基于Multisim 10的16路競賽搶答器設(shè)計與仿真

摘要：應(yīng)用Multisim 10軟件對16路競賽槍答器進(jìn)行設(shè)計與仿真。該16路競賽搶答器主要由鎖存器、優(yōu)先編碼器、同步可逆計數(shù)器、加法器、比較器、555定時器、數(shù)碼管等主要元件構(gòu)成。結(jié)果表明，該方法仿真效果真實、準(zhǔn)確，設(shè)計出的16路競賽搶答器具有實用性強(qiáng)，操作簡單，成本低廉的特點。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；16路競賽搶答器；電路設(shè)計；Protel

    競賽搶答器系統(tǒng)是工廠、學(xué)校和電視臺等單位舉辦各種智力競賽等娛樂活動中經(jīng)常使用的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。目前設(shè)計搶答器的方法很多，采用EDA可以更加快速、靈活地設(shè)計出符合各種要求的搶答器。其中，周殿鳳提出的16路智力競賽搶答器設(shè)計方案中顯示器是從0～15顯示選手的編號，這不符合實際競賽使用時對選手從1～16進(jìn)行編號的習(xí)慣，不利于實際推廣使用。以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，對其核心電路進(jìn)行了改進(jìn)，并基于Multisim 10軟件平臺設(shè)計開發(fā)了16路競賽搶答器系統(tǒng)，使得顯示器上能從1～16正確顯示選手的編號。此外，還設(shè)計了搶答倒計時最后5 s報警提示電路和計分器，計分器用于各參賽選手的加分和減分。這種設(shè)計思路清晰，電路功能齊全，可滿足搶答器的實際使用要求。

1 Muitisim 10簡介
    Multisim 10是美國NI公司推出的電子線路仿真軟件的新版本。Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件以及電子與電工儀器和儀表，通過軟件將元器件和儀器集合為一體，適用于板級的模擬／數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。此外Multisim 10軟件在LabVIEW虛擬儀器、單片機(jī)仿真等技術(shù)方面都有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA技術(shù)的更高層次范疇。

2 總體設(shè)計思路
2．1 16路搶答器的功能要求
    (1)同時供16名選手參加比賽。選手的編號為1～16，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號分別用16個按鈕S1～S16表示，與選手的編號相對應(yīng)。
    (2)給主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。
    (3)搶答器具有鎖存與顯示功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答按鈕，則組別顯示電路顯示出搶答者的組別，同時蜂鳴器發(fā)出“嘀”的報警音響。此時電路具備自鎖存功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。
    (4)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定(如30 s)。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器開始減計數(shù)并顯示。參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效。如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，蜂鳴器報警并封鎖輸入電路，禁止選手超時搶答，定時顯示器上顯示“00”。
    (5)設(shè)置計分電路。每組在開始時預(yù)置分?jǐn)?shù)(如100分)，搶答開始后由主持人控制，答對加分，答錯減分。
2．2 系統(tǒng)原理框圖
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3 電路設(shè)計及仿真
    搶答器由搶答電路、定時電路、報警電路、時序控制電路和計分電路五部分組成。
3．1 搶答電路
    搶答電路的主要作用是分辨出搶答者按鍵按下的先后，鎖存并顯示搶答者的號碼，同時能使后搶答者的按鍵無效。搶答電路主要由優(yōu)先編碼器74LS148，RS鎖存器74LS279，加法器74LS283，比較器74LS85，譯碼器74LS48，集成了4個與門的74LS08，三輸入端或門(CD4075)，7段數(shù)碼管，S1～S16十六個按鈕開關(guān)組成，如圖2所示。

