1.1 課題研究的相關背景

當今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優勝，知識競賽之類的活動愈加頻繁，而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，如果要是讓搶答者用舉手等方法，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。比賽中為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，這就要有一種搶答設備作為裁判員，這就必然離不開搶答器。

搶答器是一種應用非常廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發言權的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發光管等組成，能通過發光管的指示辯認出選手號碼。現在大多數搶答器均使用單片機或數字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。

隨著科技的發展，現在的搶答器有著數字化，智能化的方向發展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現在小規模的知識競賽越來越多，操作簡單，經濟實用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數字搶答器這一課題。

簡易邏輯數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。

通過這次課程設計,了解簡單多功能數字電路搶答器的組成原理，初步掌握數字電路搶答器的調整及測試方法，提高思考能力和實踐能力。同時通過本課題設計，鞏固已學的理論知識，建立邏輯數字電路的理論和實踐的結合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算定時計數的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調整及測試方法。

隨著改革開放事業的不斷深入，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣，搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受，但每年使用的次數極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。目前多數搶答器存在3個不足之處：首先，現場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現場的不同位置，每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安裝的難度，甚至影響了現場人員的走動。其次，電路復雜。因為簡單邏輯電路只完成號碼處理、計時、數據運算等功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數字集成電路完成。采用簡單邏輯電路掃描技術識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大，最后導致容易出現選手搶按成功現象。

如圖1.1所示為搶答器的結構框圖，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成檢測數碼管工作情況。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到"清除"狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置于"開始"狀態，宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，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"狀態開關。

   （1）如果想調節搶答時間或答題時間,按"加一"鍵或"減一"鍵進入調節狀態,此時會顯示現在設定的搶答時間或回答時間值,如想加一秒按一下"加1s"鍵,如果想減一秒按一下"減1s"鍵，時間LED上會顯示改變后的時間，調整范圍為0~99s, 0s時再減1s會跳到99，99s時再加1s會變到0s。

   （2）主持人按"搶答開始"鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設15s搶答時間），如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其號數并立刻進入回答倒計時（預設10s搶答時間），不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數時間到小于5s會每秒響一下提示音。

   （3）如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按"停止"按鍵，系統會自動進入準備狀態，等待主持人按"搶答開始"進入下次搶答計時。

   （4）如果主持人未按"搶答開始"鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規搶答，LED上不斷閃爍FF和犯規號數并響個不停，直到按下"停止" 鍵為止。

對同一種目的的實現，可以用不同的方案，下面就著重介紹以下兩種方案對同一目的的實現方法，并比較兩種方案的優劣。

    如下圖所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關按下即為“清零”狀態，清零指示燈滅，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈；主持人將開關斷開即為“開始”狀態，宣布“開始”，指示燈亮，搶答器工作，當有人搶答時，蜂鳴器發出聲響并且燈不斷閃爍。選手進行搶答時，搶答器將完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、蜂鳴器鳴叫及燈閃爍的提示等操作。當一輪搶答之后，禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態開關。

具體的說明如下：

    1、搶答器按鈕就是改變輸入的電平信號，從原理圖可以看出這里設計的是是低電平有效。

  2、優先編碼電路用來把輸入的高低電平信號編碼，74LS148優先編碼器及8—3編碼器，輸出3位2進制數，以代表不同的低電平信號。

   3、鎖存器用的是D觸發器，因為D觸發器結構和功能都比較簡單，方便使用。D觸發器使用4個，第四個除用來輸出2進制數的最高位外，還用于控制信號的鎖定，即觸發或鎖定觸發器的工作狀態。

   4、數碼顯示器用帶譯碼功能的數碼管。使用簡單、方便 。

    5、主持人控制開關就是一個開關，用來清零和開始工作，設置了一個指示燈，當指示燈亮表示開始，滅了表示開關閉合主持人清零。

    6、控制電路，除了第四個D觸發器和主持人的開關外，還需要8個搶答器按鈕組成的8輸入與非門和第四個觸發器用一個與門共同組成一個控制電路來控制信號的傳輸和鎖定。

    7、報警顯示電路，用一個蜂鳴器和一個燈作為報警信號，所以選擇一個LED燈來表示信號的鎖定。為了使更明顯一些，給LED燈加了個連續脈沖信號，以使燈能夠按我們需要的頻率一閃一閃。

