抢答器的电路制作与调试

数字电路制作与调试

项目二 抢答器的电路制作与调试

学习目标 ——会描述常用中规模集成电路的逻辑功能。 ——能正确使用优先编码器，会描述优先编码器的工作原理和逻辑功能。 ——能正确使用显示译码器，会描述显示译码器的工作原理和逻辑功能。 ——能正确使用锁存器，会叙述锁存器的工作原理。 ——会用中规模集成电路完成抢答器电路功能的制作与调试。

工作任务 1．正确连接译码显示电路。 2．测试编码器的功能。 3．测试D触发器逻辑功能。 4．四人抢答器的制作与调试。

工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力比赛，抢答器是必要设备。抢答器是一名公正的裁判员，它的任务是从若干名参赛者中确定出最先的抢答者。

本项目主要学习几种七段数码显示器、译码器、编码器、D触发器等常用集成组合逻辑器件的工作原理、逻辑功能测试方法及其应用。

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P2 抢答器的电路制作与调试 模块一 译码显示电路的功能测试

学习目标 ——能看懂显示译码器的逻辑功能真值表，能正确使用七段BCD码锁存、译码、驱动等电路。 ——会使用LED七段数码显示器。 ——会用CC4511型译码器和FR-205（C）半导体数码管连接成译码显示电路。

工作任务 1．绘制CC4511和FR-205（C）所组成的译码显示电路的电原理图。 2．将CC4511的各输出端和FR-205（C）的各输入端相连，给CC4511加上＋5电源。 3．正确测试CC4511的逻辑功能。

任务一 七段数码显示器

读一读 二进制代码

在数字电路中，往往用1和0组成二进制数码表示数值的大小或一些特定的信息，这种具有特定意义的二进制数码称为二进制代码。

要用二进制代码来表示十进制的0～9十个数，至少要用4位二进制数。4位二进制数有16种组合，可从这16种组合中选择10种组合分别来表示十进制的0～9十个数。选哪10种组合，有多种方案，这就形成了不同的BCD码。具有一定规律的常用的BCD码见表2-1-1。

表2-1-1 常见BCD码

十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 权 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 8 8421码 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 4 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 2 2421码 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 4 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 2 - 40 -

5421码 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 4 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 2 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 余三码 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 无权 数字电路制作与调试

从表2-1-1中可以看出，8421BCD码是选取0000~1001这十种状态来表示十进制0~9的。8421BCD码实际上就是用按自然顺序的二进制数来表示所对应的十进制数字。因此，8421BCD码最自然和简单，很容易记忆和识别，与十进制之间的转换也比较方便。 8421BCD码和一个四位二进制数一样，从高位到低位的权依次为8、4、2、1，故称为8421BCD码。

BCD码用4位二进制码表示的只是十进制数的一位。如果是多位十进制数，应先将每一位用BCD码表示，然后组合起来。

例如：十进制数1981用8421BCD码表示为： （1981）10=（0001 1001 1000 0001）8421BCD 做一做 用七根火柴棒摆放出类似于计算器中显示的0到9十个数字。如图2-1-1所示。

图2-1-1 火柴棒摆放数字图形

读一读 与火柴棒摆放的数字图形相似，七段数码显示器（又称七段数码管或七段字符显示器）就是由七段能够独立发光直线段排列成日字形来显示数字的。常见的七段半导体数码管(又称LED数码管)是由七段发光二极管按图2-1-1所示的结构拼合而成。

图2-1-2是半导体数码管的外形图和等效电路。半导体数码管有共阳极型和共阴极两种类型。图2-1-2(b)中，共阳极型中各发光二极管阳极连接在一起，接高电平，a~g和DP各引脚中任一脚为低电平时相应的发光段发光；共阴极型号中各发光二极管的阴极连接在一起，接低电平，a~g和DP各引脚中任一脚为高电平时相应的发光段发光（DP为小数点）。 一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。

(a)外观图 (b)等效电路

图2-1-2 半导体数码管

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P2 抢答器的电路制作与调试 表2-1-2列出了a~g发光段的十种发光组合情况，他们分别和十进制的十个数字相对应。表中H表示发光的线段，L表示不发光的线段。

表2-1-2 七段显示组合与数字对照表

发光段 数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

半导体数码管的优点是工作电压较低（1.5~3V）、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高，字形清晰。半导体数码管适合于与集成电路直接配用，在微型计算机、数字化仪表和数字钟等电路中应用十分广泛。半导体数码管的主要缺点是工作电流大，每个字段的工作电流约为10mA左右。 想一想 七段数码显示器由 个发光直线段组成。当七段数码显示器显示数字4时所对应的发光段是 ；当七段数码显示器显示数字6时所对应的发光段是 。 做一做 识别图2-1-3和图2-1-4所示BS201（或BS202）、BS211（或BS222）两种型号的半导体数码管：

(1) 观察形状，记录型号。

(2) 画出8段LED数码管外形图，分析并记录各发光段与各引脚之间的对应关系。 (3) 找出LED数码管公共引脚端的位置。 (4) 分析显示0到9十个数字的方法。

(5) 判断哪一个是共阳极型LED数码管？哪一个共阴极型LED数码管？

a H L H H L H H H H H b H H H H H L L H H H c H H L H H H H H H H d H L H H L H H L H H e H L H L L L H L H L f H L L L H H H L H H g L L H H H H H L H H - 42 -