    工作過程為：當(dāng)主持人將開關(guān)處于“清除”位置時，RS鎖存器的端為0，5個RS鎖存器的輸出Q全部置0，使74LS48的，顯示器燈滅。與此同時優(yōu)先編碼器74LS148的選通輸入端，使之處于工作狀態(tài)，此時鎖存器不工作。當(dāng)主持人將控制開關(guān)撥向“開始”時，優(yōu)先編碼器和鎖存器同時處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端的信號輸入。對參加比賽的16名選手從1～16進(jìn)行編號，同時需要用到2個顯示器，當(dāng)選手編號大于9時高位顯示器顯示1，小于等于9時高位顯示器顯示0。預(yù)置比較器74LS85的字B為8，即輸人端B3B2B1B0為1000，當(dāng)選手編號小于等于9時，即比較器74LS85的字A小于等于8，A≤B即YA>B輸出為0；當(dāng)選手編號大于9時，即比較器74LS85的字A大于8，A>B即YA>B輸出為1，與高位顯示器數(shù)字一致，所以可以直接用74LS85的YA>B腳控制高位顯示器的A0，高位顯示器的A3，A2，A1全部置0。再引入3個與門(74LS08)和1個三輸入端或門(CD4075)，3個與門的一端置011，另一端與比較器的YA>B相連，或門的三輸入端分別與比較器的YA> B，YA-B，YA<B相連。當(dāng)選手編號大于9時，需要加7才能在顯示器上正確顯示選手的編號，如當(dāng)16號選手優(yōu)先搶答時，選手編號大于9，比較器的A3A2A1A0為1111，YA>B=1，加法器的A3A2A1A0為1111，B3B2B1B0為0111，通過加法器加0111，得到2進(jìn)制數(shù)值為“00010110”，兩個顯示器顯示為“16”，與選手實際編號一致。當(dāng)選手編號小于等于9時只用到低位顯示器，不能加7，如當(dāng)1號選手優(yōu)先搶答時，選手編號小于9，比較器的A3A2A1A0為0000，YA>B=0，YA<B=1，3個與門輸出為0，或門輸出為1，加法器的A3A2A1A0為0000，B3B2B1B0為0001，通過加法器加0001，得到二進(jìn)制數(shù)值為“00000001”，兩個顯示器顯示為“01”，與選手實際編號一致。
    當(dāng)選手按下的鍵松開后，74LS148的為高電平，但由于端維持高電平不變，所以74LS148仍然處于“禁止”工作狀態(tài)，其他按鍵的輸入信號不會被接受，這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置“清除”，使搶答電路復(fù)位，然后再進(jìn)行下一輪搶答。
3．2 定時電路
    由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。定時電路主要實現(xiàn)搶答倒計時，同時通過輸出接口與時序控制電路相接，實現(xiàn)時序控制，當(dāng)無人搶答且時間到時報警?？深A(yù)置時間的電路選用十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計，具體電路如圖3所示(電路包括555定時器，2塊74LS192計數(shù)器，2塊74LS48顯示譯碼器)。采用555設(shè)計的秒脈沖產(chǎn)生電路，555定時器接成的多諧振蕩器的振蕩頻率為：f=1／T=1／[(R1+2R2)Cln 2]。

    采用的電阻和電容值分別是：R1=82 kΩ，R2=33 kΩ，C1=10μF，滿足上式，即得到的是秒脈沖。
3．3 報警控制電路
    當(dāng)有選手搶答或者搶答時間已到，搶答電路和定時電路都要停止工作，優(yōu)先編碼器要處于禁止工作狀態(tài)，74LS148的選通輸入端=1，所以可以利用74LS148的選通輸入端來報警。為了避免因蜂鳴器分流導(dǎo)致端電壓太低而不能使優(yōu)先編碼器處于禁止工作狀態(tài)，用一個與門74LS08來控制蜂鳴器，與門的兩個輸入端分別接5 V電源和選通輸入端，輸出端接蜂鳴器，如圖4所示。

