【数字电路】八路智力抢答器项目

** 仿真部分功能后续待专业版仿真上线后同步！**

1 项目简介

本项目基于通用数字集成芯片设计的一个八路智力竞赛抢答器。在主持人宣布开始后，第一时间准确识别出谁先按下按键，并进行锁存、显示和声音提醒，封锁其他选手后续的抢答信号，直到裁判按下复位按钮，保障比赛公平性。

1.1 模块特点

器件简单：采用CD4511与NE555为核心，芯片选型典型，辅以最基础的二极管、三极管、电阻、电容等元件，成本极低，易于采购，非常适合课程实验。
功能完整：集成了电子锁存、优先判断、数码显示、声音报警以及主持复位功能，系统完整。
电路结构巧妙，教学性强：利用二极管的“或门”特性和电容的锁存特性实现简单的优先编码与锁存，避免了使用复杂的专用编码芯片，电路原理直观，更能启发学生思维。

2 电路原理

本系统重点由电源电路、抢答锁存、译码显示电路、声音报警电路四个部分组成，系统整体框图如下所示：

2.1 电源电路

电源部分由Type-C作为电源输入口，SW1是拨动开关，C2/C3为电源滤波电容。

2.2 抢答锁存电路

KEY1-KEY8组成1-8路抢答键，D1-D12组成数字编码器，任一抢答键按下，通过编码二极管编成 BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端，从 CD4511的引脚6、2、1、7分别为 BCD码的D、C、B、A位(D这高位，A为低位)。

当KEY1按下时，CD4511的7号引脚对应的A位为高电平，B/C/D三个引脚通过下拉电阻接地为低电平，此时输出BCD码为：0001，对应CD4511真值表输出控制数码管显示。抢答结束后按下RSTER按键，CD4511的BI引脚拉低，此时芯片复位进行下一轮抢答。芯片真值表如下所示：

优先锁存电路由二极管（D13、D14）、三极管（Q1）、电阻及CD4511的锁存允许端（LE）完成。在初始状态或复位后的状态时，CD4511 输入端都与一个电阻（10K）下拉接地，所以此时BCD码输入端为“0000”，则CD4511 输出端a、b、c、d、e、f 均为高电平，g 为低电平，数码管显示为“0”。而当CD4511输出d引脚为高电平，三极管导通或者是g引脚为低电平时，二极管的正极均为低电平，使CD4511 的LE 端为低电平“0”，根据真值表也得此时允许BCD码输入。而当任一抢答键按下时，由真值表输出显示数字1-9情况可知，CD4511 输出端d输出为高电平和输出端g为低电平不会同时存在，所以总有一个高电平通过二极管让CD4511的LE端变成高电平，使得BCD 码显示的数字锁存并保持，其他按键编码就无法输入，从而达到了抢答的目的。

2.3 译码显示电路

采用共阴极数码管，结合CD4511输出引脚为高电平时，经过R9-R15限流电阻后点亮数码管，不同数码管显示位组成对应数字。当a-g输出为01100000时，数码管b、c段点亮，数码管显示为“1”。

2.4 声音报警电路

抢答器声音报警电路由NE555组成多谐振荡器，四个二极管组成或门电路分别接CD4511 的1、2、6、7 引脚，不管哪个按键按下时都能提高一个高电平接到R16使555正常工作。可以通过调整RP1的阻值大小改变输出频率，周期公式为：T=0.7*(R16+2RP1)*C1，频率f=1/T。3号引脚经过一个100uF电容输出接到无源蜂鸣器上。

3 PCB设计

本小节内容将重点介绍如何在嘉立创EDA专业版中设计八路抢答器项目原理图及PCB。仿真部分不做讲解，若有需要可在仿真软件中进行仿真验证后进行设计。

3.1 原理图设计

在设计原理图时，参考以下器件清单列表，在嘉立创 EDA 在线元件库中搜索器件编号即可找到指定器件进行放置，其中 M3 螺丝柱可在常用库中的安装器件中查找。

画布图纸默认设置为 A4大小，元器件搜索后按八路抢答器原理图进行连线与布局。部分器件搜索出来可能与参考图有偏差，引脚连接的网络一致即可，也可以通过点击不同的器件，右键，修改符号，使搜索出来的器件与参考图样式保持一致（原理图样式可以有多种，引脚排序可以不同）。