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图2-1-3 BS201型LED数码管 图2-1-4 BS211型LED数码管

任务二 分段译码显示电路

读一读 日常生活中我们使用的是十进制数，而在数字电路中所使用的都是二进制数，因此就必须用二进制数码来表示十进制数，这种方法称为二—十进制编码，简称BCD码。

七段数码显示器是用a~g这七个发光线段组合来构成十个十进制数的。为此，就需要使用显示译码器将BCD代码(二—十进制编码)译成数码管所需要的七段代码(abcdefg)，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。

显示译码器，是将BCD码译成驱动七段数码管所需代码的译码器。

显示译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等多种类型。我们主要学习CC4511，CC4511是输出高电平有效的CMOS显示译码器，其输入为8421BCD码，图2-1-5和表2-1-2分别为4511的外引线排列图及其逻辑功能表。

Vg a c f b d e DD 16 15 14 13 12 11 10 9 CC4511 B 1 C 2 3 LT4 BI5 LD A 6 7 8 VSS

图2-1-5 CC4511外引线排列图

CC4511引脚功能说明：

A、B、C、D——BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g——译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 LT——测试输入端，LT＝“0”时，译码输出全为“1”。 BI——消隐输入端，BI＝“0”时，译码输出全为“0”。

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P2 抢答器的电路制作与调试 LE——锁定端，LE＝“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE＝0时的数值；当LE＝0时为正常译码。

表2-1-3为CC4511的逻辑功能表。CC4511内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。

表2-1-3 CC4511逻辑功能表

输 入 LE × × 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 输 出 A × × 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 × a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存 显示字形 消隐 BI × 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LT D 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 × × 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 × C × × 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 × B × × 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 × 锁 存 说明：分段显示译码器与译码器有着本质的区别。严格地讲，把这种电路叫代码变换器更加确切些。但习惯上都把它叫做显示译码器。 做一做 CC4511常用于驱动共阴极LED数码管，工作时一定要加限流电阻。由CC4511组成的基本数字显示电路如图2-1-6所示。图中BS205为共阴极LED数码管，电阻R用于限制CC4511的输出电流大小，它决定LED的工作电流大小，从而调节LED的发光亮度，R值由下式决定：

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R?UOH?UDID

式中UOH为CC4511输出高电平（≈VDD），UD为LED的正向工作电压（1.5～2.5V）,ID为LED的笔画电流（约5～10mA）。试计算出图2-1-6中R的大小。

图2-1-6 由CC4511组成的基本数字显示电路

读一读 显示译码器与数码管的连接方法 1．显示译码器与数码管的选用

输出低电平有效的显示译码器应与共阳极数字显示器配合使用。 输出高电平有效的显示译码器应与共阴极数字显示器配合使用。 2．显示译码器与数码管的连接 下面举例说明：

SN7446A和74LS48为显示译码器。SN7446A输出低电平有效，74LS48输出高电平有效。其他逻辑功能与CC4511相似。

SN7446的典型使用电路如图2-1-7所示，电阻RP为限流电阻，RP的具体阻值视数码管的电流大小而定。

RP14537126BI/RBORBILTABCDSN7446Aabcdefg13121110915141234567816151413121110912345678abcdefgdp.VVccCC VCCafegdb.cdp9.DS.

图2-1-7 共阳数码管与译码

74LS48译码器的典型使用电路如图2-1-8所示。共阴数码管的译码电路74LS48内部有

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P2 抢答器的电路制作与调试 限流电阻，故后接数码管时不需外接限流电阻。由于74LS48拉电流能力小（2mA），而数码管的点亮电流在5～10mA，所以一般都要外接电阻推动数码管。 UV cccc910111213141516RP.87654321DS.14537126BI/RBORBILTABCDSN74LS48abcdefg131211109151412345678abcdefgdpafegdGNDbcdp..9

图2-1-8 74LS48译码器的典型使用电路

做一做 译码显示电路的测试。

1．图2-1-9所示为译码显示电路的测试示意图，则根据图2-1-9画出图2-1-10所示的接线图，并搭建实验电路。拨动接线控制端和数据输入端的所接电平开关，在LE＝0，LT＝1，

BI＝1时，输入数据DCBA为0000~1001时，观察数码管所显示的字型。当输入数据超出

范围，如DCBA为1101或1111等时，观察数码管会有什么现象？

2．在三个控制端（LE、LT、BI）中，一次只让一个控制端的输入有效，分别测试三个控制端（LE、LT、BI）的作用。参照表2-1-3，根据实验结果，判断三个控制端（LE、

LT、BI）电平分别为多少时才能正确体现译码器的锁定功能。

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BS201 b g e d c GND f a a b c d e f g 510Ω×8 a b c d e f g LTLTBIBILE LE CC4511 A0 A1 A2 A3 A B C D

图2-1-9 译码显示电路的测试示意图

图2-1-10 译码显示电路的测试接线图

拓展性知识 液晶显示器

液晶显示器简称（LCD）是一种平板薄型显示器，液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物。它的透明度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这一特点便可作成字符显示器。

