數(shù)字電路教學(xué)中搶答器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

姚有峰，張 斌，方 杰，趙慧琴

(皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院傳感網(wǎng)與信息處理綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，安徽 六安 237012)

在現(xiàn)代電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)和各類學(xué)科競賽中，多以單片機(jī)、ARM為核心進(jìn)行電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但在硬件設(shè)計(jì)過程中的小信號處理和大功率負(fù)載驅(qū)動上，往往很難達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，主要是學(xué)生對基本電路性能的不熟悉、電子技術(shù)系統(tǒng)中知識點(diǎn)丟失現(xiàn)象造成的。智力競賽搶答器的課題設(shè)計(jì)，主要以數(shù)字電子技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用計(jì)數(shù)器、編碼器、鎖存器、譯碼器等集成電路知識，重點(diǎn)是時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)，突出數(shù)字電路基本知識的綜合應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中主要克服教材等資料中的錯(cuò)誤與不足，通過設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)八路搶答電路的功能[1，2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

智力競賽搶答器適用于評選優(yōu)勝、文娛綜藝節(jié)目、各類知識競賽等活動，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須滿足以下要求[3](P226-230)：

1)設(shè)計(jì)制作一個(gè)能容納8組參賽隊(duì)的智力競賽搶答器，每組設(shè)置一個(gè)搶答按鈕供搶答者使用，并為主持人設(shè)置復(fù)位“清除”和搶答“開始”控制按鈕；

2)搶答器具有鎖存與顯示功能。選手按動搶答按鈕，LED數(shù)碼管上立即顯示相應(yīng)組別的編號并鎖存編號，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響提示。選手搶答實(shí)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；

3)搶答器具有定時(shí)搶答功能，搶答時(shí)間由主持人設(shè)定(如25秒)。當(dāng)主持人啟動“開始”按鈕后，定時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的提示音，聲響持續(xù)時(shí)間0.5秒左右；

4)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和剩余搶答時(shí)間，保持到主持人將系統(tǒng)“清除”為止；

5)如果定時(shí)搶答時(shí)間已到無人搶答，本次搶答結(jié)束，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示“00”。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

搶答器的核心是時(shí)序控制電路，由主持人控制時(shí)序電路啟動搶答器工作。編碼電路接收搶答隊(duì)員的按鍵信號，經(jīng)過鎖存電路，一方面通過譯碼顯示搶答隊(duì)員編號，另一方面經(jīng)時(shí)序控制電路鎖定編碼電路，禁止其他隊(duì)員繼續(xù)搶答。在這一過程中，時(shí)序控制電路啟動定時(shí)計(jì)數(shù)電路對秒脈沖進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)值經(jīng)譯碼實(shí)時(shí)顯示定時(shí)時(shí)間。在規(guī)定的定時(shí)時(shí)間(如25 s)結(jié)束，若沒有隊(duì)員搶答，時(shí)序控制電路將鎖定編碼電路禁止所有隊(duì)員搶答，結(jié)束本次的搶答。主持人操作控制鍵，啟動下一輪搶答，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 定時(shí)搶答電路組成框圖

