基于數字電路的多功能搶答器

張暉，高玲，翟艷男

（空軍航空大學基礎部電工電子教研室，吉林長春，130022）

傳統的教學以講授為主，學生往往會出現“學了不會用”的情況。基于數字電路的多功能搶答器采用項目式教學，學生邊學邊分模塊搭建電路，最后可以合成一個實用的大電路，充分的調動了學生的學習積極性，培養學生的創新能力。

1 設定任務

當今社會競爭日益激烈，選拔人才，評優選勝，各種競賽之類的活動愈加頻繁，搶答器這一產品是不可缺少的設備。在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀的分辨出最先獲得發言權的選手。

本文利用數字電路中的基本器件，如74LS161、CD4011、CD4511、74LS21P、NE555P、74LS175芯片以及數碼管等設計一個4人搶答器。搶答器的功能如下：

(1)搶答器設置復位開關，開始搶答后，4名選手進行搶答，當其中1名選手搶答成功后，相應的顯示燈進行顯示，其余人搶答無效；

(2)搶答成功后，開始答題，同時計數器開始計數，要求在規定時間內答題，如60秒。當60秒時間到后，系統會進行聲光報警。

(3)電路外形風格可以自由發揮，在完成指定功能的基礎上，盡可能布局布線合理美觀，運行穩定可靠。

任務由數字電路和面包板來實現，以時鐘脈沖模塊、計數模塊和譯碼顯示模塊為核心，還可以進行相應的拓展。它能夠將數字電路中的典型知識點融會貫通。項目需要用到組合邏輯電路模塊的譯碼顯示電路、時序邏輯電路模塊中的計數器電路、脈沖信號產生與整形模塊中的脈沖產生電路，還要綜合考慮項目設計流程、實驗原理驗證、可行性分析、實際應用、實踐實施過程中問題的解決等，培養學生的實踐能力和創新能力。

2 實現過程

多功能搶答器電路由CP脈沖模塊、搶答模塊、計數顯示模塊、報警模塊等構成。實驗框圖如圖1所示。

圖1 實驗框圖

■2.1 CP脈沖模塊

CP脈沖模塊可以由多諧振蕩器構成，多諧振蕩器電路是一種矩形波產生電路。這種電路不需要外加觸發信號，便能連續地、周期性地自行產生矩形脈沖。

項目需要設定輸出周期為1s的矩形波，進而實現60s的計時，時間周期T的計算公式可以為：

T= 0.7(4.7 +2 × 4.7)× 103× 100× 10?6= 0.987s進行大致1S的計時，也可以采用其他參數實現更為精確的計時。電路圖如圖2所示。

圖2 由555實現CP脈沖模塊

采用門電路構成的多諧振蕩器也可以作為CP脈沖使用。電路圖如圖3所示。

圖3 門電路實現CP脈沖

■2.2 搶答模塊

搶答模塊可以實現4人搶答，由D觸發器和4輸入與門構成，并帶有復位功能。當按下復位鍵時，4個發光二極管均熄滅，時鐘脈沖進入到D觸發器，搶答器開始工作。當有選手搶答時，如SB1按下按鍵，D0輸入高電平，對應的發光二極管發光，此時時鐘脈沖不再進入到D觸發器。CLK端輸入為0。其他選手搶答無效，電路圖如圖4所示。

圖4 搶答模塊電路圖

■2.3 計數顯示模塊

計數部分由74LS161計數器構成，74XX161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器，可以靈活的運用在各種數字電路以及單片機系統中實現分頻器等很多重要功能。

顯示部分由CD4511驅動共陰極數碼管顯示，CD4511用于驅動共陰極LED（數碼管）顯示器，具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能，能提供較大的拉電流，也可直接驅動LED顯示器。

此計數顯示模塊可以設計實現100進制以內的任意進制計數器，本文需要在規定時間內搶答，所以設計實現了60進制計數器，并添加了復位功能。也可以在原有正計數的基礎上實現倒計時計數器，適當增加脈沖信號指示、電路正常運行指示、點動計數、暫停和繼續計數等功能等等，電路圖如圖5所示。

圖5 計數顯示模塊

■2.4 報警電路

報警電路由三極管，5V無源蜂鳴器、發光二極管等實現。當三極管基極輸入高電平時，發光二極管發光，蜂鳴器報警，三極管基極輸入低電平時，發光二極管不發光，蜂鳴器不報警，由此可以實現聲光報警功能，電路圖如圖6所示。

圖6 報警模塊

■2.5 實物設計

前面，用數字電路實現了各部分邏輯圖的設計，有了邏輯圖，就可以利用實際元器件來搭建電路。在實際搭建的過程中，生生之間和師生之間需要討論如何解決實驗過程中的問題，比如計數跳躍、脈沖輸出不穩定、計數芯片級聯時進位狀態提前、數碼管顯示狀態不穩定等等一些列實踐過程中遇到的實際問題。教師和學生共同分析產生問題的原因并提出解決方案，將數字電路的相關知識點融會貫通，引導學生對項目設計流程和實現方法進行體驗，可以培養學生的實踐能力、創新能力，以及分析問題，解決問題的能力。實物圖如圖7所示。

圖7 實物電路

■2.6 拓展

在前面的基礎上，可以將電路進一步優化，增加額外的功能，優化布局和布線，使系統運行穩定可靠，還可以把電路焊接在洞洞板上。

以時鐘脈沖模塊、計數模塊和譯碼顯示模塊為核心，加上相應的傳感器以及搶答器模塊，還可以發揮想象，設計很多實用的電路。部分拓展電路如圖8所示，分別為仰臥起坐計數器、搶答器、旋梯計數器、子彈計數器、門禁識別計數器等。

圖8 拓展電路

3 結論

本文利用多功能搶答器將數字電路部分的門電路及組合邏輯電路、觸發器及時序邏輯電路、555定時器等知識點連接起來，任務完成后還可以進一步的拓展，培養了學生理論聯系實踐能力和創新能力。