在没有外加电场的情况下，液晶分子按一定取向整齐地排列着，如图2-1-11所示。这时

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P2 抢答器的电路制作与调试 液晶为透明状态，射入的光线大部分由反射电极反射回来，显示器呈白色。在电极上加上电压以后，液晶分子因电离而产生正离子，这些正离子在电场作用下运动并撞碰其他液晶分子，破坏了液晶分子的整齐排列，使液晶呈现混浊状态。这时射入的光线散射后仅有少量反射回来，故显示器呈暗灰色。这种现象称为动态散射效应。外加电场消失以后，液晶又恢复到整齐排列的状态。如果将七段透明的电极排列成8字形，那么只要选择不同的电极组合并加以正电压，便能显示出各种字符来。

(a) 未加电场时 (b) 加电场以后 (c) 符号

图2-1-11 液晶显示器的结构及符号

液晶显示器的最大优点是功耗极小，每平方厘米的功耗在1μW以下。它的工作电压也很低，在1V以下仍能工作。因此，液晶显示器在电子表以及各种小型、便携式仪器、仪表中得到了广泛的应用。但是，由于它本身不会发光，仅仅靠反射外界光线显示字形，所以亮度很差。此外，它的响应速度较低（在10～200ms范围），这就限制了它在快速系统中的应用。 想一想 1．把下列十进制数用8421BCD码表示。

(1) （2006）10 (2) （8421）10 2．把下列8421BCD码转换成十进制数。 (1) （1000 1001 0011 0001）8421BCD (2) （0111 1000 0101 0010）8421BCD

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模块二 优先编码器电路功能测试

学习目标 ——能描述优先编码器的编码特点。 ——会使用10-4线、8-3线编码器。

工作任务 1．对照功能真值表测试CC4532型8/3线优先编码器的逻辑功能。 2．对照功能真值表测试CC40147型10/4线优先编码器的逻辑功能。 3．用CC40147与译码显示电路相连，观察数码管的显示状态。

任务一 优先编码器

读一读 一个7层高的大楼，其每层有一个火警报警传感器，如有火警希望在控制中心的数码显示屏上能显示出火警的楼层数，假设不会在两层上同时出现火警。

这是一个实际使用编码器的例子，我们在前面已经学过了译码显示驱动器电路，其输入是8421BCD码，而现在其每层有一个传感器，也就相当于其输入有7个，这里无法直接与译码显示电路相连，须在这两者之间加上一个转换电路（编码器），将其7种状态转换为4位(或更少位)的二进制输出。

由于7个传感器，并且同一时刻仅一个传感器有效，故输入共7种状态，我们可以用3位二进制数据来描述其状态，假设输入用I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、输出为O0、O1、O2。我们可以将其状态用真值表2-2-1表示。

表2-2-1 真值表

I7 0 0 0 0 0 0 1 I6 0 0 0 0 0 1 0 I5 0 0 0 0 1 0 0 I4 0 0 0 1 0 0 0 I3 0 0 1 0 0 0 0 I2 0 1 0 0 0 0 0 I1 1 0 0 0 0 0 0 O2 0 0 0 1 1 1 1 O1 0 1 1 0 0 1 1 O0 1 0 1 0 1 0 1 根据上面的分析我们可以画出下图2-2-1所示的7层大楼火警显示工作框图。

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P2 抢答器的电路制作与调试 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Q0 编 码 器 Q2 Q1 显 示 译码器 七 段 数 码 显示器

图2-2-1 7层大楼火警显示工作框图

图2-2-1所示框图中的电路实现的就是编码器的逻辑功能。前提条件是每一时刻仅一个输入有效，如果同时有两个或两以上输入有效，仅对优先级高的输入进行编码，例如当I6I5同时有效时，编码器输入仅对I6进行编码，而I5被忽略掉。

优先编码器是有广泛用途的一种组合电路，用于计算机的优先中断系统、键盘编码系统中。

编码器的逻辑功能是将加在电路若干个输入端中的某一个输入端的信号变换成相应的一组二进制代码输出。常用的编码器集成电路有8/3线优先编码器和10/4线优先编码器等器件。

编码器的输入信号是互相排斥的。在优先编码器中允许几个信号同时输入，但是电路只对其中优先级别最高的进行编码（优先权的顺序完全是根据实际需要来确定的），不理睬级别低的信号，或者说级别低的信号不起作用，这样的电路叫做优先编码器。如图2-2-2所示是3位二进制优先编码器的示意图。I0～I7是要进行优先编码的8个信号，Y0～Y2是用来进行优先编码的3位二进制代码。表2-2-2为3位二进制优先编码器的功能真值表。

Y2 Y1 Y0 3位二进制优先编码器 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0

图2-2-2 3位二进制优先编码器示意图

表2-2-2 3位二进制优先编码器功能真值表

I7 0 0 0 0 I6 0 0 0 0 I5 0 0 0 0 I4 0 0 0 0 I3 0 0 0 1 I2 0 0 1 0 - 50 -

I1 0 1 0 0 I0 1 0 0 0 Y2 0 0 0 0 Y1 0 0 1 1 Y0 0 1 0 1 数字电路制作与调试 0 0 0 1 看一看 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 认识8线-3线优先编码器CC4532，图2-2-3为CC4532的外引线排列图。表2-2-3为其功能表。

