基于数字电路的多功能抢答器

2022-02-14张晖高玲翟艳男

电子制作 2022年2期

关键词：数字电路电路图计数器

张晖，高玲，翟艳男

（空军航空大学基础部电工电子教研室，吉林长春，130022）

传统的教学以讲授为主，学生往往会出现“学了不会用”的情况。基于数字电路的多功能抢答器采用项目式教学，学生边学边分模块搭建电路，最后可以合成一个实用的大电路，充分的调动了学生的学习积极性，培养学生的创新能力。

1 设定任务

当今社会竞争日益激烈，选拔人才，评优选胜，各种竞赛之类的活动愈加频繁，抢答器这一产品是不可缺少的设备。在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观的分辨出最先获得发言权的选手。

本文利用数字电路中的基本器件，如74LS161、CD4011、CD4511、74LS21P、NE555P、74LS175芯片以及数码管等设计一个4人抢答器。抢答器的功能如下：

(1)抢答器设置复位开关，开始抢答后，4名选手进行抢答，当其中1名选手抢答成功后，相应的显示灯进行显示，其余人抢答无效；

(2)抢答成功后，开始答题，同时计数器开始计数，要求在规定时间内答题，如60秒。当60秒时间到后，系统会进行声光报警。

(3)电路外形风格可以自由发挥，在完成指定功能的基础上，尽可能布局布线合理美观，运行稳定可靠。

任务由数字电路和面包板来实现，以时钟脉冲模块、计数模块和译码显示模块为核心，还可以进行相应的拓展。它能够将数字电路中的典型知识点融会贯通。项目需要用到组合逻辑电路模块的译码显示电路、时序逻辑电路模块中的计数器电路、脉冲信号产生与整形模块中的脉冲产生电路，还要综合考虑项目设计流程、实验原理验证、可行性分析、实际应用、实践实施过程中问题的解决等，培养学生的实践能力和创新能力。

2 实现过程

多功能抢答器电路由CP脉冲模块、抢答模块、计数显示模块、报警模块等构成。实验框图如图1所示。

图1 实验框图

■2.1 CP脉冲模块

CP脉冲模块可以由多谐振荡器构成，多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路。这种电路不需要外加触发信号，便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲。

项目需要设定输出周期为1s的矩形波，进而实现60s的计时，时间周期T的计算公式可以为：

T= 0.7(4.7 +2 × 4.7)× 103× 100× 10−6= 0.987s进行大致1S的计时，也可以采用其他参数实现更为精确的计时。电路图如图2所示。

图2 由555实现CP脉冲模块

采用门电路构成的多谐振荡器也可以作为CP脉冲使用。电路图如图3所示。

图3 门电路实现CP脉冲

■2.2 抢答模块

抢答模块可以实现4人抢答，由D触发器和4输入与门构成，并带有复位功能。当按下复位键时，4个发光二极管均熄灭，时钟脉冲进入到D触发器，抢答器开始工作。当有选手抢答时，如SB1按下按键，D0输入高电平，对应的发光二极管发光，此时时钟脉冲不再进入到D触发器。CLK端输入为0。其他选手抢答无效，电路图如图4所示。

图4 抢答模块电路图

■2.3 计数显示模块

计数部分由74LS161计数器构成，74XX161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，可以灵活的运用在各种数字电路以及单片机系统中实现分频器等很多重要功能。

显示部分由CD4511驱动共阴极数码管显示，CD4511用于驱动共阴极LED（数码管）显示器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能，能提供较大的拉电流，也可直接驱动LED显示器。

此计数显示模块可以设计实现100进制以内的任意进制计数器，本文需要在规定时间内抢答，所以设计实现了60进制计数器，并添加了复位功能。也可以在原有正计数的基础上实现倒计时计数器，适当增加脉冲信号指示、电路正常运行指示、点动计数、暂停和继续计数等功能等等，电路图如图5所示。

图5 计数显示模块

■2.4 报警电路

报警电路由三极管，5V无源蜂鸣器、发光二极管等实现。当三极管基极输入高电平时，发光二极管发光，蜂鸣器报警，三极管基极输入低电平时，发光二极管不发光，蜂鸣器不报警，由此可以实现声光报警功能，电路图如图6所示。

图6 报警模块

■2.5 实物设计

前面，用数字电路实现了各部分逻辑图的设计，有了逻辑图，就可以利用实际元器件来搭建电路。在实际搭建的过程中，生生之间和师生之间需要讨论如何解决实验过程中的问题，比如计数跳跃、脉冲输出不稳定、计数芯片级联时进位状态提前、数码管显示状态不稳定等等一些列实践过程中遇到的实际问题。教师和学生共同分析产生问题的原因并提出解决方案，将数字电路的相关知识点融会贯通，引导学生对项目设计流程和实现方法进行体验，可以培养学生的实践能力、创新能力，以及分析问题，解决问题的能力。实物图如图7所示。