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用数字电路实现抢答器
一、设计目标
设计一个带有用户选手按下后，其他用户选手按下无效，同时，响警报、显示是谁按下的。由主持人开关复位的抢答器。
二、 基本功能
我设计的抢答器有如下功能：有人按下时，显示是谁按下的。同时，其他人再按下时电路不做任何处理。也就是说，如果有人按下以后，别人再按的话电路既不会显示是他按下的。
三、抢答器的组成
抢答器的一般构成框图如图2-1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、7段显示器几部分组成。下面逐一给予介绍。
（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。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。
（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。
图3-1 抢答器的组成框图
（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
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。本设计提供的为LED数码管。
四、抢答器的工作原理
(1)开关阵列电路
图1.2所示为8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～R8为上拉和限流电阻。当任一开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。
图4-1 开关阵列电路
（2)触发锁存电路
图3-1所示为8路触发锁存电路。
图中，74HC373为8D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8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。
(3)编码器
如图4-3所示，74HC147H为10－4线优先（高位优先）编码器，当任意输入为低电平时，输出为相应的输入编号的8421码（BCD码）的反码。
图4-2 8路触发锁存电路。
图4-3 10－4线优先编码器
(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CD4511等。
数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。大多情况下使用的是LED数码管。平时使用较多的LED数码有单字和双字之分。
LED数码管尺寸有大有小，一般小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为3V左右）。
(5)解锁电路
当触发锁存电路被触发锁存后，若要进行下一轮的重新抢答，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。
五、改进、简化设计
（1）功能简介
抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
（2）设计原理图
如图2-1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图5-1 总体设计
（3）电路设计
（1）
（2）
图5-2 完整电路
抢答器电路参考电路如图5-2所示。
该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于"清除"端时，RS触发器的
端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的 ＝0，使之处于工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q=1, =1,74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为"5"。
此外，1Q＝1，使74LS148 ＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为1Q＝1，使 ＝1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将S开关重新置;清除"然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线－3线优先编码器，表5-1为其功能表。
表5-1功能表
由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图4-4所示。（3）报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图5-4所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／〔（RI＋2R2）C〕，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
本电路给出了所有相关电路，对于发声报警电路只有左下角555电路。时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
1、主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
2、当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
3、当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。工作原理：当555电路的到信号后，开始产生高低电压不同的方波，这些方波从555电路的输出端出来，经过510欧姆的保护电阻进入放大电路。信号经过放大后，再传给扬声器，这时信号已经不再是方波，而是一种连续变化的一种类似于简谐波的电信号。但是他的频率还是和555电路的输出端的频率一样。
图5-4 定时电路
图5-5扬声器设计
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如4-5图所示。
图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。图11、4的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图5-5中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0， =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
（4）需要器材：
1.数字实验箱。
2. 集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。
3. 电阻 510Ω 2只，1KΩ 9只，4.7kΩ l只，5.1kΩ l只，100kΩ l只，10kΩ 1只， 15kΩ 1只， 68kΩ l只。
4.电容 0.1uF 1只，10uf 2只，100uf 1只。
5. 三极管 3DG12 1只。
6. 其它：发光二极管2只，共阴极显示器3只。
六、其他设计思路
电路设计的思路方法多样可以满足不同需求。 而且我还考虑了很多不同的设计思路，这些不同的思路，他们所用到的器件也不同。下面的内容是我参考的其他的大致的设计方法
使用JK触发器实现用户选手的信号输入和电路的锁存，使一个用户选手输入信号后其他选手输入信号不再有效。在使用户选手输入信号的锁存电路组的输出信号，也就是JK触发器组的输出信号作为二-十进制译码器的输入信号产生十进制8421信号。
这个过程可以采用一些与非门电路完成也可以采用7442二-十进制译码器或者74148优先编码器他们都可以达到输入单信号，输出8421十进制信号的目的完成信号转换的作用。为完成下一个步骤做准备。
在完成上两个步骤以后，就可以将得到的8421十进制信号传送给显示译码器用来显示数字，这给数字应该是用户选手的序列号，来表示是谁按下的。这样，就可以实现一个新功能了。
同时，可以从很多地方取输出信号，传送给555电路用来产生一定频率的方波信号。这种频率应该是人类耳朵能够分辨的频率，超过或低于这个频率范围，普通人就听不见了，那么这种电路的设计就失去了意义。
从这个555电路传出来的方波信号，在通过保护电阻后，送到放大电路，将信号放大。这时，到达放大电路输出端的信号已经变成一种简谐波，不再是方波。在将输出端信号中的直流成分通过电容器予以去掉，就可以将信号送到蜂鸣器了。这时蜂鸣器也能发出声音了。就又实现了一个功能。
从任意一个能用的输出端例如从555电路的输入端取信号送到一个发光二极管，就可以实现如果有人按下以后，就发光的功能。也可以在送到一个放大电路上，接上一个功率较大的发光器件上，使得发光效果更明显。
另外，二-十进制转换器也可以用一些与非门来完成。如图6-1
图6-1 2-10进制转换电路
七、学年设计总结
实习给了我们一个很好的提高动手能力的机会。平常我们只是在头脑中去抽象的记忆、理解那些课本上的理论知识。有的理论知识很好懂，但是有的理论知识确是晦涩难懂的，甚至只是靠自己的死记硬背去记住。但是我们都知道，那样的记忆只是一时的，很快你就会忘记。而这次的实习却给了我们一个在实践中灵活运用知识的机会，我们通过在实践中发现问题，进而去书本中找相关的知识去解决问题，从而巩固了理论知识。那样的知识是你从根本上去认识它，理解它，所以你的记忆时间会很长。
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