VDD Y8 YGS 16 15 14 I3 13 I2 12 I1 11 I0 10 Y0 9 CC4532 1 2 3 4 5 6 7 8 I4 I5 I6 I7 ST Y2 Y1 VSS

图2-2-3 8/3线优先编码器CC4532的外引线排列图

I0~I7：数据输入端； ST：选通控制端； VDD：电源 VSS：地 Y0~Y2：编码输出端 YGS：组选通输出端 YS：选通输出端

表2-2-3 优先编码器CC4532的功能表

输 入 ST L H H H H H H H H H I7 × L H L L L L L L L I6 × L × H L L L L L L I5 × L × × H L L L L L I4 × L × × × H L L L L I3 × L × × × × H L L L I2 × L × × × × × H L L I1 × L × × × × × × H L I0 × L × × × × × × × H YGS L L H H H H H H H H 输 出 YS L H L L L L L L L L Y2 L L H H H H L L L L Y1 L L H H L L H H L L Y0 L L H L H L H L H L CC4532可将最高优先输入I7～I0编码为3位二进制码，8个输入端I7～I0具有指定优先权，I7为最高优先权，I0为最低，当片选输入ST为低电平时，优先编码器无效。当ST为高电平，最高优先输入的二进制编码呈现于输出端Y2～Y0，且组选端YGS为高电平，表明优先输入存在，当无优先输入时，允许输出YS为高电平，如果任何一个输入为高电平，则YS为

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P2 抢答器的电路制作与调试 低电平且所有级联低阶级无效。 想一想 当I6和I5同时有效，其它输入无效时，输出编码为 。

任务二 编码器电路测试

读一读 十线-四线编码器也叫做BCD编码器。中规模集成8421 BCD码优先编码器主要有CC40147、LS147等。现以图2-2-4所示的CC40147电路为例，说明BCD编码器的工作原理，表2-2-4为CC40147的功能表。表2-2-4与表2-2-2很相似，只是编码输入变为10个，编码输出变为4位，没有功能扩展输出。

VDD I0 16 15 Y3 14 I3 13 I2 12 I1 11 I9 10 Y0 9 CC40147 1 2 3 4 5 6 7 8 I4 I5 I6 I7 I8 Y2 Y1 VSS 图2-2-4 8421BCD码优先编码器CC40147的外引线排列图

表2-2-4 优先编码器CC40147的功能表 输 入 I0 H × × × × × × × × × L

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输 出 I7 L L L L L L L H × × L I8 L L L L L L L L H × L I9 L L L L L L L L L H L Y3 L L L L L L L L H H H Y2 L L L L H H H H L L H Y1 L L H H L L H H L L H Y0 L H L H L H L H L H H I1 L H × × × × × × × × L I2 L L H × × × × × × × L I3 L L L H × × × × × × L I4 L L L L H × × × × × L I5 L L L L L H × × × × L I6 L L L L L L H × × × L 数字电路制作与调试

做一做 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Y3 a BCD码 编 码 器 Y2 Y1 Y0 七 段 显 示 译码器 b c d e f g 图2-2-5 BCD码编码器和七段译码显示电路的框图

图2-2-5 BCD码编码器和七段译码显示电路的接线图

1．如图2-2-5所示是BCD码编码器和七段译码显示电路的框图。

1．用8421BCD编码器（CC40147）和七段译码器（CC4511）及LED数码管（BS205）组成一个1位十进制0～9数码显示电路。根据图2-2-5画出图2-2-6所示的接线图。 3．在D0～D9端逐个输入高电平（+5V）信号，观察数码管数字显示的变化情况，记录测试结果，并填入下列表2-2-5中。

4．在D0~D9中任选几个输入端，同时加5V电压，观察数码管的显示情况，并做好记录，了解D0～D9的优先权级别高低的顺序。

表2-2-5 数码管显示字型记录 输 入 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 数码管显示字型 - 53 -

P2 抢答器的电路制作与调试 L L L L L L L L L H 拓展性知识 L L L L L L L L H × L L L L L L L H × × L L L L L L H × × × L L L L L H × × × × L L L L H × × × × × L L L H × × × × × × L L H × × × × × × × L H × × × × × × × × H × × × × × × × × × 译码器的作用是将输入代码转换成特定的输出信号。

假设译码器有n个输入信号和N个输出信号，如果N=2n ，就称为全译码器，常见的全译码器有2线—4线译码器、3线—8线译码器、4线—16线译码器等。如果N＜2n ，称为部分译码器，如二一十进制译码器（也称作4线—10线译码器）等。

74138是一种典型的二进制译码器，图2-2-7为其逻辑图，表2-2-6为其功能表。它有3个输入端A2、A1、A0，8个输出端Y0~Y7，所以常称为3线—8线译码器，属于全译码器。输出为低电平有效，G1、G2A和G2B为使能输入端。

123..ABCG1G2AG2B74LS138.645Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097.

图2-2-7 3-8译码器的逻辑符号

表2-2-6 3线—8线译码器74138功能表

输 入 G1 × × 0 G2A 1 × × G2B × 1 × A2 × × × A1 × × × A0 × × × Y0 1 1 1 - 54 -

输 出 Y1 1 1 1 Y2 1 1 1 Y3 1 1 1 Y4 1 1 1 Y5 1 1 1 Y6 1 1 1 Y7 1 1 1 数字电路制作与调试 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 ABCD0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 .1 0 1 1 1 1 1 1 U1ABCG1G2AG2B74LS138U21 1 0 1 1 1 1 1 Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7151413121110971 1 1 0 1 1 1 1 D0D1D2D3D4D5D6D71 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1231645.EN123645ABCG1G2AG2B74LS138.0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097D8D9D10D11D12D13D14D15.

