74LS148的4路搶答器

　　搶答器是通過設計電路，以實現如字面上意思的能準確判斷出搶答者的電器。在知識競賽、文體娛樂活動（搶答賽活動）中，能準確、公正、直觀地判斷出搶答者的座位號。更好的促進各個團體的競爭意識，讓選手門體驗到戰場般的壓力感。

　　傳統搶答器只是大概判斷出搶答成功或犯規選手臺號，無法顯示出每個選手的搶答時間。而今搶答器可以通過數據來說明裁決結果的準確性、公平性。使比賽大大增加了娛樂性的同時，也更加公平、公正。新增無線搶答器更是搶答器史上的一大改革。

　　本文主要介紹一下基于74LS148的4路搶答器的設計詳解，一起來了解一下。

　　一、 設計任務和要求：

　　1.1、設計任務

　　設計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。 用數字顯示搶答倒計時間，由“9”倒計到“0”時，無人搶答，蜂鳴器鳴響。選手搶答時，數碼顯示選手組號，同時蜂鳴器鳴響，倒計時停止。

　　1.2、設計要求

　　1） 4名選手編號為：1，2，3，4。各有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手

　　的編號對應，也分別為1，2，3，4。

　　2） 給主持人設置一個控制按鈕，用來控制系統清零（搶答顯示數碼管滅

　　燈）和搶答的開始。

　　3） 搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答

　　按鈕，該選手編號立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號，同時揚聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。搶答器具有定時（15秒）搶答的功能。

　　4） 當主持人按下開始按鈕后，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計

　　時間，若無人搶答，倒計時結束時，揚聲器響。參賽選手在設定時間（15秒）內搶答有效，搶答成功，揚聲器響，同時定時器停止倒計時，搶答顯示器上顯示選手的編號，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統清零為止。

　　5） 如果搶答定時已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統揚聲器

　　報警，并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。 6） 用石英晶體振蕩器產生頻率為1Hz的脈沖信號，作為定時計數器的CP信號。

　　二、設計總方案

　　本設計電路主要由控制電路、脈沖產生電路、鎖存電路、編碼及譯碼顯示電路、倒計時電路和報警產生電路組成。如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到“清零”狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置;開始“狀態，宣布”開始“搶答器工作。定時器倒計時。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作”清除“和”開始“狀態開關。

　　三、電路設計計算與分析

　　3.1 搶答器控制電路設計

　　設計電路見圖2所示。電路選用優先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS279 來完成。

　　搶答器控制電路是搶答器設計的關鍵，它要完成以下三項功能：

　　1） 當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路停止工作，

　　同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數字數碼管顯示）。

　　2） 當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。

　　3）當主持人清零后，可再次進行搶答。

　　工作過程：

　　開關J5置于“清除”端時，RS觸發器的 R、S端均為0，4個觸發器輸出置0，使74LS148的優先編碼工作標志端（圖中5號端）=0，使之處于工作狀態。當開關J5斷開，J6置于“開始”時，搶答器處于等待工作狀態，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下J2），74LS148的輸出經RS鎖存后，CTR = 1，RBO（圖中4端） =1，七段顯示電路74LS48處于工作狀態，4Q3Q2Q = 010，經譯碼顯示為“2”。此外，CTR=1，使74LS148 優先編碼工作標志端（圖中2號端）=1，處于禁止狀態，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74LS148的 此時由于仍為CTR=1，使優先編碼工作標志端為1，所以74LS148仍處于禁止狀態，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優先性。如有再次搶答需由主持人將J5開關重新置“清除”然后才可能進行。

　　仿真結果

　　3.1.1、優先編碼器 74LS148

　　74LS148為8線－3線優先編碼器，表3.1.1為其真值表，下圖為其管腳圖。

　　74LS148工作原理如下：

　　該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，電路還設置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優先編碼工作狀態標志GS。當EI=0時，編碼器工作；而當EI=1時，則不論8個輸入端為何種狀態，3個輸出端均為高電平，且優先標志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來有效的情況。當EI為0，且至少有一個輸入端有編碼請求信號（邏輯0）時，優先編碼工作狀態標志GS為0。表明編碼器處于工作狀態，否則為1。

　　由功能表可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端（優先級別最低位）有低電平輸入時，A2A1A0均為111，出現了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由GS的狀態加以區別，當GS＝1時，表示8個輸入端均無低電平輸入，此時A2A1A0=111為非編碼輸出；GS＝0時，A2A1A0=111表示響應輸入0端為低電平時的輸出代碼（編碼輸出）。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時，輸出為0，它可與另一片同樣器件的EI連接，以便組成更多輸入端的優先編碼器。

