智力竞赛用定时器

(李洪明)本文介绍一种智力竞赛用定时器，其特点是声光同时显示,定时时间长短可以设定。在定时期间，每过一段时间，将依次有一只灯泡点亮，同时扬声器响一下。该走时器共分十段时间，用十只灯泡显示。实际使用时，主持人读完一道题目，说“开始”，操作人员拨动开关，定时器即开始计时。定时完毕的最后一响，扬声器声音变调，以表示定时完毕。本装置亦可用于其它类似场合。

见图1，非门F\(_{1}\)、F2组成定时拍点脉冲振荡器，振荡周期由R\(_{2}\)、C1决定。它是一个受控振荡器，由译码器Y的输出端Q\(_{9}\)的电位高低控制。 S1为模拟开关，当Q\(_{9}\)端为高电平时，S1导通，A点接地，振荡器停振；当Q\(_{9}\)为低电平时，S1阻断，振荡器正常工作，经F\(_{3}\)、F4放大、整形后输出拍点脉冲。

D\(_{1}\)、D2、D\(_{3}\)、D4是四级D触发器，组成四位二进制计数器，对非门F\(_{4}\)输出的拍点脉冲进行计数，因为有四级触发器，故最多可计2\(^{4}\)=16个脉冲。触发器的状态由Q4、Q\(_{3}\)、Q2、Q\(_{1}\)的电位表示，分别为0000、0001、……、1111。

译码器Y的作用是检出计数器十六种状态中的前十种状态（因为定时时间只需要十段）。即当译码器Y的输入端A\(_{3}\)2\(_{1}\)0（各对应于计数器的Q\(_{4}\)、Q3、Q\(_{2}\)、Q1）分别为0000、0001、……、1001前十种状态时，译码器Y输出端Q\(_{0}\)、Q1、……Q\(_{9}\)依次出现高电平“1”，而对其它形式的输入，Q0～Q\(_{9}\)全部为低电平“0”。译码器Y的十个输出端分别推动十个指示灯电路，其中Q9还去控制拍点脉冲振荡器和音频振荡器。

音频振荡器由非门F\(_{5}\)、F6组成。它与拍点脉冲振荡器电路形式一样，只是振荡频率不同。音频振荡器的输出经BG\(_{1}\)、BG2组成的低放电路放大，推动扬声器发出声音。它也是一个受控振荡器，由定时拍点脉冲和开关K双重控制它是否起振，还由译码器Y的输出端Q\(_{9}\)控制它改变振荡频率（控制原理后面讲述）。

十个指示灯电路都是同一形式。图1中只画出一个。各个输入端分别接至译码器Y的输出Q\(_{0}\)～Q9端。当输入端为高电平时，所接晶体管（例如图中BG\(_{3}\)）导通，小灯泡ZD发光，从而指示出所代表的是那一段时间。

整个电路工作过程如下：使用时，开关K首先打在位置“1”。此时，四级D触发器的置“1”端S\(_{1}\)、S2、S\(_{3}\)、S4均为高电平，从而使计数器状态强制为“1111”，即D\(_{1}\)、D2、D\(_{3}\)、D4的Q端均输出高电平。由于译码器此时输入端A\(_{3}\)2\(_{1}\)0为“1111”，故其所有的输出端Q\(_{0}\)～Q9均为“0”，十个指示灯均不亮。受Q\(_{9}\)控制的拍点脉冲振荡器起振，但它对计数器不起作用。计数器的状态“1111”为准备定时状态。开关K还将十EC高电子加到音频振荡器中模拟开关S\(_{4}\)的控制端，使S4导通，B点接地，音频振荡器停振，故扬声器此时无声。将开关K迅速扳至位置“2”，定时开始。此时，四级D触发器的S端接地，开始正常计数。同时，音频振荡器中模拟开关S\(_{4}\)亦由于其控制端接地而阻断。所以，音频振荡器受非门F3输出的定时拍点脉冲控制，模拟开关S\(_{3}\)导通、阻断、……从而使其间歇振荡，扬声器会发出“嘟、嘟、……”声音。

因为开关K扳至位置“2”之前，计数器状态Q\(_{4}\)、Q3、Q\(_{2}\)、Q1为“1111”。所以，第一个拍点脉冲使其状态变为“0000”。此时，译码器Y的输出Q\(_{0}\)=1，其余为0，使第一个指示灯亮。对D触发器来说，是脉冲上升沿触发。即F3输出由高变低而使F\(_{4}\)输出由低变高时，使D1触发器翻转改变状态。F\(_{3}\)输出为低时，音频振荡器中模拟开关S3阻断，振荡器起振，扬声器发声，因此指示灯亮和扬声器发声是同时的。第二个拍点脉冲使计数器状态变为“0001”。此时，译码器Y的输出Q\(_{1}\)=1，其余为0，第二个指示灯亮，同时扬声器响第二下，依此类推，直至第十个拍点脉冲到来使计数器状态变为“1001”。此时，译码器Y的输出Q9=1，其余为0。Q\(_{9}\)输出的高电平一方面加至拍点脉冲振荡器中模拟开关S1的控制端，使拍点脉冲振荡器停报，从而使计数器维持在“1001”状态不再变化。另一方面，Q\(_{9}\)的高电平还加至音频振荡器中模拟开关S2的控制端，使S\(_{2}\)导通，决定音频振荡器振荡频率的电阻由R4变为R\(_{4}\)‖R5，阻值变小，振荡频率变高，所以声音变调，扬声器发出“嘀——”的长声。Q\(_{9}\)的高电平还加至第十个指示灯电路，使ZD10点亮。此时即表示定时时间已到。如再次使用，将开关K扳至位置“l”。

本装置中均采用CMOS集成块，几种片子的引脚功能如图2所示。六个非门选用一决C003（C033、C063均可）。四个D触发器选用两块C043（C013，C073亦可）。译码器Y用C271或C301、C331。模拟开关采用一块C544，用C514或C574亦可。指示灯电路如图3所示，如要求醒目，可将图3中负载换成继电器，控制功率较大的灯泡。比较好的方法是采用双向可控硅来控制大功率灯泡，电路如图4所示。

调试时，先将各模拟开关的控制端断开，此时应听到扬声器发出连续的音频振荡声音。调整R\(_{4}\)使音频振荡器振荡频率为1kHz左右，此时声音比较悦耳。然后在R4两端跨接电阻R\(_{5}\)、一般选R5=（2～4）R\(_{4}\)，使声音变调，R5的最后确定应使跨接前后扬声器声音有明显区别为准。然后调整拍点脉冲发生器的振荡频率，例如要求定时10秒，可调R\(_{2}\)使拍点脉冲周期为1秒，就达到了定时10秒的目的。 R2不同，定时时间亦不同，最好预先调整好几档，比如5秒、10秒、20秒等。用几个开关控制不同的R\(_{2}\)接入电路，以得到几种不同的定时时间，使用起来比较方便。不管定时时间是多长，扬声器始终是响十下，只不过声音长短、间隔不同。指示灯也是十只顺次交替闪亮。实际应用中，可将第十只指示灯做成与其它九只不同的颜色，以示区别。调好拍点脉冲振荡器后，再将各模拟开关的控制端按图接好，就可试用了。如发现扬声器连续作响，或第十响不变调、或在准备状态时扬声器也响，应检查对应的模拟开关工作是否正常。印刷线路板见图5。