新疆兵團廣播電視大學計算機教研室 李 燕 田 潔

八位數(shù)字搶答器的設計與實現(xiàn)

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(shù)字電路為核心的八位搶答器。設定限時回答的功能，利用優(yōu)先編碼器、鎖存器、譯碼器實現(xiàn)基本搶答電路，同時以555定時器構(gòu)成秒脈沖產(chǎn)生電路，使整個搶答系統(tǒng)根據(jù)脈沖情況正確計時，并通過系統(tǒng)所帶的數(shù)碼顯示裝置正確的顯示時間。整個設計實現(xiàn)過程通過時序控制電路，充分利用了74系列集成芯片的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)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(nèi)完成搶答的識別和判斷。

數(shù)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(shù)飛速發(fā)展的過程中，現(xiàn)代數(shù)字傳輸技術(shù)領(lǐng)域扮演者越來越重要的角色，已成為發(fā)展最快、應用最廣的科學技術(shù)之一，尤其在民生、國防以及科學研究等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。究其本質(zhì)來說，數(shù)字技術(shù)基本的器件單元是數(shù)字邏輯電路器件，這些基本邏輯部件主要可依據(jù)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(xiàn)基本的數(shù)字邏輯功能。自20世紀60年代，隨著邏輯電路生產(chǎn)和封裝工藝的提高，數(shù)字邏輯電路已由初期的小規(guī)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(xiàn)階段大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路以及超特大規(guī)模集成電路已成為標準通用數(shù)字設備的主要構(gòu)成單元[1-3]。數(shù)字集成電路可依據(jù)電路屬性而分為模擬電路或數(shù)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(fā)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(shù)字信號處理器或數(shù)字集成運算核心，具有良好的獨立工作特性。當前，數(shù)字電子技術(shù)的作用和功能隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而在不斷的演化，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能互聯(lián)為新型產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟正成為國家快速發(fā)展的新動力，與此有關(guān)聯(lián)的集成電路產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展，其涉及面包括自動控制、網(wǎng)絡通信、消費電子、移動互聯(lián)等各個領(lǐng)域[4-6]。

現(xiàn)今科學技術(shù)發(fā)展迅猛，其在不同領(lǐng)域的作用越來越重要，尤其在時序控制方面發(fā)揮著關(guān)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(shù)字搶答器，采用了LED數(shù)碼管顯示，自動鎖存顯示結(jié)果，它能根據(jù)不同的搶答輸入信號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器、鎖存器、譯碼器處理并輸出信號，最后通過LED數(shù)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(shù)字電路結(jié)構(gòu)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(fā)器來實現(xiàn)；而數(shù)據(jù)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(fā)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(xù)的觸發(fā)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(tǒng)。

（2）電路的整個設計需包含顯示功能，要求觸發(fā)器被最先輸入的信號觸發(fā)后，系統(tǒng)電路通過譯碼器和編碼器芯片進行數(shù)字化的處理并輸入進數(shù)字顯示芯片，同時啟動發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)束后，仍未有輸入強大搶答信號，則系統(tǒng)電路自動關(guān)閉，系統(tǒng)再次處于主持人控制狀態(tài)，此時主持人可依據(jù)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(xiàn)

八位數(shù)字電路搶答器在功能的執(zhí)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(shù)字編碼和譯碼的方式在數(shù)碼顯示元件實時顯示。

3.1 搶答器的設計實現(xiàn)電路

圖2 八位數(shù)字搶答器的電路設計仿真圖

在數(shù)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(shù)芯片74LS192作為輸入脈沖的減法計數(shù)單元來完成脈沖的識別和判斷。系統(tǒng)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)碼顯示芯片和發(fā)光二極管，最終顯示搶答數(shù)據(jù)。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(shù)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(diào)制。在倒計時結(jié)束后，計時器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時電路系統(tǒng)回到未啟動狀態(tài)；如有選手在倒計時過程中輸入搶答信號，計時器會依據(jù)觸發(fā)器狀態(tài)而處于停止，鎖存器開始工作并關(guān)閉其他選手的搶答電路，搶答完成。在電路的執(zhí)行過程中，當選手按下按鍵，脈沖電路會依據(jù)信號傳輸給計數(shù)器，此時減法計數(shù)器開啟計數(shù)功能并通過譯碼器將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸給數(shù)碼顯示芯片，輸出一個高電平給時序控制電路，是發(fā)光二極管燈亮，完成搶答。

3.2 搶答器實現(xiàn)完成情況

在multisim中單擊運行按鈕，開關(guān)打到預置端，倒計時數(shù)碼顯示器顯示30。主持人撥動開關(guān)后，倒計時電路開始從30秒倒數(shù)，8路觸點開關(guān)處于待命狀態(tài)。若有選手按下所在開關(guān)（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(guān)被鎖定，搶答無效。如果30秒倒計時結(jié)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(guān)打到預置段，整個電路全部回到初態(tài)。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(jīng)結(jié)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(shù)據(jù)設置為設定的數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

在數(shù)字電路搶答器設計和實現(xiàn)電路中，輸入信號的觸發(fā)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(yōu)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(shù)合理的設置下進行可行性的檢測，對影響系統(tǒng)功能的電路細節(jié)分析其產(chǎn)生的原理，不斷進行電路結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)電路設計在執(zhí)行過程中可連續(xù)穩(wěn)定的工作，具有很好的可操作性。

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

[2]康華光．電子技術(shù)基礎(數(shù)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(shù)字電路[M]．第三版．北京:高等教育出版社,1999．

[5]王文峰．數(shù)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(shù)字電子技術(shù)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(shù)。