图2-2-8 用74138实现4-16线译码

在真值表2-2-6中G2?G2A?G2B，从表2-2-6可以看出当G1=1、G2=0时该译码器处于工作状态，否则输出被禁止，输出高电平。这三个控制端又称为片选端，利用它们可以将多片连接起来扩展译码器的功能。

用两个3-8译码器可组成4-16线译码器，见图2-2-8，将C、B、A信号连接到U1和U2的C、B、A端，将U1的控制G2A和U2的G1端连接到D，当D=0时，选中U1，否则选中U2，将U1的G2B和U2的G2A端连接到使能信号EN，当EN=0时，译码器正常工作，当EN=1时，译码器被禁止。 想一想 1、假设优先编码器有N个输入信号和n个输出信号，则N = 。 2、如图2-2-9所示，三个输入信号中，A的优先级最高，B次之，C最低，它们通过编码器分别由FA、FB、FC输出。要求同一时间只有一个信号输出，若两个以上信号同时输入时，优先级高的被输出。试根据要求完成真值表2-2-7。

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P2 抢答器的电路制作与调试

图2-2-9

表2-2-7

A 1 0 0

B × 1 0 C × × 1 FA FB FC - 56 -

数字电路制作与调试

模块三 触发器逻辑功能测试

学习目标 ——会描述基本RS、JK、D和T触发器的逻辑功能，能叙述时序电路的工作特点。 ——掌握集成触发器的逻辑功能及使用方法 ——熟悉各种功能不同的触发器之间相互转换的方法。 工作任务 1．按功能真值表测试CC4042的逻辑功能。 2．会使用寄存器和锁存器。

任务一 触发器及其应用

读一读 1．触发器的基本概念

触发器是由门电路构成的时序逻辑单元，它有一个或多个输入端，两个互补输出端，分别用Q和Q表示。其中Q的状态代表了触发器的状态，当Q=0时，表示触发器处于0状态；当Q=1时，表示触发器处于1状态。在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，它是一个具有记忆功能的二进制信息存贮器件，是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。 2．触发器的特点

与门电路相比，具有两个稳定的状态0和1，在触发信号作用下，两个状态之间可以相互转换，若没有触发信号作用，触发器将保持原有的状态不变，所以说触发器具有“记忆”功能，这是门电路所没有的。 3．触发器的分类

触发器按功能分有基本RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器， 触发器按触发方式分有基本触发器、电平触发器、主从触发器、边沿触发器。 电平触发器是指触发器的状态变化不仅由触发信号控制，同时受时钟信号控制。在时钟信号高电平或低电平期间，触发器的状态才由触发信号控制。

主从触发器是指触发器在时钟信号高电平期间接收控制信号，下降沿时刻状态发生变化。

边沿触发器是指触发器只在时钟信号上升沿或下降沿时刻接收控制信号并同时状态发生变化。边沿触发器的抗干扰性能最好。

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P2 抢答器的电路制作与调试 4．触发器复位端和置位端的功能及使用方法

一般触发器和计数器都有复位端和置位端，分别用RD和SD（或RD和SD）表示。若复位和置位信号为低电平有效，当需要直接复位（置0）时，就在RD端加低电平；当需要直接置位（置1）时，就在SD端加低电平。若复位和置位信号为高电平有效，当需要直接复位或置位时，只要在相应复位端RD或置位端SD加高电平信号即可。 复位和置位方式又分为同步方式和异步方式。

所谓同步方式，是指复位或置位信号必须与时钟信号配合才能实现相应功能。 所谓异步方式，是指只要有复位或置位信号，无须时钟信号配合，就能实现相应功能。 正常工作时，应使复位端和置位端处于无效状态。 一、基本RS触发器 1．电路组成

基本触发器是指触发器的状态直接由触发信号控制。将两个集成与非门的输出端和输入端交叉反馈相接，就组成了基本RS触发器，如图2-3-1(a)所示。

SD；两个输出端Q、Q，逻辑状态是互补的。 两个与非门G1、G2；两个输入端RD、

图2-3-1基本RS触发器

2．工作原理

Q端的状态为触发器的状态。

工作状态：Q?0，Q?1时触发器处于“0”态(稳定状态)；Q?1，Q?0时触发器处于“1”态(稳定状态)。 3．逻辑符号

基本RS触发器的逻辑符号如图2-3-1 (b) 。

4．真值表

表2-3-1为基本RS触发器真值表.。

表2-3-1 基本RS触发器真值表

RD SD Q 0 1 不变 0 1 1 1 0 1 - 58 -

P2 抢答器的电路制作与调试 1→0（↓） 1 想一想 0→1（↑） 1→0（↓） 1．输出状态和输入信号相同的触发器叫 触发器。

2．逻辑电路如图2-3-8所示。这是一个上升沿触发的D触发器，其Q端与D端连接在一起。已知CP波形，试画出输出Q端的信号波形。设Q的初状态为0。

CP Q1D Q>C1 Q CP

图2-3-8 D触发器及其波形

(a) (b)

