八位數字搶答器的設計與實現

新疆兵團廣播電視大學計算機教研室 李 燕 田 潔

八位數字搶答器的設計與實現

新疆兵團廣播電視大學計算機教研室 李 燕 田 潔

本設計是以數字電路為核心的八位搶答器。設定限時回答的功能，利用優先編碼器、鎖存器、譯碼器實現基本搶答電路，同時以555定時器構成秒脈沖產生電路，使整個搶答系統根據脈沖情況正確計時，并通過系統所帶的數碼顯示裝置正確的顯示時間。整個設計實現過程通過時序控制電路，充分利用了74系列集成芯片的數字電路結構簡單、功能強大、可靠性好、實用性強的特點，可在極短的時間間隔內完成搶答的識別和判斷。

數字搶答器；555定時器；時序控制電路；74系列集成芯片

1 引言

在當前科學技術飛速發展的過程中，現代數字傳輸技術領域扮演者越來越重要的角色，已成為發展最快、應用最廣的科學技術之一，尤其在民生、國防以及科學研究等方面發揮著舉足輕重的作用。究其本質來說，數字技術基本的器件單元是數字邏輯電路器件，這些基本邏輯部件主要可依據功能分為組合邏輯與時序邏輯部件，通過合理的組合和設計，即可表示和實現基本的數字邏輯功能。自20世紀60年代，隨著邏輯電路生產和封裝工藝的提高，數字邏輯電路已由初期的小規模集成電路逐漸向著微小型化、智能化和便捷化方面邁進，現階段大規模集成電路、超大規模集成電路以及超特大規模集成電路已成為標準通用數字設備的主要構成單元[1-3]。數字集成電路可依據電路屬性而分為模擬電路或數字電路，在其集成電路上課包含許多的微元電路，諸如邏輯門、觸發器和其他功能性電路。這些集成電路又可進行集群化集成形成數字信號處理器或數字集成運算核心，具有良好的獨立工作特性。當前，數字電子技術的作用和功能隨著互聯網技術的發展而在不斷的演化，以物聯網、云計算和智能互聯為新型產業的經濟正成為國家快速發展的新動力，與此有關聯的集成電路產業也呈現出井噴式的發展，其涉及面包括自動控制、網絡通信、消費電子、移動互聯等各個領域[4-6]。

現今科學技術發展迅猛，其在不同領域的作用越來越重要，尤其在時序控制方面發揮著關鍵性的功能，這其中，搶答器作為最基本的時序控制電路在許多方面應用廣泛。本文設計出以時序特點為核心的八位數字搶答器，采用了LED數碼管顯示，自動鎖存顯示結果，它能根據不同的搶答輸入信號，經過優先編碼器、鎖存器、譯碼器處理并輸出信號，最后通過LED數碼管顯示相應的選手編號，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出按下按鍵的先后順序，充分利用了74系列集成芯片的數字電路結構簡單、功能強大、可靠性好、實用性強的特點。

2 設計思路與搶答器的電路設計框圖

2.1 設計思路

（1）本文中的八位搶答器的主要設計功能是在不同的搶答者之間準確的判斷搶答的先后次序，并通過電路設計識別第一個搶答者的輸入信號，并實時將輸入信號進行鎖存。對于識別搶答者的輸入信號，這里使用觸發器來實現；而數據鎖存的功能則由鎖存器來完成。具體要求是當輸入電路得到最快的觸發信號后立即啟動鎖存器，并在鎖存過程中將其所在電路封鎖，從而使后續的觸發信號無效。另外，還要求所有搶答者需在主持人給出搶答命令后才可操作所在電路系統。

（2）電路的整個設計需包含顯示功能，要求觸發器被最先輸入的信號觸發后，系統電路通過譯碼器和編碼器芯片進行數字化的處理并輸入進數字顯示芯片，同時啟動發光二極管來標示出搶答者的組別，完成一次搶答過程。

（3）整個電路設計需在主持人的控制下，即如果主持人未啟動搶答過程，參與搶答的選手此時操作均為無效操作；當主持人啟動搶答之后，系統給出搶答倒計時功能，在整個倒計時過程中若有選手搶答，則系統即時顯示搶答者編號同時啟動指示燈，代表本次搶答有效并有選手搶答；如果倒計時結束后，仍未有輸入強大搶答信號，則系統電路自動關閉，系統再次處于主持人控制狀態，此時主持人可依據具體情況再次開啟搶答過程來進行下一次搶答。

