搶答器是通過設(shè)計(jì)電路，以實(shí)現(xiàn)如字面上意思的能準(zhǔn)確判斷出搶答者的電器。在知識(shí)競(jìng)賽、文體娛樂活動(dòng)（搶答賽活動(dòng)）中，能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出搶答者的座位號(hào)。更好的促進(jìn)各個(gè)團(tuán)體的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，讓選手門體驗(yàn)到戰(zhàn)場(chǎng)般的壓力感。

　　傳統(tǒng)搶答器只是大概判斷出搶答成功或犯規(guī)選手臺(tái)號(hào)，無法顯示出每個(gè)選手的搶答時(shí)間。而今搶答器可以通過數(shù)據(jù)來說明裁決結(jié)果的準(zhǔn)確性、公平性。使比賽大大增加了娛樂性的同時(shí)，也更加公平、公正。新增無線搶答器更是搶答器史上的一大改革。

　　本文主要介紹一下基于74LS148的4路搶答器的設(shè)計(jì)詳解，一起來了解一下。

　　一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求：

　　1.1、設(shè)計(jì)任務(wù)

　　設(shè)計(jì)一臺(tái)可供4名選手參加比賽的智力競(jìng)賽搶答器。 用數(shù)字顯示搶答倒計(jì)時(shí)間，由“9”倒計(jì)到“0”時(shí)，無人搶答，蜂鳴器鳴響。選手搶答時(shí)，數(shù)碼顯示選手組號(hào)，同時(shí)蜂鳴器鳴響，倒計(jì)時(shí)停止。

　　1.2、設(shè)計(jì)要求

　　1） 4名選手編號(hào)為：1，2，3，4。各有一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手

　　的編號(hào)對(duì)應(yīng)，也分別為1，2，3，4。

　　2） 給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅

　　燈）和搶答的開始。

　　3） 搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動(dòng)搶答

　　按鈕，該選手編號(hào)立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。搶答器具有定時(shí)（15秒）搶答的功能。

　　4） 當(dāng)主持人按下開始按鈕后，定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)

　　時(shí)間，若無人搶答，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，揚(yáng)聲器響。參賽選手在設(shè)定時(shí)間（15秒）內(nèi)搶答有效，搶答成功，揚(yáng)聲器響，同時(shí)定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)，搶答顯示器上顯示選手的編號(hào)，定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。

　　5） 如果搶答定時(shí)已到，卻沒有選手搶答時(shí)，本次搶答無效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器

　　報(bào)警，并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器顯示0。 6） 用石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)，作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的CP信號(hào)。

　　二、設(shè)計(jì)總方案

　　本設(shè)計(jì)電路主要由控制電路、脈沖產(chǎn)生電路、鎖存電路、編碼及譯碼顯示電路、倒計(jì)時(shí)電路和報(bào)警產(chǎn)生電路組成。如圖1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(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開關(guān)置;開始“狀態(tài)，宣布”開始“搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作”清除“和”開始“狀態(tài)開關(guān)。

　　三、電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

　　3.1 搶答器控制電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)電路見圖2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS279 來完成。

　　搶答器控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能：

　　1） 當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作，

　　同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼管顯示）。

　　2） 當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。

　　3）當(dāng)主持人清零后，可再次進(jìn)行搶答。

　　工作過程：

　　開關(guān)J5置于“清除”端時(shí)，RS觸發(fā)器的 R、S端均為0，4個(gè)觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）=0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)J5斷開，J6置于“開始”時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時(shí)（如按下J2），74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，CTR = 1，RBO（圖中4端） =1，七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q = 010，經(jīng)譯碼顯示為“2”。此外，CTR=1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中2號(hào)端）=1，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí)，74LS148的 此時(shí)由于仍為CTR=1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端為1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將J5開關(guān)重新置“清除”然后才可能進(jìn)行。

　　仿真結(jié)果

　　3.1.1、優(yōu)先編碼器 74LS148

　　74LS148為8線－3線優(yōu)先編碼器，表3.1.1為其真值表，下圖為其管腳圖。

　　74LS148工作原理如下：

　　該編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端。此外，電路還設(shè)置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志GS。當(dāng)EI=0時(shí)，編碼器工作；而當(dāng)EI=1時(shí)，則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài)，3個(gè)輸出端均為高電平，且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來有效的情況。當(dāng)EI為0，且至少有一個(gè)輸入端有編碼請(qǐng)求信號(hào)（邏輯0）時(shí)，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志GS為0。表明編碼器處于工作狀態(tài)，否則為1。

　　由功能表可知，在8個(gè)輸入端均無低電平輸入信號(hào)和只有輸入0端（優(yōu)先級(jí)別最低位）有低電平輸入時(shí)，A2A1A0均為111，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由GS的狀態(tài)加以區(qū)別，當(dāng)GS＝1時(shí)，表示8個(gè)輸入端均無低電平輸入，此時(shí)A2A1A0=111為非編碼輸出；GS＝0時(shí)，A2A1A0=111表示響應(yīng)輸入0端為低電平時(shí)的輸出代碼（編碼輸出）。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時(shí)，輸出為0，它可與另一片同樣器件的EI連接，以便組成更多輸入端的優(yōu)先編碼器。

