八位競(jìng)賽搶答器電子系統(tǒng)電路分析與設(shè)計(jì)

崔本亮,張 雷

摘 要:設(shè)計(jì)一種實(shí)用的八位的競(jìng)賽搶答器,為學(xué)習(xí)電子的人提供一種電路的分析和設(shè)計(jì)方法,采用了電路系統(tǒng)的分析方法對(duì)實(shí)用電子技術(shù)電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),最終得出一種創(chuàng)新的應(yīng)用型電路。

關(guān)鍵詞:電子;電路分析;搶答器;555定時(shí)器

中圖分類號(hào):TN710;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-198-02

Analysis and Design of Eight-bit SPC-QL Electronic Circuit

CUI Benliang,ZHANG Lei

(Physics and Electronic Engineering College,Nanyang Normal University,Nanyang,473061,China)

Abstract:A kind of pratical eight-bit contesting SPC-QL is designed,it provides analysis and design methods for the people who study electron.The pratical electronic circuit is designed by using the analysis of circuit system,an innovation of applied circuit is given.

Keywords:electronics;analysis of electric circuit;SPC-QL;555 timer

0 引 言

數(shù)字技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的學(xué)科之一,數(shù)字邏輯器件已從20世紀(jì)60年代的小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路(MSI,LSI)及超大規(guī)模集成電(VLSI)。相應(yīng)地,數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)方法在不斷的演變和發(fā)展,由原來單一的硬件邏輯設(shè)計(jì)發(fā)展成三個(gè)分支,即硬件邏輯設(shè)計(jì)(中、小規(guī)模集成器件)、軟件邏輯設(shè)計(jì)(軟件組裝的LSI和VSI,如微處理器、單片機(jī)等)及兼有二者優(yōu)點(diǎn)的專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)。

目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子測(cè)量?jī)x表、電視、雷達(dá)、通信等各個(gè)領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中,數(shù)字測(cè)量?jī)x表不僅比模擬測(cè)量?jī)x表精度高,功能高,而且容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化和智能化。隨著集成技術(shù)的發(fā)展,尤其是中,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)更廣泛地滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門,并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。

搶答器主要用于選手做搶答題時(shí),選手進(jìn)行搶答,搶到題的選手來回答問題。搶答器不僅考驗(yàn)選手的反應(yīng)速度同時(shí)也要求選手具備足夠的知識(shí)面和一定的勇氣。選手們都站在同一個(gè)起跑線上,體現(xiàn)了公平公正的原則。

1 原理分析

(1) 搶答器同時(shí)供八名選手或八個(gè)代表隊(duì)比賽,分別用八個(gè)按鈕S0~S7表示。

(2) 設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S,該開關(guān)由主持人控制。

(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕,鎖存相應(yīng)的編號(hào),并在優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能,且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定(如30 s)。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”鍵后,定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí),同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響,聲響持續(xù)的時(shí)間0.5 s左右。

(5)參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答,搶答有效,定時(shí)器停止工作,顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間,并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

(6)如果定時(shí)時(shí)間已到,無人搶答,該次搶答無效,系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答,定時(shí)顯示器上顯示00。

2 設(shè)計(jì)原理與參考電路

(1) 圖1為數(shù)字搶答器為總體方框圖。其工作原理為:接通電源后,主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài),搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài),編號(hào)顯示器滅燈,定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間;主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài),宣布開始搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí),揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí),搶答器完成:優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后,定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。

