八位競賽搶答器電子系統(tǒng)電路分析與設(shè)計
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)計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設(shè)計(中、小規(guī)模集成器件)、軟件邏輯設(shè)計(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。目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達(dá)、通信等各個領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測量技術(shù)中，數(shù)字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高，功能高，而且容易實現(xiàn)測量的自動化和智能化。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)用范圍將會更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，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，選手進(jìn)行搶答，搶到題的選手來回答問題。搶答器不僅考驗選手的反應(yīng)速度同時也要求選手具備足夠的知識面和一定的勇氣。選手們都站在同一個起跑線上，體現(xiàn)了公平公正的原則。
l 原理分析
(1)搶答器同時供八名選手或八個代表隊比賽，分別用八個按鈕S0～S7表示。
(2)設(shè)置一個系統(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。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在優(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。
(4)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定(如30 s)。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器進(jìn)行減計時，同時揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間0．5 s左右。
(5)參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時器停止工作，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。
(6)如果定時時間已到，無人搶答，該次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。
2 設(shè)計原理與參考電路
(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)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布開始搶答器工作。定時器倒計時，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。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)。
(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74LS279的RS觸發(fā)器作存儲電路和74LS48譯碼器及顯示電路。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；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，RS觸發(fā)器的清零端均為0，4個觸發(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，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時(如按下S5)，74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，Q1=1，74LS48處于工作狀態(tài)，Q4Q3 Q2=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，74LS148由于仍為Q1=1，使Q1=1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出兩次按鍵時輸入信號，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)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供?？深A(yù)置時間的電路選用十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計，具體電路如圖3所示(電路包括555定時器，兩塊74LS192存儲器，兩塊74LS48顯示譯碼器)。
(3)報警電路。由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路(包括555定時器構(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]，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。
(4)時序控制電路(包括定時信號產(chǎn)生電路與門G1、與非門G2和一個74LS18)。時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它主要完成以下三項功能：
①主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)；
②當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作；
③當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。
根據(jù)上面的功能要求以及圖4所示電路，設(shè)計的時序控制電路如圖5所示。圖5中，門G1的作用是控制時鐘信號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，來自于圖3中的74LS279的輸出Q1=0，經(jīng)G2反相，A=1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則“定時到信號”為1，門G2的輸出為0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能①的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，Q1=1，經(jīng)G2反相，A=0，封鎖CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門G2的輸出等于1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能②的要求。當(dāng)定時時間到時，則“定時到信號”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，門G1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能③的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。
(5)整機(jī)電路設(shè)計。
經(jīng)過以上各單元的設(shè)計，可以得到定時搶答器的整體電路。如圖6所示：
3 實驗調(diào)試
(1)組裝調(diào)試搶答器電路；
(2)設(shè)計可預(yù)置時間的定時電路，并進(jìn)行組裝和調(diào)試。當(dāng)輸入1 Hz的時鐘脈沖信號時，要求電路能進(jìn)行減計時，當(dāng)減計時到零時，能輸出低電平有效的定時時間到信號；
(3)組裝調(diào)試報警電路；
(4)完成定時搶答器的聯(lián)調(diào)，注意各部分電路之間的時序配合關(guān)系。
然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計要求。
4 結(jié) 語
通過實驗和測試，搶答器達(dá)到了設(shè)計要求，且具有電路設(shè)計簡單經(jīng)濟(jì)，所有元件比較常見，很適合電子技術(shù)的設(shè)計實驗。對電子技術(shù)綜合知識的教學(xué)運(yùn)用有一定幫助。
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