利用數(shù)字電路觸發(fā)器制作四人智力競賽搶答器

金 靈 金 明(寧夏工商職業(yè)技術(shù)學院電氣與控制工程學院 75000;寧夏靈武市人民檢察院 75400)

我們經(jīng)常會在電視臺播放的娛樂類節(jié)目中看到智力競賽類節(jié)目。在這類節(jié)目中，當節(jié)目主持人開始提問時，所有參與節(jié)目的人員都會按下自己的應(yīng)答器開關(guān)回答問題。此時，如果回答第一個答案的應(yīng)答者按下應(yīng)答開關(guān)，相應(yīng)的應(yīng)答燈將亮起，而其余的應(yīng)答者，無論按鈕如何按下，相應(yīng)的應(yīng)答燈都不會亮起。通過這種方式，主持人可以知道第一個按下應(yīng)答器開關(guān)的參與者，從而避免了兩個或多個響應(yīng)者同時出現(xiàn)的現(xiàn)象。通過這樣的程序設(shè)置，應(yīng)答者可以順利地回答問題，并且主持人可以通過信號燈的指示來確定第一個按下應(yīng)答器開關(guān)的參與者。這種具有判斷選擇功能的設(shè)備通常稱為智力競賽搶答器，也可以稱為智力競賽應(yīng)答電路。它屬于數(shù)字電路中的時間鑒別電路，具有有效判斷時間先后順序的功能。

為提升學生的實踐能力與邏輯思維能力，本文結(jié)合學校的教學與實驗環(huán)境，將本次實驗定性為一個綜合性實驗，實驗項目名稱為:制作四人智力競賽搶答器。在實驗時，首先讓學生分析搶答器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，然后在此基礎(chǔ)上搭建綜合電路。同時向?qū)W生講明實驗流程。本次實驗需要學生掌握的知識包括:熟悉搶答器的工作原理，了解數(shù)字電路項目實驗流程，以及調(diào)試與排除故障的方法。

1 設(shè)計要求

設(shè)計搶答電路時需根據(jù)搶答規(guī)則進行設(shè)計，因此，首先需要明確電路應(yīng)當實現(xiàn)的功能。當?shù)谝粋€回答者按下應(yīng)答開關(guān)時，電路會快速進行響應(yīng)，相應(yīng)的燈將亮起，在此基礎(chǔ)上，我們加以創(chuàng)新，相應(yīng)的燈亮起時，就帶有不同的聲音來區(qū)分。同時，當燈打開后，第一個答題者可以繼續(xù)答題而無需按下開關(guān)。并由電路自動完成相應(yīng)操作，亮燈狀態(tài)會持續(xù)一段時間。此外，當?shù)谝粋€應(yīng)答燈被點亮后，此時如果有其他應(yīng)答者再次按下開關(guān)，電路不會做任何響應(yīng)，即其他信號燈不會亮起。直到完成這一輪回答后，在主持人的操作下，可以關(guān)閉發(fā)光信號燈，并初始化電路返回原始狀態(tài)，然后進入下一環(huán)節(jié)的答題。

從上述分析的內(nèi)容來看，設(shè)計應(yīng)答電路時，必須滿足以下功能，才能確保整個答題環(huán)節(jié)的順利進行。

第一，恢復(fù)功能。當完成第一輪回答后，在主持人的操作下，可以關(guān)閉發(fā)光信號燈，并初始化電路返回原始狀態(tài)，然后進入下一環(huán)節(jié)的答題;

第二，屏蔽功能。當?shù)谝粋€回答者按下應(yīng)答開關(guān)時，電路會快速進行響應(yīng)，相應(yīng)的燈將亮起。此時如果有其他應(yīng)答者再次按下開關(guān)，電路不會做任何響應(yīng)，即其他信號燈不會亮起。

第三，記憶功能。當?shù)谝粋€回答者按下應(yīng)答開關(guān)時，電路可保存其信息，在電路程序中事先設(shè)定好第一個回答者的燈為持續(xù)亮起狀態(tài)，以保證當燈打開后，第一個答題者可以繼續(xù)答題而無需按下開關(guān)。并由電路自動完成相應(yīng)操作。而此時，其他答題者即使按下了搶答開關(guān)，電路也不會做任何響應(yīng)。以此確保第一個搶答者能夠順利地完成整個答題過程。

2 設(shè)計理論

根據(jù)上述搶答電路設(shè)計要求可知，搶答器必須實現(xiàn)三個功能，即恢復(fù)功能、屏蔽功能、記憶功能。而在這三種功能中，記憶功能是最重要的功能。在設(shè)計電路記憶功能時，需要在電路程序中事先設(shè)定好第一個回答者的燈為持續(xù)亮起狀態(tài)，以保證當燈打開后，第一個答題者可以繼續(xù)答題而無需按下開關(guān)。并由電路自動完成相應(yīng)操作。而此時，其他答題者即使按下了搶答開關(guān)，電路也不會做任何響應(yīng)。以此確保第一個搶答者能夠順利地完成整個答題過程。這實現(xiàn)這一要求，在設(shè)計電路時，可使用觸發(fā)器進行設(shè)計。

