多功能8路數(shù)字搶答器的設(shè)計與仿真實現(xiàn)

摘 要：本文詳細(xì)闡述了一種集搶答、定時、報警，數(shù)碼顯示、能夠自鎖的多功能8路數(shù)字搶答器的設(shè)計思路，并采用EDA技術(shù)進行了電路設(shè)計與仿真，仿真結(jié)果證明該電路設(shè)計合理，具有比較可靠的工作方式和更強的適用性，達到了預(yù)期的設(shè)計目的和要求，在實際生活中具有很強的實用性。

關(guān)鍵詞：搶答器；編碼；鎖存器；譯碼；555秒脈沖產(chǎn)生電路；計數(shù)器

中圖分類號：TN872

目前，形式多樣的搶答器已廣泛應(yīng)用于知識競賽和文娛活動等場合，為各種競賽增添了知識性、娛樂性和刺激性。為了實現(xiàn)競賽的公平公正，需要設(shè)計一種性能穩(wěn)定可靠、成本低、技術(shù)先進的競賽搶答器。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計需經(jīng)過方案論證、原理設(shè)計、試驗驗證等幾個過程才能完成。即消耗財力、物力和人力，又消耗時間，影響了產(chǎn)品投入市場的時間。隨著EDA軟件的出現(xiàn)，人們可以利用EDA軟件來設(shè)計電子產(chǎn)品，直接在軟件中進行電路的設(shè)計并能同步的進行電路功能的仿真，大大地縮短了設(shè)計周期，節(jié)省了很多的設(shè)計費用。本設(shè)計就是借助EDA軟件設(shè)計了一款8路多功能數(shù)子搶答器。系統(tǒng)以數(shù)字集成芯片為基礎(chǔ)，設(shè)計思路簡單，電路功能齊全，具有可靠準(zhǔn)確的判別能力，計時精確，使用簡單等特點?？蓾M足搶答器的實際使用要求。

1 搶答器實現(xiàn)的功能與總體設(shè)計

1.1 基本功能

（1）主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。該設(shè)計用開關(guān)J9來實現(xiàn)。

（2）該搶答器同時供8名選手，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號分別用8個按鈕J1-J8表示，與選手的編號相對應(yīng)。

（3）該搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在七段數(shù)碼管上顯示選手號碼，選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

1.2 擴展功能

（1）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人根據(jù)題目的要求可以自己設(shè)定（如20s）。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器進行到計時顯示，參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止；超過定時時間無人搶答，關(guān)閉搶答器搶答功能。

（2）倒計時提醒電路，比如倒計時設(shè)定到5S，蜂鳴器就會發(fā)生，二極管等會閃爍，提醒選手加快時間。

（3）搶答器報警電路，一旦有選手在規(guī)定的時間內(nèi)搶答，蜂鳴器就會發(fā)聲，提醒選手和主持人注意。如果在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，到時間結(jié)束也要驅(qū)動報警電路，禁止任何人搶答，蜂鳴器也會發(fā)聲提示。

1.3 總體設(shè)計

根據(jù)要求設(shè)計了搶答器的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由圖可知該搶答器主要有定時電路、控制電路、優(yōu)先編碼電路、數(shù)據(jù)鎖存電路、譯碼顯示電路、倒計時提醒電路和搶答報警電路等幾個主要核心電路組成。

2 搶答器設(shè)計原理

2.1 基本搶答器電路設(shè)計

基本搶答器主要有數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、優(yōu)先編碼器74LS147、譯碼器74LS47及共陽七段數(shù)碼管組成。控制電路由八輸入與非門74LS30和非門74LS04六反相器及74LS32二輸入或門實現(xiàn)，用上述器件設(shè)計成的電路原理圖如2所示。