3．若要将四位寄存器清零，D触发器RD端接应 （有效、无效）。

任务二 数码寄存器

读一读 数码寄存器是存储二进制数码的时序电路组件，它具有接收和寄存二进制数码的逻辑功能。

在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器。由于触发器有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制数码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。

图2-3-9(a)为74LSl75外引线排列图，图2-3-9(b)所示是由D触发器组成的4位集成寄存器74LSl75的逻辑电路图。其中，RD是异步清零控制端。D0～D3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q0~Q3是并行数据输出端，Q0~Q3是Q0～Q3的反码数据输出端。 图2-3-9(b)所示电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端D0～D3，在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器Q端。表2-3-6为74LS175的功能表。

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数字电路制作与调试

VCC Q3 16 15 Q3D3 13 D2 12 Q2Q2 10 CP 9 14 11 74LS175 1 RD2 3 Q04 5 6 Q17 8 Q0 D0 D1 Q1 GND (a) 外引线排列图

Q0 FF0 QQ0Q1 FF1 QQ1Q2 FF2 QQ2Q3 FF3 QQ31D C1 R 1D C1 R 1D C1 R 1D C1 R 1 1 CP RDD0 D1 D3

(b) 逻辑图

图2-3-9 4位集成寄存器74LSl75

表2-3-6 74LS175的功能表

清零 时钟 CP × ↑ 1 0 1D × 1D × × 输 入 2D × 2D × × 3D × 3D × × 4D × 4D × ×

1Q 0 1D 输 出 2Q 0 2D 3Q 0 3D 4Q 0 4D 工作模式 异步清零 数码寄存 数据保持 数据保持 CR 0 1 1 1 保 持 保 持 P2-M3.3 锁存器

读一读 一位D触发器只能传送或存储一位数据，而在实际工作中往往希望一次传送或存储多位数据。为此可把多个D触发器的时钟输入端口CP连接起来，用一个公共的控制信号来控制，而各个数据端口仍然是各处独立地接收数据。这样所构成的能一次传送或存储多位数据的电路就称为“锁存器”。

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P2 抢答器的电路制作与调试 图2-3-10为4D锁存器CC4042的外引线排列图，表2-3-7为其功能表。

VDD 4 Q4D 3D 3 Q3Q 2Q 2 Q16 15 14 13 12 11 10 9 CC4042 1 2 3 4 5 6 7 8 4Q 1Q 1 Q1D CP M 2D VSS

图2-3-10 CC4042是四D锁存器外引线排列图

CP为时钟输入端； M为时钟方式控制端。

表2-3-7 CC4042功能表

CP L ↑ H ↓

寄存器与锁存器的区别：从寄存数据的角度来看，寄存器和锁存器的功能是相同的；它们的区别在于寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电位信号控制。可见，寄存器和锁存器具有不同的应用场合，主要取决于控制方式以及控制信号和数据之间的时间关系。若数据有效一定滞后于控制信号有效，则只能使用锁存器；数据提前于控制信号到达并且要求同步操作，则可用寄存器来存放数据。

拓展性知识 移位寄存器是计算机和各种数字系统中的重要部件，应用十分广泛。例如在串行运算器中，需要用移位寄存器把2进制数1位1位地依次送入全加器中进行运算，运算结果又需1位1位地依次存入移位寄存器中。在有些数字系统中，还经常需要进行串行数据和并行数据之间的相互转换、传送，这些都必须用移位寄存器。

1．单向移位寄存器 (1) 4位右移寄存器。

图2-3-11为4位右移寄存器逻辑电路图，设移位寄存器的初始状态为0000，串行输入数码DI=1101，从高位到低位依次输入。在4个移位脉冲作用后，输入的4位串行数码1101全部存入了寄存器中。电路的时序图如图2-3-11所示，表2-3-8为其状态表。

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M L L H H D D × D × Q D 锁 存 D 锁 存 Q D D 数字电路制作与调试

并 行 输 出Q0DI串行输入D0FF01DQD1FF11DQQ1D2FF21DQQ2D3FF31DQ串行输出Q3∧∧∧∧C1RC1RC1RC1RCPCR

图2-3-10 D触发器组成的4位右移寄存器

1CPDIQ0Q1Q2Q3110123456789

图2-3-11 图2-3-10 电路的时序图

表2-3-8 右移寄存器的状态表

移位脉冲 CP 0 1 2 3 4

移位寄存器中的数码可由Q3、Q2、Q1和Q0并行输出，也可从Q3串行输出。串行输出时，要继续输入4个移位脉冲，才能将寄存器中存放的4位数码1101依次输出。图2-3-11中第5到第8个CP脉冲及所对应的Q3、Q2、Q1、Q0波形，就是将4位数码1101串行输出的过程。所以，移位寄存器具有串行输入—并行输出和串行输入—串行输出两种工作方式。 (2) 左移寄存器。

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输入数码 DI 1 1 0 1 Q0 0 1 1 0 1 输 出 Q1 0 0 1 1 0 Q2 0 0 0 1 1 Q3 0 0 0 0 1 P2 抢答器的电路制作与调试 图2-3-4为4位左移寄存器，其工作原理与右移存在器完全相同，不同之处是右移寄存器是从低位开始输入数据而左移寄存器是从高位开始输入数据。

