可以构成定时电路,与继电器或驱动放大电路配合,可实现自动控制、定时开关的功能等。 (2) 分频 当一个触
13、发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态,在此脉冲以后tW时间内,如果再输入其他触发脉冲,则对触发器的状态不再起作用;只有当触发器处于稳定状态时,输入的触发脉冲才起作用,分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号,电路如图4-10所示。 图4-10 分频电路 (六)多谐振荡器 多谐振荡器是能产生矩形脉冲波的自激振荡器,由于矩形波中除基波外,还包含许多高次谐波,因此这类振荡器被称为多谐振荡器。多谐振荡器一旦起振后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们交替变化,输出连续的矩形波脉冲信号,因此它又称为无稳态电路,常用做脉冲信号源。 1.用555定时器构成的多谐振荡器 (1)电路组成 电路如图4-11
14、(a)所示,定时元件除电容C之外,还有两个电阻R1和R2。将高、低触发数字电子产品的分析与制作 端(6脚、2脚)短接后连接到C与R2的连接处,将放电端(7脚)接到R1与R2的连接处。由图可见,uC=UTH=UTR。 (a)电路图 (b)波形图 图4-11 555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形 (2)工作原理 在接通电源瞬间t=t0时,电容C来不及充电,uC为低电平,此时,UTH21VDD、UTRVDD,33则有“同低出高”,输出u0为高电平。同时放电管VT截止,电容C开始充电,电路进入暂稳态。一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段,如图4-11(b)所示。 暂稳态I(t0t1):电容C
15、充电,充电回路为VDDR1R2C地,充电时间常数为电容C上的电压uC随时间t按指数规律上升,VDDuCt1=(R1+R2)C,即输出u0暂稳在高电平。 自动翻转I(t=t1):当电容上的电压uC上升到2VDD时,则有“同高出低”,即输出u0由3132VDD则有 “不同保持”,3高电平跳变为低电平,电容C中止充电。 暂稳态II(t1t2):此时,放电管VT饱和导通,电容C放电,放电回路为CR2放电管VT地,放电时间常数t2=R2C(忽略放电管VT的饱和电阻RCES),电容电压uC按指数规律下降,同时使输出维持在低电平上。 1自动翻转Il(t=t2):当电容电压uC下降到VDD时,则有“同低出高”
16、,即输出u0由低电3平跳变为高电平,电容C中止放电。由于放电管VT截止,电容C又开始充电,进入暂稳态I。 以后,电路重复上述过程,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们交替变化,输出连续的矩形波脉冲信号。 (3)主要参数 两个暂稳态维持时间T,和R的计算公式为 T1=t1ln2=0.7(R1+R2)C T2=O.7R2C 任务四 八路智力抢答器抢答报警模块的分析与制作 振荡周期为 T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C 振荡频率为 f=1/T 0.7(R1+R2)C+占空比为 D=T1=R1R2 T1+T20.7(R1+2R2)CR1+2R2 2.石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器的振荡频率不
17、仅取决于时间常数RC,而且还取决于阈值电平,由于其易受温度、电源电压等外界条件的影响,因而频率稳定性较差,不适合用在频率稳定性要求较高的场合。为了得到频率稳定性很高的脉冲信号,可采用如图4-12(a)、(b)所示的石英晶体振荡器,简称晶振。例如计算机中的时钟脉冲就是由晶振产生的。 石英晶体J相当于一个高Q(品质因数)的选频网络。电路在满足正反馈条件的自激振荡过程中,石英晶体只允许与其谐振频率f0相等的信号顺利通过,而ff0的其他信号则被大大衰减,因而该电路的振荡频率主要取决于石英晶体的谐振频率f0,与R、C的取值关系不大;R主要用来使反相器工作在线性放大区,R的阻值对TTL门来讲通常在0.72
18、KW之间,而对于CMOS门而言则常在10100MW之间。图4-12(b)所示的晶振电路输出的频率为32768 Hz,经若干级二分频器后,可以为数字钟提供时钟脉冲,电路中电容C1用于两个反相器之间的耦合,而C2的作用则是抑制高次谐波,以保证稳定的频率输出。 图4-12 石英晶体振荡器 二、任务决策 电路原理分析 1.工作任务电路整体结构图 八路智力抢答器抢答报警模块电路原理图如图4-13所示。 2.电路分析 IC1是时基集成电路NE555,它与R4、C2、C3组成单稳态触发器,IC2是语音报警芯片,它与VT3、VT4及扬声器B构成语音报警发声电路,R1、R2、R3、C1及D1构成报警启动控制,低
19、电平触发电路。整个电路板通过接头JT10与抢答控制主控模块相连。 电源由抢答主控模块通过JT10的3、4脚送至本电路板,电路处于稳态,即IC1的3脚输出低电平,报警电路不工作。JT10的1脚与抢答主控板上的IC3反相器输出端相连,平时没有参赛者按下抢答按钮时,1脚为高电平,5V电源经过R2,使D1导通,R2与R3串联分压,由数字电子产品的分析与制作 于R3远大于R2,使IC1的2脚TR为高电平,电路处于稳态,3脚输出为0;当某参赛者按下抢答按钮开关后,主控板上的IC3反相器输出低电平,通过JT10的1脚使电容C3左边为低电平,由于电容C1的电压不能突变, D1阳极电位下降为零,D1截止,使IC
20、1的2脚TR为低电平,电路进入暂稳态,3脚输出为l,同时由于R2、C1的充电时间常数很小,D1阳极电位很快变为高电平,D1重新导通,使TR恢复为高电平;电路进入暂稳态后,其维持时间由R4、C2决定。 图4-13 八路智力抢答器抢答报警模块电路原理图 单稳电路被触发翻转进入暂稳态,IC1的3脚由原来的低电平跳变为高电平。该高电平信号经限流电阻R5使三极管VT1导通,于是VT2也饱和导通,语音集成电路IC2被接通电源工作。IC2输出的音频信号经三极管VT3、VT4构成的互补放大器放大后推动电动式扬声器B发出洪亮的报警声。由于单稳电路被触发翻转的同时,电源开始经R4对C2充电,约经过1.1R4C2时
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