　　從功能表不難看出，輸入優(yōu)先級(jí)別的次為7，6，??，0。輸入有效信號(hào)為低電平，當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級(jí)別高的輸入端無低電平輸入時(shí)，輸出端才輸出相對(duì)應(yīng)的輸入端的代碼。例如5為0。且優(yōu)先級(jí)別比它高的輸入6和輸入7均為1時(shí)，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先編碼器的工作原理。

　　3.1.2 鎖存器74LS279

　　原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子為兩個(gè)，所以使用其一時(shí)，整理兩個(gè)置位輸入作為1個(gè)使用，或?qū)⒘硪粋€(gè)輸入固定為“H”使用。另外，作為稍微變化74LS279 的使用方法，也可將3組作為RS鎖存器使用，剩余的RS鎖存器作為2輸入NAND門電路使用，復(fù)位輸入例如①管腳固定為”L”時(shí)其輸入為“H”，所以可構(gòu)成將②和③作為輸入，輸出為④的2輸入NAND，此變換如圖4.2.所示。

　　3.1.3 74LS121單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：

　　3.2 定時(shí)時(shí)間電路的設(shè)計(jì)

　　原理及設(shè)計(jì)：

　　該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和1個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)共陰極七段數(shù)碼顯示管DPY_7-SEG 上，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，控制74LS48使0閃爍，同時(shí)以后選手搶答無效。 由555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)秒脈沖。振蕩周期為15秒脈沖信號(hào)經(jīng)兩級(jí)有預(yù)置功能的可逆十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)置的時(shí)間，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出而封鎖計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。數(shù)碼管指示時(shí)間值。

　　具體電路如下圖：

　　仿真結(jié)果

　　3.2.1 計(jì)數(shù)器74LS192

　　十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS192（54/74194）兩個(gè)引腳圖管腳及功能表如下：74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：

　　3.3 控制電路和報(bào)警電路

　　由555 芯片構(gòu)成多諧振蕩電路，震蕩頻率 f=1/（R1+R2）C㏑2≈1.43/（R1+R2）C

　　555 的輸出信號(hào)再經(jīng)或門控制顯示閃爍。控制電路包括時(shí)序和報(bào)警兩個(gè)電路，如圖所示。控制電路需具有以下幾個(gè)功能：

　　1、主持人閉合開關(guān)，多路搶答器電路和計(jì)時(shí)電路進(jìn)入正常狀態(tài)； ?

　　2、參賽者按鍵時(shí)，搶答電路和計(jì)時(shí)電路停止工作；

　　3、搶答時(shí)間到，無人搶答，0閃爍 ，搶答電路和計(jì)時(shí)電路停止工作。

　　由功能表可以看出，要使電路實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)（減法）功能，應(yīng)使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。可用CR端接電平開關(guān)來控制計(jì)時(shí)器的工作與否。 閃爍顯示電路需要在一種情況下做出反應(yīng)當(dāng)裁判員給出“請(qǐng)回答”指令后，計(jì)時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，若回答問題時(shí)間到達(dá)限定的時(shí)間，揚(yáng)聲器發(fā)聲及燈閃爍。

　　控制電路由兩部分組成：

　　一是由門電路組成的搶答與定時(shí)控制的時(shí)序控制電路，二是74LS121驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路的時(shí)序電路。

　　門控電路主要由或門組成，它的兩個(gè)輸入，一個(gè)來自由555 芯片構(gòu)成多諧振蕩電路，另一個(gè)來自計(jì)時(shí)系統(tǒng)高位計(jì)數(shù)器的借位信號(hào)QB，它說明計(jì)時(shí)電路在3秒，2秒，1秒，0秒倒計(jì)時(shí)再向9秒轉(zhuǎn)化時(shí)向高位借位時(shí)給出一個(gè)負(fù)脈沖經(jīng)反相器得到一個(gè)高電平。這個(gè)高電平信號(hào)或上方波信號(hào)就使顯示器閃爍。

　　集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時(shí)間，具體原理如下：主要由555時(shí)鐘電路（用于控制報(bào)警聲音頻率）、蜂鳴器即相關(guān)的延時(shí)電路和控制電路組成。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121通過信號(hào)/Ys、BO2、S控制報(bào)警與否和報(bào)警時(shí)間，555時(shí)鐘電路產(chǎn)生脈沖時(shí)鐘。在規(guī)定的時(shí)間有人搶答時(shí)，/Ys由1跳變到0，74121有狀態(tài)2，即Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報(bào)警，持續(xù)時(shí)間為 =2.15秒；如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無人搶答，BO2由1跳變到0，74121有狀態(tài)1。

　　Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報(bào)警持續(xù)時(shí)間為

　　結(jié)合警電路，分析 計(jì)算如下： 。取C＝100uF， R=25K，。有＝2.15秒。

　　仿真結(jié)果

　　1、倒計(jì)時(shí)

　　2、時(shí)間到，蜂鳴器響，綠燈閃爍

　　3.3.1 振蕩電路

　　本系統(tǒng)需要產(chǎn)生頻率為500KHZ的脈沖信號(hào)，用于觸發(fā)器的CP信號(hào)，及頻率為1HZ信號(hào)用于計(jì)時(shí)電路。以上電路可用555定時(shí)器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經(jīng)過分頻得到。

　　主要參數(shù)：電源電壓為4.5-18V，最大輸出電流為200mA，工作溫度范圍為-55oC-125oC。

　　3.3.2 74LS121單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

　　3.4 整體仿真