基于數(shù)字電路的四路搶答器優(yōu)化設計*

周　向

(武漢交通職業(yè)學院，湖北　武漢　430065)

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基于數(shù)字電路的四路搶答器優(yōu)化設計*

周向

(武漢交通職業(yè)學院，湖北武漢430065)

四路搶答器一般由門電路、觸發(fā)器、譯碼器及電子元件組成，針對目前市場上的四路搶答器價格較高、電路設計較為復雜的現(xiàn)狀，文章在數(shù)字電路的基礎上，利用觸發(fā)器和與非門之間的巧妙配合設計成四路搶答器，可提高搶答的精度，即使相差幾微秒，也能區(qū)別出搶答先后順序，且電路簡單、成本低廉,具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。

數(shù)字電路；四路搶答器；邏輯電路；優(yōu)化設計

在智力競賽和某些競技活動中通常會給選手一種用于爭搶優(yōu)先回答問題機會的設備——搶答器。人們常見到的搶答器類型多種多樣：有二路、三路、四路、八路、十路等多種。鄒顯圣運用C語言匯編程序的控制軟件，解決了搶答器存在的多按鍵同時按下后所產(chǎn)生的一系列連鎖反應問題[1]，王冬梅等人研究的基于單片機的八路搶答器利用軟件的仿真功能和系統(tǒng)實際的硬件，也實現(xiàn)了對搶答功能的完成[2]。筆者主要利用觸發(fā)器和與非門之間的巧妙配合設計成四路搶答器，把搶答器的搶答精度提高了，即使相差幾微秒，也能區(qū)別出先搶答的那組。目前市場上搶答器的價格大都在千元左右，筆者研究設計出的搶答器成本僅在數(shù)十元左右，不僅穩(wěn)定和可靠，且經(jīng)濟低廉。

1　基本功能設計

四路搶答器，顧名思義就是能夠讓四名選手同時實現(xiàn)搶答，每名選手被分配到一個搶答按鈕，其編號分別定義為 J1、J2、J3、J4。在四路搶答器中，還需有一個用于復位搶答系統(tǒng)的控制按鈕，此控制按鈕由主持人控制，用于選手搶答后對按鈕進行復位。當主持人按下此按鈕后，發(fā)光二極管燈滅，此時搶答成功選手的蜂鳴器也被復位，為下一輪的重新?lián)尨鹱龊脺蕚洹?/p>

此四路搶答器具備記憶儲存功能，當搶答開始后，如有選手按下其手上的搶答按鈕，則其余三個選手再按搶答按鈕無效，其原因在于第一個搶答選手的編號被記憶鎖存，使得其他選手的按鈕信號不能進入電路，從而實現(xiàn)了對其他選手的封鎖，直到主持人按下復位按鈕為止。四路搶答器還需具備顯示和報警功能，每次搶答開始后，第一個搶答成功的選手面前的顯示和報警功能同時啟動，即既有發(fā)光二極管的顯示搶答成功，還有報警蜂鳴器也同時響起，使得搶答成功的選手可以被第一時間區(qū)分出來。

2　總體設計方案

由圖1可看出本文設計四路搶答器的總體設計方案，下面結合方案中用到的元件具體介紹電路的原理：F1是常用的四D觸發(fā)器集成電路，里面含有四組D觸發(fā)器，可以用來構成搶答器等功能部件，四組D觸發(fā)器共用一個CP端和置零端，F(xiàn)1中四組D觸發(fā)器的公共CP脈沖由555定時器實現(xiàn)也就是圖1中的F3電路。其中發(fā)光和聲音輸出電路由F2實現(xiàn)，當新的一輪搶答開始之前，由主持人先按復位開關，將所有的開關清零，復位上輪所有的信號。此時74LS175的輸出Q1-Q4全為0，所有選手的顯示器和報警器都被復位。當選手的顯示器和報警器都被復位以后，主持人松開復位按鈕，搶答開始須等待主持人的搶答指令發(fā)出后，選手可以進行搶答，此時若有人能第一個按下按鈕，其對應的顯示燈和報警蜂鳴器都會啟動，且第一個按下的搶答按鈕可以利用與非門送出電信號從而對其余選手的搶答電路進行封鎖，阻止其余的顯示和報警蜂鳴器工作，持續(xù)時間截止到主持人按下復位按鈕。

圖1　四路搶答器的總體設計方案

3　仿真電路圖

3.1EWB軟件的介紹

EWB是Electronics Workbench的簡稱，是由加拿大公司設計推出用于對電子電路進行仿真和優(yōu)化的虛擬電子工作平臺，設計人員可以利用該軟件做各種難易程度的電子電路實驗和實際電子產(chǎn)品設計，并且很方便進行修改和優(yōu)化。

EWB具有以下幾個突出特點：(1)EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法；(2)EWB可以利用它提供的虛擬儀器，用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法；(3)當電路有問題時，EWB仿真過程中會產(chǎn)生出錯信息，并出現(xiàn)在ANALYSIS GRAPHS窗口上，用戶可從出錯信息中找到出錯原因和故障所在，再修改電路或參數(shù)，改完后再進行仿真，真到正確為止。用戶也可以在仿真的同時對電路參數(shù)進行修改，此時電路的狀態(tài)和輸出波形也會動態(tài)隨之更改。