序号	器件名称	参数	器件封装	器件编号
1	数字芯片	CD4511	DIP-16	C507153
2	数字芯片	NE555	DIP-8	C398063
3	二极管	1N4148	DO-35_BD2.0-L4.2	C13769
4	轻触开关	K4-6×6_TH	KEY-TH_4P	C136684
5	数码管	红色共阴极数码管	LED-SEG-TH_10P	C8093
6	LED灯	3mm红色	LED-TH_BD3.0_RED	C84774
7	可调电阻	100kΩ	RES-ADJ-TH_3P	C118963
8	插件电阻	10KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C119347
9	插件电阻	1KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C713997
10	插件电阻	2.2KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C714002
11	插件电阻	100kΩ	RES-TH_BD2.5-L6.5	C58597
12	滑动开关	SS-12D02-VG4	SW-TH_SS-12D02-VG4	C136719
13	三极管	9013	TO-92-3	C305408
14	USB连接器	Type-C	USB-SMD_KH-TYPE-C-2	C2919656
15	蜂鸣器	无源蜂鸣器	BUZ-TH_BD9.0	C96256
6	电解电容	100uF	CAP-TH_BD6.3	C44601
17	独石电容	100nF	CAP-TH_L3.8	C94717
18	独石电容	10nF	CAP-TH_L3.8	C377844
19	铜柱	M3螺丝	M3螺丝	常用库

3.2 PCB设计

完成原理图设计之后先注意检查电路是否连接对，网络是否有缺失没有接上的情况。全部检查无误后点击原理图顶部菜单栏中的设计-更新/转换原理图到PCB进行PCB的设计。
（1）外形设计
生成PCB后需要设定一个PCB外形，外形的尺寸可根据元器件的数量及布局要求放置，由于嘉立创提供的免费PCB打板尺寸范围为 10cm*10cm，该项目结合实际特点可设定一个长90.3mm，宽55mm，圆角半径2mm的长方形作为PCB板的大小。
（2）元器件布局
原理图中的器件转到PCB后元器件布局比较乱，在设计PCB的第二步需要对元器件进行分类和布局，分类的依据是将各个电路模块的器件放置到一起，使用嘉立创EDA提供的布局传递功能可以很快地对每个电路模块进行布局，注意接口器件应放置在板子边缘，方便接线操作。
（3）PCB走线
PCB走线在设计单层板时，顶层走线默认是红色线，走线也就是在电路板中连接铜线。选择层与元素中的层，然后将两个相同网络的焊盘连接起来就可以了。看似简单的连连看，其实其中需要耐心的进行调整，元器件的摆放布局也会影响走线的难度。在该项目的走线中提供以下几点参考建议：

电源线设置为25mil，信号线设为15mil宽度
走线使用顶层走线，走不通的地方再通过过孔换层到底层走线
GND不用接线，使用底层覆铜即可
走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主
完成走线后添加合适的丝印标记说明该PCB板的用途以及接口功能
有空白的位置可以添加说明或者图片

4 焊接与调试

4.1 焊接事项

焊接时可根据物料清单对照板子上的元器件位置进行焊接，可在附件中下载焊接辅助工具在电脑端或手机端查看元器件位置辅助焊接。
焊接辅助工具

焊接辅助工具界面

焊接顺序遵循“从低到高，从信号源到负载”的原则，焊接顺序与参考位号如下表所示，实际位号以自己设计的PCB为准。

焊接顺序	器件名称	参数	位号	数量	备注
1	二极管	1N4148	D1-D18	18	有正负极，黑色边为负极
2	电阻	10K	R1-R6,R8	7
3	电阻	1kΩ	R7,R9-R15,R17	9
4	电阻	100K	R16	1
5	USB	type-C	USB1	1
6	二极管	LED-3mm	LED1	1	有正负极，长引脚为正极
7	三极管	9013	Q1	1
8	电容	10nF	C1,C4	2
9	电容	100nF	C3	1
10	开关	12D02	SW1	1
11	按键	6×6	KEY1-KEY8,RSTER	9
12	电容	100uF	C2,C5	2	有正负极，白色边为负极
13	蜂鸣器	无源	BUZZER1	1
14	可调电阻	100kΩ	RP1	1
15	数码管	0.56寸	SEG1	1
16	芯片	CD4511	U1	1	先焊接芯片座，再安装芯片
17	芯片	NE555	U2	1	先焊接芯片座，再安装芯片
8	插件电阻	10KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C119347
9	插件电阻	1KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C713997
10	插件电阻	2.2KΩ	RES-TH_BD2.3-L6.5	C714002
11	插件电阻	100kΩ	RES-TH_BD2.5-L6.5	C58597
12	滑动开关	SS-12D02-VG4	SW-TH_SS-12D02-VG4	C136719
13	三极管	9013	TO-92-3	C305408
14	USB连接器	Type-C	USB-SMD_KH-TYPE-C-2	C2919656
15	蜂鸣器	无源蜂鸣器	BUZ-TH_BD9.0	C96256
6	电解电容	100uF	CAP-TH_BD6.3	C44601
17	独石电容	100nF	CAP-TH_L3.8	C94717
18	独石电容	10nF	CAP-TH_L3.8	C377844
19	铜柱	M3螺丝	M3螺丝	常用库