另外，還用到一些其他的與非門和或非門，都是一些實驗室常用的器件。

工作流程框圖如圖4.2所示。

    圖中的一個8輸入的與非門，當有選手按按鈕時，通過它產生一個高電平信號，此高電平信號與由第四個觸發器的Q'端初始的高電平信號通過與門U10來觸發觸發器，又通過Q'端的低電平信號來鎖住信號。優先編碼器用來對輸入的信號編碼為三位的二進制數，因此輸出信號最多顯示到111代表十進制的7，而000是我們不需要的，所以我們通過一個3輸入的或非門加到數碼顯示管的第四個管腳，當信號為000時第四個管腳為高電平，這樣顯示8這個數。后面在給小燈加個脈沖信號來使他閃爍起來。

仿真結果如下：3號先搶答

7號先搶答

選用8個可彈起按鈕作為搶答按鈕。如下圖所示：

   采用74LS148優先編碼器作為編碼電路。74LS148編碼器功能表如下：

74LS148功能表

74LS148N是一個優先編碼器

優先編碼器是數字系統中實現優先權管理的一個重要邏輯部件。一般編碼器的輸入端只能有一個為有效信號，才能進行編碼。優先編碼器的各個輸入不是互斥的，它允許多個輸入端同時為有效信號。優先編碼器的每個輸入具有不同的優先級別，當多個輸入信號有效時，它能識別輸入信號的優先級別，并對其中優先級別最高的一個進行編碼，產生相應的輸出代碼。

輸入端：~    輸出端： A0~A2（低電平有效）

使能輸入端：低電平有效

EO使能輸出端：當=0時，EO=1表示有有效信號輸入

擴展輸出端：=0時，表示編碼器工作，=1時表示編碼器不工作

其真值表如下：（輸入信號低電平有效）

    此設計電路選用D觸發器作為鎖存器電路。D觸發器的邏輯功能表如下所示：

D觸發器的特性表

  D觸發器具有在時鐘脈沖上升沿或下降沿觸發的特點，當時鐘脈沖上升沿或下降沿時刻，輸入端D的值傳輸到輸出端。真值表如下：

    數碼顯示器用帶譯碼功能的4線的七段顯示數碼管。

功能表如下：

用于控制清零和工作的按鈕。

    控制電路由觸發器和輸入信號一起控制電路的工作。

原理：如上圖所示，4個觸發器的置數端都置為高電平，這樣在開始工作時觸發器的Q非端為1，當輸入信號有高電平信號時，通過與門觸發器開始工作，經過觸發器將信號傳輸到顯示數碼管，而第4個觸發器Q非端變為低電平，返回到與門鎖定觸發器的狀態，這樣將信號鎖住，其他按鈕信號就將不會顯示。

實驗選擇燈來表示信號的鎖定。

設計的電路可分為三個主要模塊：編碼模塊、信號鎖定模塊和顯示模塊。下面分別對三個模塊進行說明和仿真。

    3.2.1、編碼模塊：

編碼部分主要利對74LS148，電路原理圖如下，并進行了功能的仿真。

上面電路是對編碼部分的功能仿真，74LS148是低電平有效的優先編碼器，輸出端A0A1A2輸出的二進制正好與十進制對應。例如開關3接低電平，則輸出A0A1A2=011，數碼管將會顯示3

從仿真結果中可看出編碼這一模塊的功能是正確的。

   3.2.2、 信號鎖定模塊：

工作原理：接通電源清零后，四個觸發器的PR置位端都是低電平，輸出Q為0，Q'為1，當有低電平信號時，或非門為1，與門輸出為1，四個觸發器都開始工作，由于第四個觸發器的輸入端一直是1，所以使輸出端Q為1，Q'為0，U4輸出變為0，鎖住觸發器的狀態，這樣來鎖住信號的，當進行下一次工作時必須要清零。仿真結果請查看附件中的swf屏錄文件。

顯示電路就是一個DCD4線的數碼顯示管，他的輸入二進制正好與十進制對應，在上面的仿真實驗中都用到了數碼管。

從上面的仿真結果看，電路基本滿足要求。此次設計雖然很簡單，但是卻也花了不少時間，設計所用到的知識都是老師在后半學期給我們詳細講過的數電知識，如：編碼器、譯碼器、觸發器等等，在設計之前要清楚應該包括哪些功能模塊，并且要對每個功能模塊進行仿真驗證，最后再綜合起來仿真驗證，一般不會一次性驗證通過，那么久要結合所學知識去判斷哪里還不夠完善的地方，找到進行修改完善，一步一步的將所需的功能實現。  這次設計不但可以讓我再次認真去復習這些知識，而且很重要的一點是能提高我獨立思考的能力以及設計思想，在設計過程中肯定是少不了自己的獨立思考，那么在思考的過程中可以很好的鞏固知識以及學到更多新知識、活躍思維以提高創新能力！在以下方面有待提高

