多路智力竞赛抢答器

实验二十六　多路智力竞赛抢答器

一、实验目的

1．进一步掌握优先编码器的工作原理。

2．进一步掌握译码显示的原理。

3．熟悉多路抢答器的工作原理。

4．了解简单数字系统实验的调试及故障排除的方法。

二、实验原理

本实验要实现的多路智力竞赛抢答器的功能是：

（1）同时可供多人参加比赛，从0开始给他们编号，各用一个抢答按钮，第一个按下抢答器的参赛者数码管显示对应的数字并报警。

（2）给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。

（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按下抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示该选手的编号，同时扬声器给出声响提示。此外，还要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

一般来说，多路智力竞赛抢答器的的组成框图如图6－128所示。

图6－128　多路智力竞赛抢答器的的组成框图

其工作过程是：接通电源后，节目主持人将开关置于清除位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，当节目主持人宣布抢答开始并将开关置于开始位置，抢答器处于工作状态，当选手按键抢答时，优先编码器立即分辨出抢答器的编号，并由锁存器锁存，然后由编码显示电路显示编号，同时，控制电路对输入编码进行封锁，避免其他选手再次进行抢答。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。

1．抢答电路

抢答电路的功能主要有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。其工作框图为如图6－129所示。

图6－129　抢答电路示意图

当处于工作状态时，有选手抢答后，按键信号送至优先编码器，经优先编码后再送至锁存器锁存，然后将锁存的信号送到译码显示电路显示，同时，控制电路将送一个信号到优先编码器使它停止工作。其抢答电路图如图6－130所示。

图6－130　抢答电路图

2．控制电路

控制电路的作用是当主持人控制开关（按键开关）按下时，则使优先编码器处于工作状态，同时译码电路处于消隐状态，即不显示任何数字。此时整个系统处于等待工作状态。当有选手抢答后（按下对应的按键开关），一方面要显示该选手的编号，同时还要给一个信号使得优先编码器处于禁止工作状态，封锁其他选手可能的抢答。当主持人再次按下主持人控制开关（按键开关）时，系统又重新回到等待工作状态，以便进行下一轮抢答。其具体电路图如图6－131所示。

图6－131　控制电路图

它的工作过程是这样的：当主持人按下复位开关S401后，D触发器的置位端使其置1，则它的反端即为0，这时优先编码器的控制端EI为低电平，即打开控制端，处于等待工作状态。同时译码器的消隐输入端也为低电平，不显示任何数据。当有选手按下抢答键后，优先编码器的EO端立即由低电平变成高电平，在上升沿脉冲的作用下，D触发器发生翻转，反端输出变成1，优先编码器的EI端为高电平，封锁其他的抢答输入。同时译码器的消隐输入端变为1，显示通过锁存器的抢答输入编号。这个号码一直等到主持人按下复位开关后才消失，否则始终显示，其他的抢答输入无效。

3．报警电路

报警电路的主要作用是提示主持人，有选手抢答。报警电路主要由单稳态触发器74121及其一些外围电路组成。它的工作原理是当没有选手抢答时，单稳态触发器74121的A₁端为高电平，此时74121保持稳态，即输出端Q为低电平，与门关闭，报警音不能通过，则没有声响。当有选手抢答时，单稳态触发器74121的A₁端输入一个下降沿脉冲，此时74121处于下降沿触发状态，输出端Q出现一个高电平脉冲，持续时间由它所接的外围电路决定，高电平脉冲使与门短暂导通，此时扬声器将发出1kHz的报警音，提示有选手抢答。使用单稳态触发器的主要目的是控制报警的时间，图6－132是报警电路的具体电路图。

图6－132　报警电路

三、实验设备与器材

1．脉冲源（可以使用外接信号源，也可以使用实验箱所带信号源）。

2．数字逻辑电路实验箱。

3．数字万用表等实验室常备工具。

4．74LS148、74LS279、74LS48、74LS74、74LS121、74LS08、74LS04芯片、10kΩ、82kΩ、100Ω电阻，10μF电解电容。

四、实验内容

1．测试各触发器，优先编码器和七段译码器的逻辑功能。

2．根据实验指导书将抢答电路、控制电路和报警电路三个部分在数字逻辑电路实验箱的IC插座模块中选择合适的插座搭建电路，并完成三个部分的连接，得到一个完整的抢答器电路，画出详细的电路原理图。

3．调试搭建好的电路，直至正常工作。

4．根据实验步骤完成实验，并用万用表测试EI，EO，RI／RBO等管脚电压变化情况。

五、实验步骤

注意：由于所有电路由实验者自行搭建完成，所以注意充分合理的利用实验箱的硬件和信号资源。

1．画出详细的电路原理图，然后分三个部分搭建电路。逐一进行调试。

2．将功能正常的三个部分进行连接，进行综合调试。调试过程中注意将对应输入、输出接口做下标记空出。

3．将八路抢答输入（0～7）分别对应接八个按键开关的输出孔（不妨定义为KKK₁～KKK₈），“告警输出”接扬声器的输入端SPC₂孔，将“告警音”接信号源单元的1kHz信号输出。

4．按下K101、K102和K201，将实验箱和信号源单元上电。

5．按“主持人控制开关”复位，译码显示电路将处于消隐状态。此时抢答器就进入抢答阶段。

6．按下八个按键开关中的任意一个，就将显示所对应的号码，同时扬声器发出短暂的报警音。而其他的抢答输入无效，即按其他任意一个按键时都不会改变显示的值，也不会报警。

7．“主持人控制开关”复位，译码显示电路处于消隐状态，清除上次显示的数据，数码管不显示任何数据，同时抢答器处于抢答输入阶段。重复上述过程，进行下一轮抢答。

六、实验预习要求

1．绘出各部分的详细电路图及实验的总原理图。

2．复习优先编码器，锁存器和七段译码器的的原理。

3．仔细阅读实验指导书，找出不懂的地方。

七、实验报告及思考

1．绘出详细的实验线路图，分析、总结实验结果。

2．总结数字系统的设计、调试方法。

3．分析实验中出现的故障及解决办法。

4．思考：若要在电路中加一个计时功能，要求计时电路显示时间精确到秒，最多限制为2分钟，一旦超出计时则取消抢答权，电路应该如何改进？

5．思考：在数字抢答器中，如何将序号为0的组号，在七段数码管上显示8？

6．思考：在调试过程中出现了那些问题？为什么会这样？总结原因与经验。

此实验主要培养学生的动手能力，所有电路需要自己搭建，除开本实验箱提供的线外，需要自配连线。