　　從功能表不難看出，輸入優先級別的次為7，6，??，0。輸入有效信號為低電平，當某一輸入端有低電平輸入，且比它優先級別高的輸入端無低電平輸入時，輸出端才輸出相對應的輸入端的代碼。例如5為0。且優先級別比它高的輸入6和輸入7均為1時，輸出代碼為010，這就是優先編碼器的工作原理。

　　3.1.2 鎖存器74LS279

　　原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子為兩個，所以使用其一時，整理兩個置位輸入作為1個使用，或將另一個輸入固定為“H”使用。另外，作為稍微變化74LS279 的使用方法，也可將3組作為RS鎖存器使用，剩余的RS鎖存器作為2輸入NAND門電路使用，復位輸入例如①管腳固定為”L”時其輸入為“H”，所以可構成將②和③作為輸入，輸出為④的2輸入NAND，此變換如圖4.2.所示。

　　3.1.3 74LS121單穩態觸發器：

　　3.2 定時時間電路的設計

　　原理及設計：

　　該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS192減法計數電路、74LS48譯碼電路和1個7段數碼管即相關電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74LS192實現減法計數，通過譯碼電路74LS48顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74192的預置數控制端實現預置數，由節目主持人根據共陰極七段數碼顯示管DPY_7-SEG 上，當有人搶答時，停止計數并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時， 輸出低電平到時序控制電路，控制74LS48使0閃爍，同時以后選手搶答無效。 由555定時器產生時間基準信號秒脈沖。振蕩周期為15秒脈沖信號經兩級有預置功能的可逆十進制計數器74LS192對時鐘信號進行計數，當計數到達預置的時間，計數器產生溢出而封鎖計數脈沖，使計數器停止計數。數碼管指示時間值。

　　具體電路如下圖：

　　仿真結果

　　3.2.1 計數器74LS192

　　十進制可逆計數器74LS192（54/74194）兩個引腳圖管腳及功能表如下：74LS192是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能，其引腳排列及邏輯符號如下所示：

　　3.3 控制電路和報警電路

　　由555 芯片構成多諧振蕩電路，震蕩頻率 f=1/（R1+R2）C㏑2≈1.43/（R1+R2）C

　　555 的輸出信號再經或門控制顯示閃爍?？刂齐娐钒〞r序和報警兩個電路，如圖所示?？刂齐娐沸杈哂幸韵聨讉€功能：

　　1、主持人閉合開關，多路搶答器電路和計時電路進入正常狀態； ?

　　2、參賽者按鍵時，搶答電路和計時電路停止工作；

　　3、搶答時間到，無人搶答，0閃爍 ，搶答電路和計時電路停止工作。

　　由功能表可以看出，要使電路實現倒計時（減法）功能，應使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP?？捎肅R端接電平開關來控制計時器的工作與否。 閃爍顯示電路需要在一種情況下做出反應當裁判員給出“請回答”指令后，計時器開始倒計時，若回答問題時間到達限定的時間，揚聲器發聲及燈閃爍。

　　控制電路由兩部分組成：

　　一是由門電路組成的搶答與定時控制的時序控制電路，二是74LS121驅動報警電路的時序電路。

　　門控電路主要由或門組成，它的兩個輸入，一個來自由555 芯片構成多諧振蕩電路，另一個來自計時系統高位計數器的借位信號QB，它說明計時電路在3秒，2秒，1秒，0秒倒計時再向9秒轉化時向高位借位時給出一個負脈沖經反相器得到一個高電平。這個高電平信號或上方波信號就使顯示器閃爍。

　　集成單穩態觸發器74LS121用于控制報警電路及發聲的時間，具體原理如下：主要由555時鐘電路（用于控制報警聲音頻率）、蜂鳴器即相關的延時電路和控制電路組成。單穩態觸發器74121通過信號/Ys、BO2、S控制報警與否和報警時間，555時鐘電路產生脈沖時鐘。在規定的時間有人搶答時，/Ys由1跳變到0，74121有狀態2，即Q輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警，持續時間為 =2.15秒；如果在規定時間內無人搶答，BO2由1跳變到0，74121有狀態1。

　　Q輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警持續時間為

　　結合警電路，分析 計算如下： 。取C＝100uF， R=25K，。有＝2.15秒。

　　仿真結果

　　1、倒計時

　　2、時間到，蜂鳴器響，綠燈閃爍

　　3.3.1 振蕩電路

　　本系統需要產生頻率為500KHZ的脈沖信號，用于觸發器的CP信號，及頻率為1HZ信號用于計時電路。以上電路可用555定時器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經過分頻得到。

　　主要參數：電源電壓為4.5-18V，最大輸出電流為200mA，工作溫度范圍為-55oC-125oC。

　　3.3.2 74LS121單穩態觸發器

　　3.4 整體仿真