   1、設計 因為是初次接觸，剛開始無從下手，通過上網查資料（網上的電路圖基本上錯了，還好多是copy別人的）知道大概如何做，經過整理開始做搶答電路，做搶答電路是我從選了芯片74LS148一個測看輸出是否和我先前計算的一樣，同時可以熟悉這一芯片，如些到整個作品完成。在開始選擇了138這塊芯片做但后面遇到問題（驗證電路上有分析）放棄了。在這個設計中第一次用到數碼管這個器材，在沒有對其充分了解的情況下就用了，但一直沒有結果（沒顯示）直到上課聽到老師說數碼管有共陰、共陽之分，要求接地或接電源。定時電路由禹龍設計的，他從網上了解到用74ls192,我把各個芯片的資料從網上找到后，選擇了高低位，知道進位與信號輸入及輸出后輕松搞定。對于時鐘脈沖產生器的設計，因為有了上學期555的學習，通過參考8.4.4節-用555定時器組成的多諧振蕩器，很快設計出來，但在檢測時放在仿真中并不是1s，這一問題還是通過多次實驗測出。整體的控制中，因為熟悉了芯片還是比較容易出來。如對搶答器的鎖存，可以通過74ls148的使能端EI來控制，最后計數到零后74ls192的進位端是輸出高電平，而148使能端要EI=0時充許輸入，所以加一個非門。

2、實物焊接  開始我想走錫線，所以花了很多時間放在布線上，但一焊接才知道走錫線不是那么容易，也就只能走錫線了。焊接了要事先想好，如比須知道每塊芯片的引腳，當然也要熟悉接線圖，并且要有先后順序來焊接，我在焊接48時因為沒想好，先焊了兩個中間沒焊，后面就不好焊，把電線的絕緣皮搞壞了。后面又因為焊槍不給力好多引腳接到一起了，花了很多時間來開分，所以工期也長了。這種情況還會使心情浮燥，甚至不想焊了，所以焊接時一定要心平氣和，沉著冷靜，仔細的想好，盡量一步到位。

3、檢查  由于時間緊，又要做信號實驗，有些引腳沒焊上，導致實物不行，在排查中我先排電源和地線，這兩線要連所有芯片，必須一個不落。開始我的定時芯片沒有顯示，我以為是芯片壞了，但經過檢查，是因為沒有接地而造成的，接上就OK了。這次的實品沒做好，我想花點時間一個一個的排查，一塊塊芯片的來。

這次電子設計雖然花了很多時間，但是很值得，不但熟悉了很多芯片的功，學到了在上課學不到的東西通過自己分析和設計更好地運用了它們，而且還學會了它們更多的功能，發現它們的功能遠比書上說的多很多，可以利用不同的接法設計出各種各樣不同的電路出來。模電課程設計學到得方法在這里可以繼續使

用，比如MULTISIM等學習軟件，給設計提供了很大的便利。，知道如何焊接，也使我們認識到成功并不是那么輕而易舉。總有這樣那樣的問題，所以團隊的作用和自己耐心是我在此次設計得到最多的。只有積極整合團隊的精華，不心浮氣躁我們就能做出完美的電子設計。

這次實驗給我的總體感覺就是麻煩。先是忙著仿真，弄了很久，和同學討論了許多次，才勉強通過。因為我們做的是八路智能搶答器，做這個實驗的同學很少，所以能得到的實際幫助并不多。后來實際操作，在焊接過程中，又暴露了許多問題。先是芯片不夠，然后就是初次焊接，很是心浮氣躁，握著電烙鐵，手就一直抖，很久才適應。而且對很多芯片的具體功能和各引腳的作用不清楚，因此焊接難度進一步加大。所以又忙著查資料，弄清楚，才畫好焊接線路布局圖。其實老師說的很有道理，仿真和自己動手操作還是有所區別的，在焊接過程中就暴露出這個問題。我們選用的元件中有幾個電阻并不適用，在試驗箱上通不過，所以又臨時更換，感覺很麻煩。實驗時間也不多，焊接對我這個初學者來說，還算是項比較浩大的工程。忙了幾個深夜，才勉強把元件全部焊接好。但是在全部焊好的時候還是很高興的，畢竟是第一次做這種實驗，感覺還不錯。

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2018-12-10 00:01 上傳

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