2.2 電路設計框圖（見圖1）

圖1 總電路框圖

3 設計與實現

八位數字電路搶答器在功能的執行上要完成不同搶答者的次序信號輸入，并將最先搶答的信號即時鎖存，封閉其他搶答電路，同時通過數字編碼和譯碼的方式在數碼顯示元件實時顯示。

3.1 搶答器的設計實現電路

圖2 八位數字搶答器的電路設計仿真圖

在數字電路設計階段，輸入信號主要由555定時器脈沖來完成信號的形成，而其中需要同步加減計數芯片74LS192作為輸入脈沖的減法計數單元來完成脈沖的識別和判斷。系統電路判別輸入信號后，需74LS48譯碼芯片進行實時譯碼，將譯碼過程轉換的數據傳送至數碼顯示芯片和發光二極管，最終顯示搶答數據。具體的電路功能可完成實際的搶答先后的判斷，由主持人開啟數字搶答功能后，電路自行開始搶答的倒計時過程，其倒計時時間可通過計時器進行人為的調制。在倒計時結束后，計時器處于關閉狀態，此時電路系統回到未啟動狀態；如有選手在倒計時過程中輸入搶答信號，計時器會依據觸發器狀態而處于停止，鎖存器開始工作并關閉其他選手的搶答電路，搶答完成。在電路的執行過程中，當選手按下按鍵，脈沖電路會依據信號傳輸給計數器，此時減法計數器開啟計數功能并通過譯碼器將轉換后的信號傳輸給數碼顯示芯片，輸出一個高電平給時序控制電路，是發光二極管燈亮，完成搶答。

3.2 搶答器實現完成情況

在multisim中單擊運行按鈕，開關打到預置端，倒計時數碼顯示器顯示30。主持人撥動開關后，倒計時電路開始從30秒倒數，8路觸點開關處于待命狀態。若有選手按下所在開關（搶答），搶答電路顯示選手所在編碼（0～7），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關被鎖定，搶答無效。如果30秒倒計時結束后仍無人搶答，計時指示燈熄滅，電路鎖定為00，計時指示燈滅，搶答不再有效。 這時只需主持人重新將開關打到預置段，整個電路全部回到初態。準備進行下一輪搶答。同時，搶答部分電路的顯示器上顯示對應選手或代表隊的編號，而定時部分電路的顯示器上則是顯示選手按動按鈕（即開始搶答）的時間；另外，當設定的搶答時間已經結束卻無人搶答時，定時部分顯示器上顯示00，同時計時指示燈滅，表示此次搶答無效。此時，主持人可通過置位按鈕將顯示器上數據設置為設定的數據。

4 小結

在數字電路搶答器設計和實現電路中，輸入信號的觸發過程以及信號的鎖存和顯示過程尤為重要，這需要不同的芯片單元合理組合，且各單元芯片能完成各自功能，搶答器的實時特性應該達到時間上的最優化，符合實際操作的需要。整個過程通過軟件的輔助設計，并要在參數合理的設置下進行可行性的檢測，對影響系統功能的電路細節分析其產生的原理，不斷進行電路結構上的優化。測試結果顯示，本系統電路設計在執行過程中可連續穩定的工作，具有很好的可操作性。

[1]江曉安,董秀蜂,楊頌華．數字電子技術[M]．西安:西安電子科技大學出版社,2004．

[2]康華光．電子技術基礎(數字部分)[M]．第四版．北京:高等教育出版社,2000．

[3]潘永雄．電子線路CAD實用教程[M]．第三版．西安:西安電子科技大學出版社,2003．

[4]王毓銀．脈沖與數字電路[M]．第三版．北京:高等教育出版社,1999．

[5]王文峰．數碼顯示八路搶答器的設計[J]．井岡山師范學院學報,2000,5．

[6]楊頌華．數字電子技術基礎[M]．西安:西安電子科技大學出版社,2000．

李燕（1978—），女，新疆烏魯木齊人，講師，研究方向：計算機信號分析與處理。

田潔（1978—），女，新疆烏魯木齊人，講師，研究方向：計算機應用技術。