数字电路教学中抢答器电路的设计与实践

姚有峰，张 斌，方 杰，赵慧琴

(皖西学院 电气与光电工程学院传感网与信息处理综合应用实验室，安徽 六安 237012)

在现代电子技术综合设计和各类学科竞赛中，多以单片机、ARM为核心进行电路系统设计，但在硬件设计过程中的小信号处理和大功率负载驱动上，往往很难达到设计任务的要求，主要是学生对基本电路性能的不熟悉、电子技术系统中知识点丢失现象造成的。智力竞赛抢答器的课题设计，主要以数字电子技术为核心，综合应用计数器、编码器、锁存器、译码器等集成电路知识，重点是时序控制电路设计，突出数字电路基本知识的综合应用。本设计中主要克服教材等资料中的错误与不足，通过设计、制作与调试，实现在规定时间内八路抢答电路的功能[1，2]。

1 系统设计概述

1.1 设计任务

智力竞赛抢答器适用于评选优胜、文娱综艺节目、各类知识竞赛等活动，系统设计过程中必须满足以下要求[3](P226-230)：

1)设计制作一个能容纳8组参赛队的智力竞赛抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用，并为主持人设置复位“清除”和抢答“开始”控制按钮；

2)抢答器具有锁存与显示功能。选手按动抢答按钮，LED数码管上立即显示相应组别的编号并锁存编号，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；

3)抢答器具有定时抢答功能，抢答时间由主持人设定(如25秒)。当主持人启动“开始”按钮后，定时器进行倒计时，同时扬声器发出短暂的提示音，声响持续时间0.5秒左右；

4)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剩余抢答时间，保持到主持人将系统“清除”为止；

5)如果定时抢答时间已到无人抢答，本次抢答结束，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示“00”。

1.2 系统设计方案

抢答器的核心是时序控制电路，由主持人控制时序电路启动抢答器工作。编码电路接收抢答队员的按键信号，经过锁存电路，一方面通过译码显示抢答队员编号，另一方面经时序控制电路锁定编码电路，禁止其他队员继续抢答。在这一过程中，时序控制电路启动定时计数电路对秒脉冲进行倒计时，计数值经译码实时显示定时时间。在规定的定时时间(如25 s)结束，若没有队员抢答，时序控制电路将锁定编码电路禁止所有队员抢答，结束本次的抢答。主持人操作控制键，启动下一轮抢答，系统组成框图如图1所示。

图1 定时抢答电路组成框图

2 抢答电路设计与制作

2.1 抢答编码电路

图2 抢答编码电路

2.2 定时电路

图3 定时与时序控制电路

2.3 时序控制电路

时序控制电路由与非门74LS10中的U10A、U10B、U10C和RS触发器74LS279中的U12B、U12D组成。其功能一是控制抢答编码电路：与非门U10B的⑥脚控制编码器U1的选通使能端⑤脚，当主持人操作控制按键K8为“开始”状态时，在定时25s时间内，若没有人抢答，触发器U2A的④脚为低电平，则U10B的⑥脚为低，抢答编码电路处于抢答状态；当有人抢答如K5按下，则编码器U1的脚为低，U2A的④脚为高电平，通过时序控制电路锁定编码电路，其他人无法抢答。时序控制电路的功能二是控制定时电路：当主持人操作控制按键K8分别处于“清除”和“清零”时，K8_1的低电平使两片74LS192处于置数状态，将初始25置入定时电路，2只数码管显示“25”；当主持人控制K8处于“开始”状态进行抢答时，555时基电路U4构成的秒脉冲振荡器产生的秒信号通过与非门U10C的⑧脚输出到74LS192进行减计数，二位计数器从“25”计数到“00”时，高位可逆计数器U5的脚输出低电平，使RS触发器U12D处于置“1”状态，U12D的脚输出高电平将计数器U5和U6置零，避免直接使用借位信号清零造成继续进行倒计数状态的错误。时序控制电路的功能三是控制报警电路：报警电路的功能是产生约0.5秒的提示音。当主持人控制按键K8处于“开始”或有人进行抢答时，触发器U2A的④脚为高电平，通过时序控制电路U10B的⑥脚为高电平，控制报警电路发出报警提示音。若在定时25s时间内没有人抢答，倒计时时间到信号为低电平，通过RS触发器U12B的置零，其⑦脚输出低电平，同样使U10B的⑥脚为高电平，控制报警电路发出报警提示音。

2.4 报警电路

教材和资料中的报警电路常用74LS121等单稳态触发器芯片组成，但由于74LS121类芯片大部分厂家已停产，市面上少有的芯片价格高不宜采用，本设计采用常用的555时基芯片U11构成单稳定时电路，定时时间约0.5 s，电路原理如图4所示[11-13]。时基芯片U9组成多谐振荡器，置零端④脚RST受U11单稳定时电路控制，定时电路由时序控制电路启动。当需要产生报警提示音时，U10B的⑥脚为高电平，通过三极管9013输出低电平，经微分电路产生负脉冲，加到单稳定时电路U11的触发端②脚，触发定时电路启动定时，U11的③脚输出约0.5 s的高电平到U9的第④脚，U9组成的多谐振荡器进入工作状态，其输出约1 kHz的信号驱动扬声器产生报警提示音[14](P63-71)。

图4 报警电路工作原理

2.5 实物制作

根据各单元电路的设计，分单元、分区域在万能板上进行安装、焊接与调试，实物如图5所示。制作过程中考虑到学生调试的方便性，5 V电源采用USB供电，便于使用移动电源进行调试，把只能在实验室进行的学生实验拓展到实验室外的任何场地都可以实现。

图5 八路抢答器实物

制作中，主持人控制按键使用双刀双掷按钮开关，按键弹起处于抢答的准备状态，按键按下处于抢答状态，八只触发按键为八组队员的抢答按键，图中的状态是在定时时间到前3秒时5号队抢答成功。制作中不用有源蜂鸣器，采用低阻扬声器，改变多谐振荡器的振荡频率，可以改变报警器的音调。

3 结语

八路智力抢答器的设计，采用组合逻辑电路和时序逻辑电路知识，综合训练学生运用数字电子技术的能力，无须单片机和编写程序。通过设计、装配、调试，达到综合实践能力的训练。该系统设计合理，具有可靠的工作方式，实现了预期的设计要求。在制作过程中，由于74LS121单稳态芯片难易购买、制作成本高，训练时灵活地改用555时基芯片实现单稳定时功能，替代74LS121、74LS122等芯片，获得较好效果，提高了产品研制的性价比。该产品实用性强，适合学校、公司等部门举办竞赛类活动时使用，在实际生活中具有广泛的实用性。