2．1觸發(fā)器的選用。觸發(fā)器屬于數(shù)字電路中最基本的邏輯器，它采用二進制的形式存儲信息，能夠有效實現(xiàn)電路的記憶功能。在利用觸發(fā)器實現(xiàn)電路記憶功能、保存信號時，采用了二進制中的0和1記憶電路的兩種邏輯狀態(tài)。在實際設(shè)計電路時，分別用1和0代表高電壓與低電壓。即1代表通電、0代表未通電。換言之，觸發(fā)器的作用就是保存或不保存電能。通常情況下，可利用輸出端輸出的表示觸發(fā)器的狀態(tài)。本文采用變量Q代表輸出端輸出的正信號，反之，→Q代表輸出端的反信號。當Q的值為1，→Q的值為為0時，表示電路處于通電狀態(tài);反之，則表示電路未通電。

觸發(fā)器的狀態(tài)可根據(jù)輸入端輸入的信號狀態(tài)分別設(shè)置為1或者0。換言之，觸發(fā)器可以外界信號的影響下轉(zhuǎn)換自己的狀態(tài)。當該信號消失后，觸發(fā)器仍然能夠保存最新的狀態(tài)，并由輸出端持續(xù)輸出高、低電壓。

2．2與電路。“與”運算屬于邏輯運算中最基本的一種運行方式。“與”運算的基本計算原是為:只有當完成事件的條件完全成立時，程序才會執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果;否則，程序不會執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果。本文采用邏輯函數(shù)的執(zhí)行原理分析“與”運算中的邏輯關(guān)系。首先設(shè)定完成某事件時需要A、B兩個條件，事件執(zhí)行結(jié)果設(shè)定為Y。這三者的關(guān)系表達式為AB=Y。1代表條件完全成立時，事件會執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果，0代表條件不完全成立時，事件不會執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果。當A的值為1時，Y的值會隨B值的變化而發(fā)生改變，即B的值為0時，Y的值也為0;B的值為1時，Y的值也為1。

但當A的值為0時，Y的值不會隨B值的變化而發(fā)生改變，即A的值為0時，Y與B不存在任何邏輯關(guān)系。由此可知，當有多個條件存在時，只要其中一個條件為0，事件執(zhí)行結(jié)果都為0。

3 設(shè)計過程

下圖所示為采用了集成D觸發(fā)器74LS175設(shè)計的四人智力競賽搶答器的電路設(shè)計示意圖。

顧名思義，四人智力競賽搶答器中有4個搶答→開關(guān)→。上圖中的Q1－Q4分別與4個發(fā)光二級管連接;4個輸入電路與Q1－Q4連接，同時連接外接輸入的與電路信號CP(觸發(fā)器的工作脈沖輸入端);D1－D4分別與按式四鈕答個時題→蜂，之Q鳴前R D器，4將警個接告搶通連答接+開5一V關(guān)起電處的源于;，接S表為地示主狀電態(tài)持路→，人接Q開1通－→關(guān)電Q按4源的鈕，電，值當路均主狀為持態(tài)0人。為按當1下。主開在持關(guān)正人關(guān)閉信號燈后，S處于復(fù)位狀態(tài)。此時，?RD的→值為→0，Q1－Q4的值也為0，此時，所有的二級管燈都處于關(guān)閉狀態(tài)。當Q1－Q4的值為1時，電路系統(tǒng)會打開1號、2號與電路，此時，CP接收外界工作脈沖。

當正式進入搶答環(huán)節(jié)時，參與答題競賽者按下開關(guān)K，此時開關(guān)與+5V電源接通，表明整個電路處于通電狀態(tài)，電流通過觸發(fā)器，整→個電路開始工作。當K1、D1、Q1的值都為1時，會打開相應(yīng)的發(fā)光二級管。當Q1的值為0，1號與電路的輸出值為0，當2號與電路的輸入值為0時，電路系統(tǒng)將屏蔽所有與2號與電路接通的脈沖信號。此時，觸發(fā)器不會響應(yīng)其它答題者按下的開關(guān)操作請求。當?shù)谝粋€搶答者未再次按下?lián)尨痖_關(guān)時，觸發(fā)器會執(zhí)行記憶操作，將第一個搶答者的燈保持持續(xù)亮燈狀態(tài)，燈亮同時揚聲器響起，直到主持人進行復(fù)位操作，即電路系統(tǒng)執(zhí)行初始化電路操作。

4 結(jié)語

本文采用了集成D觸發(fā)器74LS175設(shè)計四人智力競賽搶答器。從設(shè)計過程來看，采用此電路進行設(shè)計能簡化搶答器的設(shè)計過程，并且需要的其他部件也比較常見。因此，比較容易實現(xiàn)整個設(shè)計。但需要注意的是，在設(shè)計時需要在整個電路系統(tǒng)中加設(shè)CP工作脈沖。另外，如果電路設(shè)計對記憶單元提出了要求，通過不同類型的觸發(fā)器，促使記憶功能的實現(xiàn)都是非常有效的，其中包括計數(shù)器、寄存器的設(shè)計等，都要通過觸發(fā)器的配合才能完成整個程序的設(shè)計。在日常工作中，運用觸發(fā)器的實例非常的多，而對于觸發(fā)器的深入了解和引用，則要通過進一步的設(shè)計和探究，才能設(shè)計出符合使用需求的電路系統(tǒng)。

這次的設(shè)計給了我們一個在實踐中靈活運用知識的機會，我們通過在實踐發(fā)現(xiàn)問題，進而去書本中找相關(guān)的知識去解決問題，從而鞏固了理論知識。同時我們也體會到團隊的力量，一個團隊要克服現(xiàn)實中的問題需要團隊的每一個隊員團結(jié)一致，才能成功克服困難，取得最后的成功。