多功能8路数字抢答器的设计与仿真实现

摘 要：本文详细阐述了一种集抢答、定时、报警，数码显示、能够自锁的多功能8路数字抢答器的设计思路，并采用EDA技术进行了电路设计与仿真，仿真结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和更强的适用性，达到了预期的设计目的和要求，在实际生活中具有很强的实用性。

关键词：抢答器；编码；锁存器；译码；555秒脉冲产生电路；计数器

中图分类号：TN872

目前，形式多样的抢答器已广泛应用于知识竞赛和文娱活动等场合，为各种竞赛增添了知识性、娱乐性和刺激性。为了实现竞赛的公平公正，需要设计一种性能稳定可靠、成本低、技术先进的竞赛抢答器。传统的电子产品设计需经过方案论证、原理设计、试验验证等几个过程才能完成。即消耗财力、物力和人力，又消耗时间，影响了产品投入市场的时间。随着EDA软件的出现，人们可以利用EDA软件来设计电子产品，直接在软件中进行电路的设计并能同步的进行电路功能的仿真，大大地缩短了设计周期，节省了很多的设计费用。本设计就是借助EDA软件设计了一款8路多功能数子抢答器。系统以数字集成芯片为基础，设计思路简单，电路功能齐全，具有可靠准确的判别能力，计时精确，使用简单等特点。可满足抢答器的实际使用要求。

1 抢答器实现的功能与总体设计

1.1 基本功能

（1）主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。该设计用开关J9来实现。

（2）该抢答器同时供8名选手，各用一个抢答按钮，按钮的编号分别用8个按钮J1-J8表示，与选手的编号相对应。

（3）该抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在七段数码管上显示选手号码，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

1.2 扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人根据题目的要求可以自己设定（如20s）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行到计时显示，参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止；超过定时时间无人抢答，关闭抢答器抢答功能。

（2）倒计时提醒电路，比如倒计时设定到5S，蜂鸣器就会发生，二极管等会闪烁，提醒选手加快时间。

（3）抢答器报警电路，一旦有选手在规定的时间内抢答，蜂鸣器就会发声，提醒选手和主持人注意。如果在规定的时间内无人抢答，到时间结束也要驱动报警电路，禁止任何人抢答，蜂鸣器也会发声提示。

1.3 总体设计

根据要求设计了抢答器的总体设计结构图如图1所示，由图可知该抢答器主要有定时电路、控制电路、优先编码电路、数据锁存电路、译码显示电路、倒计时提醒电路和抢答报警电路等几个主要核心电路组成。

2 抢答器设计原理

2.1 基本抢答器电路设计

基本抢答器主要有数据锁存器74LS373、优先编码器74LS147、译码器74LS47及共阳七段数码管组成。控制电路由八输入与非门74LS30和非门74LS04六反相器及74LS32二输入或门实现，用上述器件设计成的电路原理图如2所示。

74LS373的控制端有两个，～OC为H电平，输出为高阻态，～OC为L电平，正常输出；ENG为H电平，数据由D传递到Q输出，ENG为L电平，数据锁存。本设计的数据锁存器电路，～OC为低电平，8个输入的数据，低电平有效。J9为主持人清零端，当所有选手没有抢答时，J9闭合，ENG为1，数码管显示0，实现清零功能。J9断开，一旦有选手抢答，ENG为0，数据实现锁存。74LS147为10线--4线编码器，输入输出都是低电平有效，本设计只有8个选手，因此9输入接高电平。74LS147输出也是低电平有效，经过4个非门驱动74LS47七段显示译码器，74LS47的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。因此后面一定要采用共阳极数码管显示。

2.2 定时电路设计

该部分主要由555秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192实现减法计数电路、74LS47译码电路和2个7段数码管即相关电路组成，如图3所示。555秒脉冲产生电路输出的秒信号作为74LS192输入CP，实现减法计数。节目主持人先根据抢答题的难易程度，设定一个抢答的时间，把抢答的时间通过J10闭合预置数给计数器，J10断开后，计数器开始减法计数工作，并通过74LS147和共阳段数码显示倒计时时间，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，当倒计时时间到5S时，通过两个比较器74LS85S实现5秒到计时提醒，当倒计时时间到00时，74LS192的～BO输出低电平到控制电路，定时电路报警，同时抢答器和定时器停止工作，以后选手抢答无效。

2.3 控制电路和报警电路设计

控制电路如图4所示。控制电路是抢答器设计的关键，通过控制电路的控制，可以把基本抢答器，定时电路和报警电路联系在一起，相互控制。其工作原理是：如果有人抢答，74LS30输出高电平，LED1发光，蜂鸣器发生，抢答显示灯和报警电路指示，74LS04输出低电平，通过74LS32和74LS08，ENG为0，74LS373数据锁存，74LS04输出低电平同时通过74LS11封闭74LS192的CP信号，定时器停止计时；如果在规定的时间内没有人抢答，定时器记到00时，～B0输出一个低电平，此信号通过74LS08和74LS11使74LS373的ENG为0，数据锁存，禁止抢答，同时通过74LS11封闭74LS192的CP信号，定时器停止工作。～B0输出的低电平还可以通过74LS04驱动定时电路报警，LED4发光，蜂鸣器发声。

3 整体电路仿真调试

按上述原理设计出整个电路，用Multisim10软件进行EDA仿真调试，首先让选手的1-8的按键弹起，点击仿真按钮，主持人清零开关J9和定时器开关J10同时闭合，实现对选手抢答数码管清零和对定时器数码管置数的功能，然后断开J9和J10，让选手进行抢答，通过仿真调试，该电路完全能够实现抢答器设计要求的基本功能和扩展功能。

4 结束语

本文详细介绍了多功能8路数字抢答器的设计原理，以集成芯片为核心，采用数字电路的组合逻辑和时序逻辑电路设计思路，无需编程语言，最后通过EDA软件进行了仿真调试，仿真结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和更强的适用性，达到了预期的设计目的和要求，设计思路简单，该设计的芯片比较容易购买，实用性强，适合学校、公司等部门举办竞赛类活动时候使用，在实际生活中具有很强的实用性。

参考文献：

[1]聂典，丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

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[4]孙长伟，王艳春.基于EDA技术的智能抢答器的设计[J].科技创新导报，2011（6）：168-170.

作者单位：云南广播电视大学 机械电子工程学院，昆明 650223