基于數(shù)字電路的多功能搶答器

張暉，高玲，翟艷男

（空軍航空大學基礎部電工電子教研室，吉林長春，130022）

傳統(tǒng)的教學以講授為主，學生往往會出現(xiàn)“學了不會用”的情況?；跀?shù)字電路的多功能搶答器采用項目式教學，學生邊學邊分模塊搭建電路，最后可以合成一個實用的大電路，充分的調(diào)動了學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

1 設定任務

當今社會競爭日益激烈，選拔人才，評優(yōu)選勝，各種競賽之類的活動愈加頻繁，搶答器這一產(chǎn)品是不可缺少的設備。在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀的分辨出最先獲得發(fā)言權的選手。

本文利用數(shù)字電路中的基本器件，如74LS161、CD4011、CD4511、74LS21P、NE555P、74LS175芯片以及數(shù)碼管等設計一個4人搶答器。搶答器的功能如下：

(1)搶答器設置復位開關，開始搶答后，4名選手進行搶答，當其中1名選手搶答成功后，相應的顯示燈進行顯示，其余人搶答無效；

(2)搶答成功后，開始答題，同時計數(shù)器開始計數(shù)，要求在規(guī)定時間內(nèi)答題，如60秒。當60秒時間到后，系統(tǒng)會進行聲光報警。

(3)電路外形風格可以自由發(fā)揮，在完成指定功能的基礎上，盡可能布局布線合理美觀，運行穩(wěn)定可靠。

任務由數(shù)字電路和面包板來實現(xiàn)，以時鐘脈沖模塊、計數(shù)模塊和譯碼顯示模塊為核心，還可以進行相應的拓展。它能夠?qū)?shù)字電路中的典型知識點融會貫通。項目需要用到組合邏輯電路模塊的譯碼顯示電路、時序邏輯電路模塊中的計數(shù)器電路、脈沖信號產(chǎn)生與整形模塊中的脈沖產(chǎn)生電路，還要綜合考慮項目設計流程、實驗原理驗證、可行性分析、實際應用、實踐實施過程中問題的解決等，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

2 實現(xiàn)過程

多功能搶答器電路由CP脈沖模塊、搶答模塊、計數(shù)顯示模塊、報警模塊等構(gòu)成。實驗框圖如圖1所示。

圖1 實驗框圖

■2.1 CP脈沖模塊

CP脈沖模塊可以由多諧振蕩器構(gòu)成，多諧振蕩器電路是一種矩形波產(chǎn)生電路。這種電路不需要外加觸發(fā)信號，便能連續(xù)地、周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖。

項目需要設定輸出周期為1s的矩形波，進而實現(xiàn)60s的計時，時間周期T的計算公式可以為：

T= 0.7(4.7 +2 × 4.7)× 103× 100× 10?6= 0.987s進行大致1S的計時，也可以采用其他參數(shù)實現(xiàn)更為精確的計時。電路圖如圖2所示。

圖2 由555實現(xiàn)CP脈沖模塊

采用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器也可以作為CP脈沖使用。電路圖如圖3所示。

圖3 門電路實現(xiàn)CP脈沖

■2.2 搶答模塊

搶答模塊可以實現(xiàn)4人搶答，由D觸發(fā)器和4輸入與門構(gòu)成，并帶有復位功能。當按下復位鍵時，4個發(fā)光二極管均熄滅，時鐘脈沖進入到D觸發(fā)器，搶答器開始工作。當有選手搶答時，如SB1按下按鍵，D0輸入高電平，對應的發(fā)光二極管發(fā)光，此時時鐘脈沖不再進入到D觸發(fā)器。CLK端輸入為0。其他選手搶答無效，電路圖如圖4所示。

圖4 搶答模塊電路圖

■2.3 計數(shù)顯示模塊

計數(shù)部分由74LS161計數(shù)器構(gòu)成，74XX161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路以及單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)分頻器等很多重要功能。

顯示部分由CD4511驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示，CD4511用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器，具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能，能提供較大的拉電流，也可直接驅(qū)動LED顯示器。

此計數(shù)顯示模塊可以設計實現(xiàn)100進制以內(nèi)的任意進制計數(shù)器，本文需要在規(guī)定時間內(nèi)搶答，所以設計實現(xiàn)了60進制計數(shù)器，并添加了復位功能。也可以在原有正計數(shù)的基礎上實現(xiàn)倒計時計數(shù)器，適當增加脈沖信號指示、電路正常運行指示、點動計數(shù)、暫停和繼續(xù)計數(shù)等功能等等，電路圖如圖5所示。

圖5 計數(shù)顯示模塊

■2.4 報警電路

報警電路由三極管，5V無源蜂鳴器、發(fā)光二極管等實現(xiàn)。當三極管基極輸入高電平時，發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器報警，三極管基極輸入低電平時，發(fā)光二極管不發(fā)光，蜂鳴器不報警，由此可以實現(xiàn)聲光報警功能，電路圖如圖6所示。

圖6 報警模塊

■2.5 實物設計

前面，用數(shù)字電路實現(xiàn)了各部分邏輯圖的設計，有了邏輯圖，就可以利用實際元器件來搭建電路。在實際搭建的過程中，生生之間和師生之間需要討論如何解決實驗過程中的問題，比如計數(shù)跳躍、脈沖輸出不穩(wěn)定、計數(shù)芯片級聯(lián)時進位狀態(tài)提前、數(shù)碼管顯示狀態(tài)不穩(wěn)定等等一些列實踐過程中遇到的實際問題。教師和學生共同分析產(chǎn)生問題的原因并提出解決方案，將數(shù)字電路的相關知識點融會貫通，引導學生對項目設計流程和實現(xiàn)方法進行體驗，可以培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力，以及分析問題，解決問題的能力。實物圖如圖7所示。

圖7 實物電路

■2.6 拓展

在前面的基礎上，可以將電路進一步優(yōu)化，增加額外的功能，優(yōu)化布局和布線，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，還可以把電路焊接在洞洞板上。

以時鐘脈沖模塊、計數(shù)模塊和譯碼顯示模塊為核心，加上相應的傳感器以及搶答器模塊，還可以發(fā)揮想象，設計很多實用的電路。部分拓展電路如圖8所示，分別為仰臥起坐計數(shù)器、搶答器、旋梯計數(shù)器、子彈計數(shù)器、門禁識別計數(shù)器等。

圖8 拓展電路

3 結(jié)論

本文利用多功能搶答器將數(shù)字電路部分的門電路及組合邏輯電路、觸發(fā)器及時序邏輯電路、555定時器等知識點連接起來，任務完成后還可以進一步的拓展，培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實踐能力和創(chuàng)新能力。