并 行 输 出Q0串行输出D0FF01DQD1FF11DQD2FF21DQD3FF31DQQ1Q2Q3DI串行输入∧∧∧∧C1RC1RC1RC1RCPCR

图2-3-12 D触发器组成的4位左移寄存器

2．双向移位寄存器

将图2-3-10所示的右移寄存器和图2-3-12所示的左移寄存器组合起来，并引入一控制端S便构成既可左移又可右移的双向移位寄存器，如图2-3-13所示。

DSR为右移串行输入端，DSL为左移串行输入端。当S=1时，D0=DSR、D1=Q0、D2=Q1、D3=Q2，在CP脉冲作用下，实现右移操作；当S=0时，D0=Q1、D1=Q2、D2=Q3、D3=DSL，在CP脉冲作用下，实现左移操作。

移位控制SS=1：右移S=0：左移DSR串行输入（右移）11&≥1&≥1&≥1FF21D&≥1FF31D1DSL串行输入（左移）FF01DFF11D∧∧∧∧C1QRC1QRC1QRC1QRCPCRDOL串行输出（左移）DOR串行输出（右移）Q3Q0Q1Q2并 行 输 出

图2-3-13 D触发器组成的4位双向左移寄存器

想一想 1．为了使D触发器在CP脉冲控制下，接受D端的输入信号，其直接置位端Sd和直接复位端Rd的逻辑值应为………………………………………………………………（ ） A．SdRd=11 B．SdRd=10 C．SdRd=01 D．SdRd=00

2．图2-3-14中各触发器的初始状态Q＝0，试画出在4个CP脉冲作用下各触发器Q端的电压波形：

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数字电路制作与调试

图2-3-14

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P2 抢答器的电路制作与调试 模块四 抢答器电路的制作与调试

学习目标 ——会测试中规模集成电路的逻辑功能。 ——能查阅手册，了解常用中规模集成电路的逻辑功能。 ——会用中规模集成电路设计出一定功能的组合逻辑电路。 ——能用中规模集成电路及其基本门电路制作出四人抢答器。

工作任务 1．查阅手册根据记录CC4042功能，并根据功能表对CC4042进行测试。 2．用CC4042组成四位并行输入、并行输出寄存器。 3．设计并制作出四人抢答器。

任务一 抢答器功能分析

读一读 抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置，从原理上讲，它是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

本课题介绍一款采用D触发器数字集成电路制成的数字显示四路抢答器，它利用数字集成电路的锁存特性，实现优先抢答和数字显示功能，要求如下：

1．设计一个可供4名选手参加比赛的4路数字显示抢答器。他们的编号分别为“1”、“2”、“3”、“4”各用一个抢答按钮，编号与参赛者的号码一一对应。

2．抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出抢答成功者的号码。 3．抢答器对抢答选手动作的先后有很强的分辨能力，即使他们的动作仅相差几毫秒，也能分辨出抢答者的先后来。即不显示后动作的选手编号。

4．主持人具有手动控制开关，可以手动清零复位，为下一轮抢答做准备。 读一读 一、抢答器的组成

抢答器的一般组成框图如图2-4-1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、7段显示译码器、数码显示器等几部分组成。下面逐一给予介绍。

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数字电路制作与调试

解锁电路 开关 阵列 电路 触发 锁存 电路 编 码 器 七 段 显 示 译码器 数码 显示器

图2-4-1 抢答器的组成框图

(1) 开关阵列电路

该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。 (2) 触发锁存电路

当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。

(3) 编码器

编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。 (4) ７段显示译码器

译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。 (5) 数码显示器

数码管通常用发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。本设计提供的为LED数码管。

二、抢答器的工作原理 (1) 开关阵列电路

图2-4-2所示为四路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。电路中R1～R4为上拉和限流电阻。当任一开关按下时，相应的输出为高电平，否则为低电平。

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P2 抢答器的电路制作与调试

图2-4-2 四路开关阵列电路

(2) 触发锁存电路

图2-4-3所示为4路触发锁存电路。图中，CC4042为4D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经4输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。

说明：CLK代表为时钟脉冲输入端CP POL代表为功能输入端M

图2-4-3 触发锁存电路

(3) 编码器

CC4532为8－3线优先编码器，当任意输入为高电平时，输出为相应的输入编号的8421码（BCD码）的反码。

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数字电路制作与调试

(4) 译码驱动及显示单元

编码器实现了对开关信号的编码并以ＢＣＤ码的形式输出。为了将编码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。一般这种译码通常称为７段译码显示驱动器。常用的７段译码显示驱动器有CC4511等。 (5) 解锁电路

当触发锁存电路被触发锁存后，若要进行一下轮的重新抢答，则需将锁存器解锁。可将使能端强迫置１或置０（根据具体情况而定），使锁存顺处于等待歉收状态即可。具体实现方法请读者考虑。 想一想 1．抢答器电路由哪几部分构成并画出它的结构框图。 2．试写出抢答器可能用到的元器件。 3．清零功能怎么实现？