74LS373的控制端有兩個，～OC為H電平，輸出為高阻態(tài)，～OC為L電平，正常輸出；ENG為H電平，數(shù)據(jù)由D傳遞到Q輸出，ENG為L電平，數(shù)據(jù)鎖存。本設(shè)計的數(shù)據(jù)鎖存器電路，～OC為低電平，8個輸入的數(shù)據(jù)，低電平有效。J9為主持人清零端，當(dāng)所有選手沒有搶答時，J9閉合，ENG為1，數(shù)碼管顯示0，實現(xiàn)清零功能。J9斷開，一旦有選手搶答，ENG為0，數(shù)據(jù)實現(xiàn)鎖存。74LS147為10線--4線編碼器，輸入輸出都是低電平有效，本設(shè)計只有8個選手，因此9輸入接高電平。74LS147輸出也是低電平有效，經(jīng)過4個非門驅(qū)動74LS47七段顯示譯碼器，74LS47的輸出為低電平有效，即輸出為0時，對應(yīng)字段點亮；輸出為1時對應(yīng)字段熄滅。因此后面一定要采用共陽極數(shù)碼管顯示。

2.2 定時電路設(shè)計

該部分主要由555秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74LS192實現(xiàn)減法計數(shù)電路、74LS47譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成，如圖3所示。555秒脈沖產(chǎn)生電路輸出的秒信號作為74LS192輸入CP，實現(xiàn)減法計數(shù)。節(jié)目主持人先根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一個搶答的時間，把搶答的時間通過J10閉合預(yù)置數(shù)給計數(shù)器，J10斷開后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并通過74LS147和共陽段數(shù)碼顯示倒計時時間，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，當(dāng)?shù)褂嫊r時間到5S時，通過兩個比較器74LS85S實現(xiàn)5秒到計時提醒，當(dāng)?shù)褂嫊r時間到00時，74LS192的～BO輸出低電平到控制電路，定時電路報警，同時搶答器和定時器停止工作，以后選手搶答無效。

2.3 控制電路和報警電路設(shè)計

控制電路如圖4所示?？刂齐娐肥菗尨鹌髟O(shè)計的關(guān)鍵，通過控制電路的控制，可以把基本搶答器，定時電路和報警電路聯(lián)系在一起，相互控制。其工作原理是：如果有人搶答，74LS30輸出高電平，LED1發(fā)光，蜂鳴器發(fā)生，搶答顯示燈和報警電路指示，74LS04輸出低電平，通過74LS32和74LS08，ENG為0，74LS373數(shù)據(jù)鎖存，74LS04輸出低電平同時通過74LS11封閉74LS192的CP信號，定時器停止計時；如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有人搶答，定時器記到00時，～B0輸出一個低電平，此信號通過74LS08和74LS11使74LS373的ENG為0，數(shù)據(jù)鎖存，禁止搶答，同時通過74LS11封閉74LS192的CP信號，定時器停止工作?！獴0輸出的低電平還可以通過74LS04驅(qū)動定時電路報警，LED4發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲。

3 整體電路仿真調(diào)試

按上述原理設(shè)計出整個電路，用Multisim10軟件進行EDA仿真調(diào)試，首先讓選手的1-8的按鍵彈起，點擊仿真按鈕，主持人清零開關(guān)J9和定時器開關(guān)J10同時閉合，實現(xiàn)對選手搶答數(shù)碼管清零和對定時器數(shù)碼管置數(shù)的功能，然后斷開J9和J10，讓選手進行搶答，通過仿真調(diào)試，該電路完全能夠?qū)崿F(xiàn)搶答器設(shè)計要求的基本功能和擴展功能。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了多功能8路數(shù)字搶答器的設(shè)計原理，以集成芯片為核心，采用數(shù)字電路的組合邏輯和時序邏輯電路設(shè)計思路，無需編程語言，最后通過EDA軟件進行了仿真調(diào)試，仿真結(jié)果證明該電路設(shè)計合理，具有比較可靠的工作方式和更強的適用性，達到了預(yù)期的設(shè)計目的和要求，設(shè)計思路簡單，該設(shè)計的芯片比較容易購買，實用性強，適合學(xué)校、公司等部門舉辦競賽類活動時候使用，在實際生活中具有很強的實用性。

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作者單位：云南廣播電視大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，昆明 650223