一、引言
工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。在我校举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。为解决这个问题，我们小组准备就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。
二、设计任务及系统功能简介
1.基本功能：
（1） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。 （2） 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
（3） 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，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG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。 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设定（如30秒）。当主持人启动\"开始\"键后，定时器进行减计时。 （2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，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。在这段（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
三、实现的原理与电路
1．数字抢答器总体方框图
如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到\"清零\"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置;开始\"状态，宣布\"开始\"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作\"清除\"和\"开始\"状态开关。
总体框图 图1 2．单元电路设计 (1) 抢答器电路
设计电路如图2所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S置于\"清除\"端时，RS触发器的 R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端）＝0，使之处于工作状态。当开关S置于\"开始\"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO(图中4端) =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝１，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为CTR＝１，使优先编码工作标志端（图中5号端）＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。
表一 定时电路
(2)
原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，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，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图4，图中电容C的放电时间和充电时间分别为 ， 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 ，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得 ，即秒脉冲。
由CH233和74LS273组成的八路数显抢答器
如图所示由CH233和74LS273组成的八路数显抢答器电路图。
抢答器的设计与制作
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。
图1.3 触发锁存电路 图1.4 编码器
(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示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数码管。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。
