摘要：简易三人抢答器是一名的裁判员，它的任务是从三名竞赛者中确定出最先的抢答者，并显示出最少反应时间。
1.系统总体方案设计
1.1电路组成和工作原理
根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答计事系统的组成框图如下图1-1所示。它主要有五部分组成：
图1-1
1.1.1抢答器
智力竞赛抢答器的核心。当参赛者的任意一位首先按下抢答开关事，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二极管亮（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。 1.1.2抢答控制器
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。
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1.1.3清零装置
供比赛开始前裁判远使用。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。 1.1.4显示、声响电路
比赛开始，当某一参赛者按下抢答器开关时，触发器就接受该信号，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。 1.1.5振荡电路
它应该提供给抢答器、计时系统和声响电路工作的控制脉冲。
1.2设计步骤及方法
下图1-2为三人简易抢答器系统的原理图。
VDDDA1QRDB2QRDCVDDSSR+1Q1RCC40131CP1DVDDVDD5.1KΩ1RCC40132R1D1CP2D2CPV+TJCC4012G1CP(1KHz)ABCCP（500KHz）aa...gga...gCC4511agDCBAQDQAQBCP—DCBA—=1CP—=PEDCBAQDCC40192QACP—DCBACP（1HZ）图5 图1-2 原理图
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1.2.1抢答控制电路
该系统有开关A，B，C，分别有三名参赛者控制。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，相当于书车逻辑高低电平。 1.2.2抢答器
由有原理图看出，抢答器是由二个四管脚的D型触发器和与非门G1组成。它的工作原理是这样的：若参赛者A首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，触发器输入端1D接受该信号是输出Q为高电平，相应的Q非为低电平，这个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封锁而被拘之门外，触发器2D和3D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（其他的两种情况类同）。因此该电路只接收第一个输入的信号，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。 1.2.3清零装置
为了保证电路的正常工作，比赛开始前，裁判员都是要将各触发出发器的状态统一清零。本系统利用D触发器的异步复位端实现清零功能。由原理图可以看出，该D触发器的异步复位端为R，低电平有效。因此，将各触发器的异步复位端统一用一开关J控制，正常比赛时，使R非、S=0 非均处于高电平，用R =0非功能。
1.2.4显示、声响电路
声响显示电路需要在当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响。
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非端。当某参赛者按下开关，该触发器接受该信号使其输出Q端的状态为高电平，相应的Q非端为低电平，就有电流流过发光二极管是它发亮。
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声响电路由两部分组成：一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。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非的与非，他说明只要有一Q非为低电平，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。
2．元器件选型
2.1电阻
因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。
在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
作用：主要职能就是阻碍电流流过，应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。 2.2开关
指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件，接点的“闭合”表示电子接点导通，允许电流流过；开关的“开路”表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过。 2.3 D触发器
电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。
电路结构：该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。
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图2-1
工作原理
SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是
预置和清零端，低电平有效。当SD=1且RD=0时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=0，Q非=1，即触发器置0；当/SD=0且/RD=1时，Q=1，Q非=0，触发器置1,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：
CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5非=D非
当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5非=D，Q4=Q6非=D非。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=Q3=D。
触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触发
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器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。
特征方程： Qn+1=D
对边沿D触发器归纳为以下几点优点： 1.边沿D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器；2，边沿D触发器属于脉冲触发方式；, 3.边沿D触发器不存在约束条件和一次变化现象，抗干扰性能好，工作速度快。
CC4013外部引线排列图2-2
图2-2
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2.4二极管
是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。 2.5三极管
按材料分有两种：锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少
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（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib 。式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
结论与展望
本次课程设计将我所学习的理论知识与实践活动想联系，增强了我的动手、动脑能力，从而达到学有所用，更明确目标，为以后的学习树立了信心！对自己以前所学知识的巩固和今后的学习起了举足轻重的作用。本次课程设计，更加深了我对电子技术的热爱，也激发了我对未知领域进军的斗志。通过本次课程设计我收获很多，通过发现问题、解决问题，学到了不少东西。认识到了自己所学的专业知识的实用性，基本掌握了常用电子电路的一般设计方法，提高了设计能力和实验技能，也掌握了Protel99的操作方法，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而适应社会的需求。
最后衷心感谢老师的悉心指导和同学的热心帮助!
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参考文献
[1] 杨志忠 电子技术课程设计 机械工业出版社. 2008
[2] 康华光. 电子技术基础（数字部分. 北京：高等教育出版社. 2000
[3] 实用电子电路手册. 北京：高等教育出版社. 1992 [4] 任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学社.
[5]Protel 99 SE入门与典型实例 北京 人民邮电出版社2008 [6]唐颖. 数字电子技术及实训 浙江大学出版社 2007
附录Protel原理图（见下页）
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