基于数字电路的四路抢答器优化设计*

周　向

(武汉交通职业学院，湖北　武汉　430065)



基于数字电路的四路抢答器优化设计*

周向

(武汉交通职业学院，湖北武汉430065)

四路抢答器一般由门电路、触发器、译码器及电子元件组成，针对目前市场上的四路抢答器价格较高、电路设计较为复杂的现状，文章在数字电路的基础上，利用触发器和与非门之间的巧妙配合设计成四路抢答器，可提高抢答的精度，即使相差几微秒，也能区别出抢答先后顺序，且电路简单、成本低廉,具有较高的可靠性与稳定性。

数字电路；四路抢答器；逻辑电路；优化设计

在智力竞赛和某些竞技活动中通常会给选手一种用于争抢优先回答问题机会的设备——抢答器。人们常见到的抢答器类型多种多样：有二路、三路、四路、八路、十路等多种。邹显圣运用C语言汇编程序的控制软件，解决了抢答器存在的多按键同时按下后所产生的一系列连锁反应问题[1]，王冬梅等人研究的基于单片机的八路抢答器利用软件的仿真功能和系统实际的硬件，也实现了对抢答功能的完成[2]。笔者主要利用触发器和与非门之间的巧妙配合设计成四路抢答器，把抢答器的抢答精度提高了，即使相差几微秒，也能区别出先抢答的那组。目前市场上抢答器的价格大都在千元左右，笔者研究设计出的抢答器成本仅在数十元左右，不仅稳定和可靠，且经济低廉。

1　基本功能设计

四路抢答器，顾名思义就是能够让四名选手同时实现抢答，每名选手被分配到一个抢答按钮，其编号分别定义为 J1、J2、J3、J4。在四路抢答器中，还需有一个用于复位抢答系统的控制按钮，此控制按钮由主持人控制，用于选手抢答后对按钮进行复位。当主持人按下此按钮后，发光二极管灯灭，此时抢答成功选手的蜂鸣器也被复位，为下一轮的重新抢答做好准备。

此四路抢答器具备记忆储存功能，当抢答开始后，如有选手按下其手上的抢答按钮，则其余三个选手再按抢答按钮无效，其原因在于第一个抢答选手的编号被记忆锁存，使得其他选手的按钮信号不能进入电路，从而实现了对其他选手的封锁，直到主持人按下复位按钮为止。四路抢答器还需具备显示和报警功能，每次抢答开始后，第一个抢答成功的选手面前的显示和报警功能同时启动，即既有发光二极管的显示抢答成功，还有报警蜂鸣器也同时响起，使得抢答成功的选手可以被第一时间区分出来。

2　总体设计方案

由图1可看出本文设计四路抢答器的总体设计方案，下面结合方案中用到的元件具体介绍电路的原理：F1是常用的四D触发器集成电路，里面含有四组D触发器，可以用来构成抢答器等功能部件，四组D触发器共用一个CP端和置零端，F1中四组D触发器的公共CP脉冲由555定时器实现也就是图1中的F3电路。其中发光和声音输出电路由F2实现，当新的一轮抢答开始之前，由主持人先按复位开关，将所有的开关清零，复位上轮所有的信号。此时74LS175的输出Q1-Q4全为0，所有选手的显示器和报警器都被复位。当选手的显示器和报警器都被复位以后，主持人松开复位按钮，抢答开始须等待主持人的抢答指令发出后，选手可以进行抢答，此时若有人能第一个按下按钮，其对应的显示灯和报警蜂鸣器都会启动，且第一个按下的抢答按钮可以利用与非门送出电信号从而对其余选手的抢答电路进行封锁，阻止其余的显示和报警蜂鸣器工作，持续时间截止到主持人按下复位按钮。

图1　四路抢答器的总体设计方案

3　仿真电路图

3.1EWB软件的介绍

EWB是Electronics Workbench的简称，是由加拿大公司设计推出用于对电子电路进行仿真和优化的虚拟电子工作平台，设计人员可以利用该软件做各种难易程度的电子电路实验和实际电子产品设计，并且很方便进行修改和优化。

EWB具有以下几个突出特点：(1)EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法；(2)EWB可以利用它提供的虚拟仪器，用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法；(3)当电路有问题时，EWB仿真过程中会产生出错信息，并出现在ANALYSIS GRAPHS窗口上，用户可从出错信息中找到出错原因和故障所在，再修改电路或参数，改完后再进行仿真，真到正确为止。用户也可以在仿真的同时对电路参数进行修改，此时电路的状态和输出波形也会动态随之更改。

