抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

从有利于学习的角度考虑，这里主要介绍以中小规模集成电路和ＰＬＤ器件设计抢答器的方法。

1 抢答器的基本组成及工作原理

    1.1 抢答器的组成

抢答器的一般构成框图如图1.1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、7段显示器几部分组成。下面逐一给予介绍。

      图1.1 抢答器的组成框图

（１）开关阵列电路

该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。

（２）触发锁存电路

当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

（３）编码器

编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。

（４）７段显示译码器

译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

（５）数码显示器

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。本设计提供的为LED数码管。

 

1.2 抢答器的工作原理

(1)开关阵列电路

    图1.2所示为８路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。电路中，Ｒ₁～Ｒ₈为上拉和限流电阻。当任一开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。

图1.2 开关阵列电路

(2)触发锁存电路

    图1.3 触发锁存电路 
图1.3所示为８路触发锁存电路。图中，74HC373为8D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经８输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。 
    也可以采用ＪＫ触发器来实现触发锁存电路的功能，具体实现方法请自己考虑。
    (3)编码器
    如图1.4所示，74HC147H为１０－４线优先（高位优先）编码器，当任意输入为低电平时，输出为相应的输入编号的8421码（BCD码）的反码。 (4)译码驱动及显示单元
    编码器实现了对开关信号的编码并以ＢＣＤ码的形式输出。为了将编码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显器件所需要的输出逻辑和一定的电流。一般这种译码通常称为７段译码显示驱动器。常用的７段译码显示驱动器有ＣＤ４５１１等。　
    数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。大多情况下使用的是ＬＥＤ码管。平时使用较多的ＬＥＤ数码有单字和双字之分。
    ＬＥＤ数码管尺寸有大有小，一般小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为３Ｖ左右）。

    (5)解锁电路
    当触发锁存电路被触发锁存后，若要进行一下轮的重新抢答，则需将锁存器解锁。可将使能端强迫置１或置０（根据具体情况而定），使锁存顺处于等待歉收状态即可。具体实现方法请读者考虑。

 
2 抢答器的设计与制作

例:试用中小规模集成电路设计并制作一抢答器，指标要求如下：

(1)８路开关输入；

(2)稳定显示与输入开关编号相对应的数字１～８；

(3)输出具有唯一性和时序第一特征。

 

设计与制作步骤如下：

(1)根据要求，选择抢答器电路设计方案，如图ＸＸＸ所示。

(2)电路设计及元器件选择

①     开关阵列电路：选择图ＸＲＸＸ所示的８路开关阵列电路，由于本电路均采用ＣＭＯＳ集成电路组成，故上拉电阻Ｒ₁～Ｒ₈可取１ＭΩ。

②     触发锁存电路：选择图ＸＸＸ所示８路触发锁存电路。电路中，选８Ｄ锁存器为７４ＨＣ３７３，８输入与非门为７４ＨＣ３０。

也可以选用４片双ＪＫ触发器来实现触发锁存电路的功能，具体实现方法请读者考虑。

③     编码器：选图ＸＸＸ所示７４ＨＣ１４７１０－４线优先（高位优先）编码器。当任意输入应接高电平。

④     译码驱动及显示单元电路：选择ＣＤ４５１１作为显示译码电路。选择ＬＥＤ数码管作为显示单元电路。

⑤     解锁电路：选择７４ＨＣ３２或门构成解锁电路。将解锁开关信号与锁存器反馈信号相或后再加到锁存器的使能输入端，当解锁开关信号为１时，可将使能端强迫置１，使锁存器重新处于等待接收状态。

⑥     抢答器总体电路：根据上述设计，可画出抢答器总体电路。

(3)根据上述设计思路，可画出实际电路图（或直接画仿真电路图，自行画出）。

(4)电路仿真调试　在完成电路的初步设计后，再对电路进行仿真仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。

(5)ＰＣＢ图设计与生成　

⑦     由仿真电路直接生成网络表；

⑧     调用Ｐｒｏｔｅｌ－ＰＣＢ，并进行元器件合理布局；

⑨     调用网络表，并自动布线；

⑩     ＰＣＢ图的人工调整及打印输出。

ＰＣＢ板一般由生产厂商根据图纸进行生产，电路设计者无须介入。

(6)电路焊接与装配

⑪     元器件老化与抽样检测；

⑫     元器件预处理；

⑬     基于ＰＣＢ板的元器件焊接与电路装配。

(7)实际电路测试与改进　选择测量仪表与仪器，对电路进行实际测量与调试，调整电路参数，并解决存在的问题或电路故障等。

 

 

3 抢答器的设计与制作任务书

课题１　试用中小规模集成电路设计并制作一抢答器

要求如下：

（１）               设计指标

①     １６路开关输入；

②     稳定显示与输入开关编号相对应的数字０１～１６；

③     输出具有唯一性和时序第一的特征。

（２）               设计要求

①     画出电路原理图（或仿真电路图）；

②     元器件及参数选择；

③     电路仿真与调试；

④     ＰＣＢ文件生成与打印输出。

（３）制作要求　　自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

（４）编写设计报告　写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

（５）答辩　在规定的时间内，完成叙述并回答提问。

 

 

课题２　试用ＣＰＬＤ器件设计并制作一抢答器

　要求如下：

（１）               设计指标

①     ８路开关输入；

②     稳定显示与输入开关编号相对应的数字１～８；

③     输出具有唯一性和时序第一的特征。

（２）               设计要求

①     画出电路原理图（或或仿真电路图）；

②     元器件及参数选择；

③     电路仿真与调试；

④     ＰＣＢ文件生成与打印输出。

（３）               制作要求　自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

（４）               编写设计报告　写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

（５）               答辩　在规定的时间内，完成叙述并回答提问。