八位数字抢答器的设计与实现

新疆兵团广播电视大学计算机教研室 李 燕 田 洁

八位数字抢答器的设计与实现

新疆兵团广播电视大学计算机教研室 李 燕 田 洁

本设计是以数字电路为核心的八位抢答器。设定限时回答的功能，利用优先编码器、锁存器、译码器实现基本抢答电路，同时以555定时器构成秒脉冲产生电路，使整个抢答系统根据脉冲情况正确计时，并通过系统所带的数码显示装置正确的显示时间。整个设计实现过程通过时序控制电路，充分利用了74系列集成芯片的数字电路结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点，可在极短的时间间隔内完成抢答的识别和判断。

数字抢答器；555定时器；时序控制电路；74系列集成芯片

1 引言

在当前科学技术飞速发展的过程中，现代数字传输技术领域扮演者越来越重要的角色，已成为发展最快、应用最广的科学技术之一，尤其在民生、国防以及科学研究等方面发挥着举足轻重的作用。究其本质来说，数字技术基本的器件单元是数字逻辑电路器件，这些基本逻辑部件主要可依据功能分为组合逻辑与时序逻辑部件，通过合理的组合和设计，即可表示和实现基本的数字逻辑功能。自20世纪60年代，随着逻辑电路生产和封装工艺的提高，数字逻辑电路已由初期的小规模集成电路逐渐向着微小型化、智能化和便捷化方面迈进，现阶段大规模集成电路、超大规模集成电路以及超特大规模集成电路已成为标准通用数字设备的主要构成单元[1-3]。数字集成电路可依据电路属性而分为模拟电路或数字电路，在其集成电路上课包含许多的微元电路，诸如逻辑门、触发器和其他功能性电路。这些集成电路又可进行集群化集成形成数字信号处理器或数字集成运算核心，具有良好的独立工作特性。当前，数字电子技术的作用和功能随着互联网技术的发展而在不断的演化，以物联网、云计算和智能互联为新型产业的经济正成为国家快速发展的新动力，与此有关联的集成电路产业也呈现出井喷式的发展，其涉及面包括自动控制、网络通信、消费电子、移动互联等各个领域[4-6]。

现今科学技术发展迅猛，其在不同领域的作用越来越重要，尤其在时序控制方面发挥着关键性的功能，这其中，抢答器作为最基本的时序控制电路在许多方面应用广泛。本文设计出以时序特点为核心的八位数字抢答器，采用了LED数码管显示，自动锁存显示结果，它能根据不同的抢答输入信号，经过优先编码器、锁存器、译码器处理并输出信号，最后通过LED数码管显示相应的选手编号，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出按下按键的先后顺序，充分利用了74系列集成芯片的数字电路结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

2 设计思路与抢答器的电路设计框图

2.1 设计思路

（1）本文中的八位抢答器的主要设计功能是在不同的抢答者之间准确的判断抢答的先后次序，并通过电路设计识别第一个抢答者的输入信号，并实时将输入信号进行锁存。对于识别抢答者的输入信号，这里使用触发器来实现；而数据锁存的功能则由锁存器来完成。具体要求是当输入电路得到最快的触发信号后立即启动锁存器，并在锁存过程中将其所在电路封锁，从而使后续的触发信号无效。另外，还要求所有抢答者需在主持人给出抢答命令后才可操作所在电路系统。

（2）电路的整个设计需包含显示功能，要求触发器被最先输入的信号触发后，系统电路通过译码器和编码器芯片进行数字化的处理并输入进数字显示芯片，同时启动发光二极管来标示出抢答者的组别，完成一次抢答过程。

（3）整个电路设计需在主持人的控制下，即如果主持人未启动抢答过程，参与抢答的选手此时操作均为无效操作；当主持人启动抢答之后，系统给出抢答倒计时功能，在整个倒计时过程中若有选手抢答，则系统即时显示抢答者编号同时启动指示灯，代表本次抢答有效并有选手抢答；如果倒计时结束后，仍未有输入强大抢答信号，则系统电路自动关闭，系统再次处于主持人控制状态，此时主持人可依据具体情况再次开启抢答过程来进行下一次抢答。

2.2 电路设计框图（见图1）

图1 总电路框图

3 设计与实现

八位数字电路抢答器在功能的执行上要完成不同抢答者的次序信号输入，并将最先抢答的信号即时锁存，封闭其他抢答电路，同时通过数字编码和译码的方式在数码显示元件实时显示。

3.1 抢答器的设计实现电路

图2 八位数字抢答器的电路设计仿真图

在数字电路设计阶段，输入信号主要由555定时器脉冲来完成信号的形成，而其中需要同步加减计数芯片74LS192作为输入脉冲的减法计数单元来完成脉冲的识别和判断。系统电路判别输入信号后，需74LS48译码芯片进行实时译码，将译码过程转换的数据传送至数码显示芯片和发光二极管，最终显示抢答数据。具体的电路功能可完成实际的抢答先后的判断，由主持人开启数字抢答功能后，电路自行开始抢答的倒计时过程，其倒计时时间可通过计时器进行人为的调制。在倒计时结束后，计时器处于关闭状态，此时电路系统回到未启动状态；如有选手在倒计时过程中输入抢答信号，计时器会依据触发器状态而处于停止，锁存器开始工作并关闭其他选手的抢答电路，抢答完成。在电路的执行过程中，当选手按下按键，脉冲电路会依据信号传输给计数器，此时减法计数器开启计数功能并通过译码器将转换后的信号传输给数码显示芯片，输出一个高电平给时序控制电路，是发光二极管灯亮，完成抢答。

3.2 抢答器实现完成情况

在multisim中单击运行按钮，开关打到预置端，倒计时数码显示器显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（0～7），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，计时指示灯熄灭，电路锁定为00，计时指示灯灭，抢答不再有效。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。同时，抢答部分电路的显示器上显示对应选手或代表队的编号，而定时部分电路的显示器上则是显示选手按动按钮（即开始抢答）的时间；另外，当设定的抢答时间已经结束却无人抢答时，定时部分显示器上显示00，同时计时指示灯灭，表示此次抢答无效。此时，主持人可通过置位按钮将显示器上数据设置为设定的数据。

4 小结

在数字电路抢答器设计和实现电路中，输入信号的触发过程以及信号的锁存和显示过程尤为重要，这需要不同的芯片单元合理组合，且各单元芯片能完成各自功能，抢答器的实时特性应该达到时间上的最优化，符合实际操作的需要。整个过程通过软件的辅助设计，并要在参数合理的设置下进行可行性的检测，对影响系统功能的电路细节分析其产生的原理，不断进行电路结构上的优化。测试结果显示，本系统电路设计在执行过程中可连续稳定的工作，具有很好的可操作性。

[1]江晓安,董秀蜂,杨颂华．数字电子技术[M]．西安:西安电子科技大学出版社,2004．

[2]康华光．电子技术基础(数字部分)[M]．第四版．北京:高等教育出版社,2000．

[3]潘永雄．电子线路CAD实用教程[M]．第三版．西安:西安电子科技大学出版社,2003．

[4]王毓银．脉冲与数字电路[M]．第三版．北京:高等教育出版社,1999．

[5]王文峰．数码显示八路抢答器的设计[J]．井冈山师范学院学报,2000,5．

[6]杨颂华．数字电子技术基础[M]．西安:西安电子科技大学出版社,2000．

李燕（1978—），女，新疆乌鲁木齐人，讲师，研究方向：计算机信号分析与处理。

田洁（1978—），女，新疆乌鲁木齐人，讲师，研究方向：计算机应用技术。