3.2 仿真电路图原理介绍

图2　四路抢答器仿真电路图

4　实际电路原理图

4.1555电路

因为74LS175D触发器要工作必须有CP脉冲，做成实物时采用了555定时器电路来产生CP脉冲，利用555定时器电路不需要外加信号就能产生矩形脉冲供74LS175D触发。在制作实际的四路抢答器时，采用555定时器产生CP脉冲供74LS175使用，这样用555定时器电路代替了仿真电路中的信号发生器。用555定时器构成的多谐振荡器，复位控制端6与置位控制端2相连并连接到定时电容上，R1、R2的接点与放电端7相连，控制端CO(5)不用，外接电容后接地。

4.2 蜂鸣电路

为了更加明显的判别在抢答的过程中到底是哪位选手先做出抢答，四路抢答器设计要求中要求用声音信号来提示主持人。所谓的蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器采用直流电压供电，其能发出单调的或者某个固定频率的声音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。蜂鸣器的原理就是接入电流(交流或直流的蜂鸣器接入相应的电流电压)，就会发出蜂鸣器自带的声音，一般用于提示及警示作用。此次电路设计采用蜂鸣器作为声音提示电路，一旦选手按下开关抢答按钮，蜂鸣器就会发出自带声音用来提示主持人。当主持人按下复位按钮之后，蜂鸣器才会停止发出声音，如图3所示。

图3　四路抢答器实际电路原理图

5　与传统设计方法比较的优越性

目前所见到的传统四路抢答器有以下几种实现方法：FPGA现场可编程技术采用编程的方法实现抢答，是一种利用软件实现的方法，优点是避免了采用硬件电路焊接与调试，缺点是这种实现方法对编程的要求比较高，有人利用PLC来设计抢答器，[3]很显然这种设计方法成本太高。还有采用与非门、D触发器、可控硅、接触器等电子元器件也可以实现这些功能，优点是实现的成本比较低，缺点是实现的电路略显复杂。针对以上不足，笔者借助仿真软件EWB提出了基于数字电路的优化设计方法。此次提出的方法优点在于实现成本比较低，电路实现起来比较简单，更为突出的是主持人能将最小分辨时间达到100ns(纳秒)，即前后相继的两次抢答按键时间间隔只要大于100ns，该电路就能正确锁定执行抢答动作的按键编号。为了验证这一功能，将图中的5个按键开关换成了延时开关进行验证，五个开关按照从上往下的顺序我们依次命名为J1、J2、J3、J4和J5,这些开关的时间设定如表1。t1为从开始仿真到开关闭合所经历的时间，t2为从开始仿真到开关断开所经历的时间。

表1　延时开关参数的设定时间

6　结语

笔者利用这种方法在设计和制作四路抢答器时，遇到一个问题，即利用EWB仿真软件能够很好地实现该电路的功能，但是制作成实物之后发现发光二极管能正常的发光，但是蜂鸣器不响，后来经过检查和思考，发现EWB 是一个仿真软件，在实验的时候是不消耗任何电压的，而制作成实物之后每一个元器件都会有内阻消耗一定的电压，导致提供给蜂鸣器的电压不足，蜂鸣器不响，解决这个问题的办法有两个：一是在蜂鸣器前面增加放大电路，放大电压，提供足够的电压给扬声器；二是蜂鸣器的功率可以选小一点，一定要与所提供的电压相匹配。

建立在硬件电路逻辑和数字电路系基础之上的四路抢答器，首先利用EWB来初步完成对设计方案的模拟运行，从而可以确定抢答器各部件相关参数的确定，最后可根据确定好的方案作出抢答器实物进行联机调试。目前该产品已被制作出来，调试成功并达到预期效果。

[1]邹显圣.基于单片机控制的智能抢答器研究[J].电子设计工程，2011(13)：138-140.

[2]王冬梅.基于单片机的八路抢答器设计与实现[J].佳木斯大学学报(自然科学版)，2009(3)：350-352.

[3]杨俊秀，赵文来，鲍佳.基于 FPGA 的多路抢答器设计与实现[J].浙江理工大学学报，2010(2)：249-253.

2015-10-28

周向(1981-)，女，湖南浏阳人，武汉交通职业学院机电工程学院讲师，主要从事机电一体化技术研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.01.021

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1672-9846(2016)01-0090-03