3.2 仿真電路圖原理介紹

圖2　四路搶答器仿真電路圖

4　實際電路原理圖

4.1555電路

因為74LS175D觸發(fā)器要工作必須有CP脈沖，做成實物時采用了555定時器電路來產(chǎn)生CP脈沖，利用555定時器電路不需要外加信號就能產(chǎn)生矩形脈沖供74LS175D觸發(fā)。在制作實際的四路搶答器時，采用555定時器產(chǎn)生CP脈沖供74LS175使用，這樣用555定時器電路代替了仿真電路中的信號發(fā)生器。用555定時器構成的多諧振蕩器，復位控制端6與置位控制端2相連并連接到定時電容上，R1、R2的接點與放電端7相連，控制端CO(5)不用，外接電容后接地。

4.2 蜂鳴電路

為了更加明顯的判別在搶答的過程中到底是哪位選手先做出搶答，四路搶答器設計要求中要求用聲音信號來提示主持人。所謂的蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，蜂鳴器采用直流電壓供電，其能發(fā)出單調(diào)的或者某個固定頻率的聲音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。蜂鳴器的原理就是接入電流(交流或直流的蜂鳴器接入相應的電流電壓)，就會發(fā)出蜂鳴器自帶的聲音，一般用于提示及警示作用。此次電路設計采用蜂鳴器作為聲音提示電路，一旦選手按下開關搶答按鈕，蜂鳴器就會發(fā)出自帶聲音用來提示主持人。當主持人按下復位按鈕之后，蜂鳴器才會停止發(fā)出聲音，如圖3所示。

圖3　四路搶答器實際電路原理圖

5　與傳統(tǒng)設計方法比較的優(yōu)越性

目前所見到的傳統(tǒng)四路搶答器有以下幾種實現(xiàn)方法：FPGA現(xiàn)場可編程技術采用編程的方法實現(xiàn)搶答，是一種利用軟件實現(xiàn)的方法，優(yōu)點是避免了采用硬件電路焊接與調(diào)試，缺點是這種實現(xiàn)方法對編程的要求比較高，有人利用PLC來設計搶答器，[3]很顯然這種設計方法成本太高。還有采用與非門、D觸發(fā)器、可控硅、接觸器等電子元器件也可以實現(xiàn)這些功能，優(yōu)點是實現(xiàn)的成本比較低，缺點是實現(xiàn)的電路略顯復雜。針對以上不足，筆者借助仿真軟件EWB提出了基于數(shù)字電路的優(yōu)化設計方法。此次提出的方法優(yōu)點在于實現(xiàn)成本比較低，電路實現(xiàn)起來比較簡單，更為突出的是主持人能將最小分辨時間達到100ns(納秒)，即前后相繼的兩次搶答按鍵時間間隔只要大于100ns，該電路就能正確鎖定執(zhí)行搶答動作的按鍵編號。為了驗證這一功能，將圖中的5個按鍵開關換成了延時開關進行驗證，五個開關按照從上往下的順序我們依次命名為J1、J2、J3、J4和J5,這些開關的時間設定如表1。t1為從開始仿真到開關閉合所經(jīng)歷的時間，t2為從開始仿真到開關斷開所經(jīng)歷的時間。

表1　延時開關參數(shù)的設定時間

6　結語

筆者利用這種方法在設計和制作四路搶答器時，遇到一個問題，即利用EWB仿真軟件能夠很好地實現(xiàn)該電路的功能，但是制作成實物之后發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管能正常的發(fā)光，但是蜂鳴器不響，后來經(jīng)過檢查和思考，發(fā)現(xiàn)EWB 是一個仿真軟件，在實驗的時候是不消耗任何電壓的，而制作成實物之后每一個元器件都會有內(nèi)阻消耗一定的電壓，導致提供給蜂鳴器的電壓不足，蜂鳴器不響，解決這個問題的辦法有兩個：一是在蜂鳴器前面增加放大電路，放大電壓，提供足夠的電壓給揚聲器；二是蜂鳴器的功率可以選小一點，一定要與所提供的電壓相匹配。

建立在硬件電路邏輯和數(shù)字電路系基礎之上的四路搶答器，首先利用EWB來初步完成對設計方案的模擬運行，從而可以確定搶答器各部件相關參數(shù)的確定，最后可根據(jù)確定好的方案作出搶答器實物進行聯(lián)機調(diào)試。目前該產(chǎn)品已被制作出來，調(diào)試成功并達到預期效果。

[1]鄒顯圣.基于單片機控制的智能搶答器研究[J].電子設計工程，2011(13)：138-140.

[2]王冬梅.基于單片機的八路搶答器設計與實現(xiàn)[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2009(3)：350-352.

[3]楊俊秀，趙文來，鮑佳.基于 FPGA 的多路搶答器設計與實現(xiàn)[J].浙江理工大學學報，2010(2)：249-253.

2015-10-28

周向(1981-)，女，湖南瀏陽人，武漢交通職業(yè)學院機電工程學院講師，主要從事機電一體化技術研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.01.021

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1672-9846(2016)01-0090-03