4．由译码显示电路和并行输入输出寄存器电路怎样连接成抢答器？

任务二 抢答器电路的制作与调试

做一做 图2-4-4所示为四人抢答器电路，下面我们开始进行抢答器的制作与调试。 1．电路组成及其元器件的选择说明。

(1) 开关阵列电路：由于本电路均采用CMOS集成电路组成，故上拉电阻Ｒ1~Ｒ4可取１MΩ。

(2) 触发锁存电路：选择CC4042四D锁存器。4输入与非门为CC4012。 (3) 编码器：选CC4532 8－3线优先（高位优先）编码器。

(4) 译码驱动及显示单元电路：选择CC4511作为显示译码电路。选择ＬＥＤ数码管作为显示单元电路。

(5) 解锁电路：选择CC4011与门构成解锁电路。将解锁开关信号与锁存器反馈信号相与后再加到锁存器的使能输入端，当解锁开关信号为0时，可将使能端强迫置１，使锁存器重新处于等待接收状态。

2．电路仿真调试。对图2-4-4所示电路进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标，并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。

3．在面包板或印制板（图2-4-5所示）上组装并调试四人抢答器电路。 表2-4-1为四人抢答器电路元件清单，图2-4-6为四人抢答器制作3D图。

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P2 抢答器的电路制作与调试

图2-4-4 四人抢答器原理图

图2-4-5 四人抢答器印制板图

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数字电路制作与调试

图2-4-6 四人抢答器制作3D图

表2-4-1 四人抢答器电路元件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 品 名 数字集成电路 数字集成电路 数字集成电路 数字集成电路 数字集成电路 数码显示器 按 钮 碳膜电阻 碳膜电阻 碳膜电阻 发光二极管 型号/规格 CC4042 CC4532 CC4511 CC4012 CC4011 BS205 100KΩ 1 KΩ 510Ω

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数量 1 1 1 1 1 1 5 4 5 4 4 配件图号 U1 U2 U3 U4 U5 U6 K1~K5 R1~R4 R5~R9 R10~R16 SD1~SD4 实测情况 P2 抢答器的电路制作与调试

拓展性知识 数字电路制作与调试规范和常见故障检查方法 （一）布线原则

首先，应便于检查、排除故障和更换器件。

在数字电路制作过程中，有错误布线引起的故障，常占很大比例。布线错误不仅会引起电路故障，严重时甚至会损坏器件，因此，注意布线的合理性和科学性是十分必要的，正确的布线原则大致有以下几点：

1.接插集成电路芯片时，先校准两排引脚，使之与实验底板上的插孔对应，轻轻用力将芯片插上，然后在确定引脚与插孔完全吻合后，再稍用力将其插紧，以免集成电路的引脚弯曲，折断或者接触不良。

2.不允许将集成电路芯片方向插反，一般IC的方向是缺口（或标记）朝左，引脚序号从左下方的第一个引脚开始，按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。

3.导线应粗细适当，一般选取直径为0.6～0.8mm的单股导线，最好采用各种色线以区别不同用途，如电源线用红色，地线用黑色。

4.布线应有秩序地进行，随意乱接容易造成漏接错接，较好的方法是接好固定电平点，如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等，其次，在按信号源的顺序从输入到输出依次布线。

5.连线应避免过长，避免从集成器件上方跨接，避免过多的重叠交错，以利于布线、更换元器件以及故障检查和排除。

6.当电路的规模较大时，应注意集成元器件的合理布局，以便得到最 佳布线，布线时，顺便对单个集成器件进行功能测试。这是一种良好的习惯，实际上这样做不会增加布线工作量。

7.应当指出，布线和调试工作是不能截然分开的，往往需要交替进行，对大型电路元器件很多的，可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分，逐个布线、调试（分调），然后将各部分连接起来（联调）。 （二）故障检查

电路不能完成预定的逻辑功能时，就称电路有故障，产生故障的原因大致可以归纳以下四个方面：

1.操作不当（如布线错误等） 2.设计不当（如电路出现险象等） 3.元器件使用不当或功能不正常

4.仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。

因此，上述四点应作为检查故障的主要线索，以下介绍几种常见的故障检查方法：

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数字电路制作与调试

(1) 查线法

由于大部分故障都是由于布线错误引起的，因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着重注意：有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。 (2) 观察法

用万用表直接测量各集成块的Vcc端是否加上电源电压；输入信号、时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成的故障。 (3) 信号注入法

在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。 (4)信号寻迹法

在电路的输入端加上特定信号，按照信号流向逐级检查是否有响应和是否正确，必要时可多次输入不同信号。 (5) 替换法

对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。 (6) 动态逐线跟踪检查法

对于时序电路，可输入时钟信号按信号流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。 (7) 断开反馈线检查法

对于含有反馈线的闭合电路，应该设法断开反馈线进行检查，或进行状态预置后再进行检查。

以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电压已加上，便可把有关输出端直接接到0—1显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单次CP无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏了，一般就是集成器件坏了。

需要强调指出，经验对于故障检查是大有帮助的，但只要充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。 想一想 1．简述用TTL集成电路完成同功能的抢答器电路设计步骤及制作方法要求。 2．你能参照四人抢答器的电路和制作调试方法设计出8人或更多人的抢答器电路吗？

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P2 抢答器的电路制作与调试 思考与练习

2-1．抢答器由哪几个部分组成？

2-2．七段数码显示器有哪两种类型？在配合显示译码器使用时，应如何对应选用？ 2-3．BCD编码器，有几个信号输入端，有几个信号输出端？所以BCD编码器亦称为什么编码器？

2-4．触发器按触发方式分有哪几种类型？试分别说明它们的工作特点？ 2-5．简述寄存器与锁存器的区别。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xfxo.html