2 搶答電路設(shè)計(jì)與制作

2.1 搶答編碼電路

圖2 搶答編碼電路

2.2 定時(shí)電路

圖3 定時(shí)與時(shí)序控制電路

2.3 時(shí)序控制電路

時(shí)序控制電路由與非門74LS10中的U10A、U10B、U10C和RS觸發(fā)器74LS279中的U12B、U12D組成。其功能一是控制搶答編碼電路：與非門U10B的⑥腳控制編碼器U1的選通使能端⑤腳，當(dāng)主持人操作控制按鍵K8為“開始”狀態(tài)時(shí)，在定時(shí)25s時(shí)間內(nèi)，若沒有人搶答，觸發(fā)器U2A的④腳為低電平，則U10B的⑥腳為低，搶答編碼電路處于搶答狀態(tài)；當(dāng)有人搶答如K5按下，則編碼器U1的腳為低，U2A的④腳為高電平，通過時(shí)序控制電路鎖定編碼電路，其他人無法搶答。時(shí)序控制電路的功能二是控制定時(shí)電路：當(dāng)主持人操作控制按鍵K8分別處于“清除”和“清零”時(shí)，K8_1的低電平使兩片74LS192處于置數(shù)狀態(tài)，將初始25置入定時(shí)電路，2只數(shù)碼管顯示“25”；當(dāng)主持人控制K8處于“開始”狀態(tài)進(jìn)行搶答時(shí)，555時(shí)基電路U4構(gòu)成的秒脈沖振蕩器產(chǎn)生的秒信號通過與非門U10C的⑧腳輸出到74LS192進(jìn)行減計(jì)數(shù)，二位計(jì)數(shù)器從“25”計(jì)數(shù)到“00”時(shí)，高位可逆計(jì)數(shù)器U5的腳輸出低電平，使RS觸發(fā)器U12D處于置“1”狀態(tài)，U12D的腳輸出高電平將計(jì)數(shù)器U5和U6置零，避免直接使用借位信號清零造成繼續(xù)進(jìn)行倒計(jì)數(shù)狀態(tài)的錯(cuò)誤。時(shí)序控制電路的功能三是控制報(bào)警電路：報(bào)警電路的功能是產(chǎn)生約0.5秒的提示音。當(dāng)主持人控制按鍵K8處于“開始”或有人進(jìn)行搶答時(shí)，觸發(fā)器U2A的④腳為高電平，通過時(shí)序控制電路U10B的⑥腳為高電平，控制報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警提示音。若在定時(shí)25s時(shí)間內(nèi)沒有人搶答，倒計(jì)時(shí)時(shí)間到信號為低電平，通過RS觸發(fā)器U12B的置零，其⑦腳輸出低電平，同樣使U10B的⑥腳為高電平，控制報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警提示音。

2.4 報(bào)警電路

教材和資料中的報(bào)警電路常用74LS121等單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片組成，但由于74LS121類芯片大部分廠家已停產(chǎn)，市面上少有的芯片價(jià)格高不宜采用，本設(shè)計(jì)采用常用的555時(shí)基芯片U11構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路，定時(shí)時(shí)間約0.5 s，電路原理如圖4所示[11-13]。時(shí)基芯片U9組成多諧振蕩器，置零端④腳RST受U11單穩(wěn)定時(shí)電路控制，定時(shí)電路由時(shí)序控制電路啟動。當(dāng)需要產(chǎn)生報(bào)警提示音時(shí)，U10B的⑥腳為高電平，通過三極管9013輸出低電平，經(jīng)微分電路產(chǎn)生負(fù)脈沖，加到單穩(wěn)定時(shí)電路U11的觸發(fā)端②腳，觸發(fā)定時(shí)電路啟動定時(shí)，U11的③腳輸出約0.5 s的高電平到U9的第④腳，U9組成的多諧振蕩器進(jìn)入工作狀態(tài)，其輸出約1 kHz的信號驅(qū)動揚(yáng)聲器產(chǎn)生報(bào)警提示音[14](P63-71)。

圖4 報(bào)警電路工作原理

2.5 實(shí)物制作

根據(jù)各單元電路的設(shè)計(jì)，分單元、分區(qū)域在萬能板上進(jìn)行安裝、焊接與調(diào)試，實(shí)物如圖5所示。制作過程中考慮到學(xué)生調(diào)試的方便性，5 V電源采用USB供電，便于使用移動電源進(jìn)行調(diào)試，把只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的學(xué)生實(shí)驗(yàn)拓展到實(shí)驗(yàn)室外的任何場地都可以實(shí)現(xiàn)。

圖5 八路搶答器實(shí)物

制作中，主持人控制按鍵使用雙刀雙擲按鈕開關(guān)，按鍵彈起處于搶答的準(zhǔn)備狀態(tài)，按鍵按下處于搶答狀態(tài)，八只觸發(fā)按鍵為八組隊(duì)員的搶答按鍵，圖中的狀態(tài)是在定時(shí)時(shí)間到前3秒時(shí)5號隊(duì)搶答成功。制作中不用有源蜂鳴器，采用低阻揚(yáng)聲器，改變多諧振蕩器的振蕩頻率，可以改變報(bào)警器的音調(diào)。

3 結(jié)語

八路智力搶答器的設(shè)計(jì)，采用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路知識，綜合訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)的能力，無須單片機(jī)和編寫程序。通過設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試，達(dá)到綜合實(shí)踐能力的訓(xùn)練。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有可靠的工作方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。在制作過程中，由于74LS121單穩(wěn)態(tài)芯片難易購買、制作成本高，訓(xùn)練時(shí)靈活地改用555時(shí)基芯片實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)定時(shí)功能，替代74LS121、74LS122等芯片，獲得較好效果，提高了產(chǎn)品研制的性價(jià)比。該產(chǎn)品實(shí)用性強(qiáng)，適合學(xué)校、公司等部門舉辦競賽類活動時(shí)使用，在實(shí)際生活中具有廣泛的實(shí)用性。