圖1 原理圖

(2)參考電路如圖2所示。電路包括編碼器74LS148,以及S0~S7八位二進(jìn)制BCD碼編碼開關(guān),4個(gè)74LS279的RS觸發(fā)器作存儲(chǔ)電路和74LS48譯碼器及顯示電路。該電路完成兩個(gè)功能:一是分辨出選手按鍵的先后,并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào),同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào);二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程為:開關(guān)S置于“清除”端時(shí),RS觸發(fā)器的清零端均為0,4個(gè)觸發(fā)器輸出置0,使74LS148之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于“開始”時(shí),搶答器處于等待工作狀態(tài),當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)(如按下S5),74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后,Q1=1,74LS48處于工作狀態(tài),Q4Q3Q2=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外,Q1=1,使74LS148 =1,處于禁止?fàn)顟B(tài),封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí),74LS148由于仍為Q1=1,使 Q1=1,所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài),確保不會(huì)出兩次按鍵時(shí)輸入信號(hào),保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。

由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度,設(shè)定一次搶答的時(shí)間,通過預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置,計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預(yù)置時(shí)間的電路選用十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì),具體電路如圖3所示(電路包括555定時(shí)器,兩塊74LS192存儲(chǔ)器,兩塊74LS48顯示譯碼器)。

圖2 電路圖

圖3 定時(shí)電路

(3) 報(bào)警電路。

由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路(包括555定時(shí)器構(gòu)成的多偕振蕩器和三極管功率放大器及揚(yáng)聲器組成)如圖4所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器,振蕩頻率f0=1.43/[(R1+2R2)C],其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號(hào),當(dāng)PR為高電平時(shí),多諧振蕩器工作,反之,電路停振。

(4) 時(shí)序控制電路(包括定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生電路與門G1、與非門G2和一個(gè)74LS18)。時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它主要完成以下三項(xiàng)功能:

① 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài);

② 當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和定時(shí)電路停止工作;

③ 當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到,無人搶答時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。

根據(jù)上面的功能要求以及圖4所示電路,設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路如圖 5所示。圖5中,門G1 的作用是控制時(shí)鐘信號(hào)CP的放行與禁止,門G2的作用是控制74LS148的輸人使能端 。圖5的工作原理是:主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時(shí),來自于圖3中的74LS279的輸出Q1=0,經(jīng)G2反相,A=1,則時(shí)鐘信號(hào)CP能夠加到74LS192的CPD時(shí)鐘輸入端,定時(shí)電路進(jìn)行遞減計(jì)時(shí)。同時(shí),在定時(shí)時(shí)間未到時(shí),則“定時(shí)到信號(hào)”為 1,門G2的輸出為0,使 74LS148處于正常工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)功能①的要求。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí),Q1=1,經(jīng)G2反相,A=0,封鎖 CP信號(hào),定時(shí)器處于保持工作狀態(tài);同時(shí),門G2的輸出等于1,74LS148處于禁止工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)功能②的要求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí),則“定時(shí)到信號(hào)”為0,G2=1,74LS148處于禁止工作狀態(tài),禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí), 門G1處于關(guān)門狀態(tài),封鎖 CP信號(hào),使定時(shí)電路保持00狀態(tài)不變,從而實(shí)現(xiàn)功能③的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時(shí)間。

圖4 報(bào)警電路

圖5 時(shí)序電路

(5) 整機(jī)電路設(shè)計(jì)。

經(jīng)過以上各單元的設(shè)計(jì),可以得到定時(shí)搶答器的整體電路。如圖6所示:

圖6 整體電路框圖

3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

(1) 組裝調(diào)試搶答器電路;

(2) 設(shè)計(jì)可預(yù)置時(shí)間的定時(shí)電路,并進(jìn)行組裝和調(diào)試。當(dāng)輸入1 Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí),要求電路能進(jìn)行

減計(jì)時(shí),當(dāng)減計(jì)時(shí)到零時(shí),能輸出低電平有效的定時(shí)時(shí)間到信號(hào);

(3) 組裝調(diào)試報(bào)警電路;

(4) 完成定時(shí)搶答器的聯(lián)調(diào),注意各部分電路之間的時(shí)序配合關(guān)系。

然后檢查電路各部分的功能,使其滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,搶答器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,且具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),所有元件比較常見,很適合電子技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)電子技術(shù)綜合知識(shí)的教學(xué)運(yùn)用有一定幫助。

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