    此外還設(shè)置了最后5 s報警提示，即倒計時電路還剩最后5 s時會報警提示參賽選手離此次搶答結(jié)束還有5 s的時間。用兩個比較器74LS 85，一個比較器的輸入端A3A2A1A0加在十位計數(shù)器74LS192的Q3Q2Q1Q0上，預(yù)置十位比較器74LS85的輸入端B3B2B1B0為0000，當(dāng)Q3Q2Q1Q0= 0000時A=B，十位比較器的YA=B輸出為1；另一個比較器的輸入端A3A2A1A0加在個位計數(shù)器74LS192的Q3Q2Q1Q0上，預(yù)置個位比較器74LS85的輸入端B3B2B1B0為0101，當(dāng)Q3Q2Q1Q0=0101時A=B，個位比較器的YA=B輸出為1。兩個比較器的輸出端YA=B分別接在與門74LS08的兩個輸入端上，與門的輸出端接蜂鳴器。當(dāng)?shù)褂嫊r電路倒計到05 s時，與門的輸出端輸出為1，蜂鳴器就會報警提示。
3．4 時序控制電路
    時序控制電路如圖5所示。時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，其工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時，來自圖2中的74LS279的輸出CTR=0，經(jīng)74LS04反相輸出1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則74LS192的借位輸出端為1，74LS00與非門的輸出，使74LS148處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，CTR=1，經(jīng)74LS04反相輸出0，封鎖CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，74LS00的輸出為1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)。當(dāng)定時時間到時，則74LS192的借位輸出端為0，=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時，74LS11輸出為0，封鎖CP信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變。當(dāng)=1時就會驅(qū)動蜂鳴器報警。
3．5 計分電路
    設(shè)計一個計分器，用于各參賽選手的加分和減分，電路由十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器74LS192，7段顯示譯碼器74LS48，7段數(shù)碼管、2輸入端4與門74LS08，按鈕開關(guān)，電阻等組成(見圖6)。當(dāng)某參賽選手回答問題結(jié)束后，主持人做出正確與錯誤的判斷，并宣布所加減的分?jǐn)?shù)值，根據(jù)計分值的多少按相應(yīng)的按鍵。加分值小于10時按個位加分鍵，減分值小于10時按個位減分鍵；加分值在10～100分之間按十位加分鍵，減分值在10～100分之間按十位減分鍵；加分值在100分以上按百位加分鍵，減分值在100分以上按百位減分鍵。記分電路可實現(xiàn)自動進(jìn)位用于累加總分。按下清零按鈕，各位數(shù)值歸零。此外，電子記分電路還可單獨用于藍(lán)球、排球、乒乓球等體育比賽項目的記分器，具有廣泛推廣使用價值。

    由于開關(guān)按鈕是機(jī)械觸點，當(dāng)機(jī)械觸點斷開、閉合時，會有抖動，使開關(guān)在實際應(yīng)用中不可能像數(shù)字系統(tǒng)所期望的那樣產(chǎn)生干凈的數(shù)字信號輸出，因此可以采用防斗開關(guān)來替代按鈕開關(guān)獲取穩(wěn)定的脈沖，輸入到計數(shù)器脈沖輸入端使計數(shù)器準(zhǔn)確計數(shù)。

4 電路制作與調(diào)試
    根據(jù)需求選擇電路的設(shè)計單元進(jìn)行組合，完成系統(tǒng)的原理圖設(shè)計與PCB設(shè)計，運用Protel軟件制作PCB板，或者用面包板，按照裝配圖或原理圖進(jìn)行器件裝配，裝配好之后進(jìn)行電路的調(diào)試。

5 結(jié)語
    利用Multisim 10對16路競賽搶答器的設(shè)計進(jìn)行了仿真驗證，實驗結(jié)果證明該電路設(shè)計合理，具有比較可靠的工作方式和更強(qiáng)的適用性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的和要求。所設(shè)計的搶答器電路采用組合邏輯和時序邏輯電路設(shè)計，無需編程語言，具有電路簡單，成本低廉，操作方便，靈敏可靠，易于制作等優(yōu)點，而且在實際生活中具有很強(qiáng)的實用性。