基于74LS175 的四人搶答器設計仿真

李唐

（南京工業職業技術大學工程技術實訓中心，江蘇南京 210023）

在各類競賽中經常會用到搶答器裝置。采用觸發器構成的搶答器，其實是數字電路知識的典型應用。觸發器是數字電路中的基本邏輯記憶單元，具有兩個穩定狀態，分別來表示邏輯狀態“0”和“l”。在電路中它具有記憶信號的功能，是構成各種時序電路的最基本邏輯單元。本文通過分析四人搶答器功能需求，設計基于D 觸發器的電路，以掌握觸發器和555 定時器綜合應用的能力。

1 功能要求

設計電路需要先分析電路功能需求。該電路具有如下三個功能：

功能一：電路能夠“記憶”第一個被按下的開關信號，同時答題者只需電動開關，無需長按開關，該開關對應的指示燈能夠保持長亮。功能二：屏蔽功能。一旦有搶答開關被按下，對應的指示燈保持常亮，后面的開關信號不起作用，即電路能夠屏蔽掉后面其他的開關信號，對應的指示燈也不會再亮。功能三：復位功能。一次搶答之后，可以通過復位開關使電路恢復到初始狀態，重新進行下一次搶答。

2 具體設計

搶答器由主持人控制開關K，搶答開關K1-K4，控制電路，555 多諧振蕩電路等模塊組成。如圖1 所示。

圖1 總體模塊圖

2.1 控制電路設計

根據功能要求，搶答器電路最主要需要實現的功能是“記憶功能”。一方面，該記憶信號可以使搶答開關對應的指示燈長亮；另一方面，該信號可以屏蔽落后的其他答題者的開關信號[1]。因此，可以通過選用“觸發器”來實現記憶的功能。這里選用74LS175 作為控制電路主芯片。為實現“屏蔽功能”，要選擇“與”門來構成屏蔽的電路[2]。“與”運算是邏輯運算中的一種基本邏輯關系，它的邏輯描述是：當完成某一個事件的所有的條件都滿足時，結果才會發生。也就是說，只要所有的條件中有一個不滿足，結果就不會發生。

設計控制電路如圖2 所示。

圖2 控制電路

圖中芯片為四上升沿D 觸發器74LS175；KI，K2，K3，K4 為搶答開關；Q1～Q4 分別接4 個LED 發光二極管。Q1～Q4接入四輸入與非門74LS20，其輸出取非后，與外接CP 信號同時作為二輸入與門74LS00 的輸入信號，二輸入與門的輸出接入74LS175的工作脈沖輸入端CP。S 為復位開關。S 未按下時，RD為高電平，為無效信號。

在進行搶答之前，Kl～K4 搶答開關全部接地(低電壓)，此時Q1～Q4=0 (低電壓)，燈不亮。此時Q1～Q4為1，經74LS20 和74LS00 與非后為1，工作脈沖輸入端CP 能夠接收到外接工作脈沖。

當主持人按下復位鍵，同時宣布搶答開始后。一旦有開關按下，例如，假設K1 開關被按下，則輸入端的D1=1(為高電平)，使得對于的Q1=l，即輸出高電平，相應回路的發光二極管LED正向導通被點亮。同時，Q1=0，經2 個與非門后為0，此時74LS175 的CP 端輸入信號恒等于0，相當于外接的脈沖信號不起作用（被屏蔽），74LS175 屬于邊沿觸發器，一旦失去工作脈沖，即沒有了上升沿或下降沿，其它的開關信號就無效，不會被觸發器接受[4]。第一個搶答者無需一直按住開關，放開K1 開關后，由于觸發器具有記憶功能，D1 觸發器也會保持信號輸出不變，其對應的燈也會長亮并且屏蔽信號依然存在[5]。

主持人按下S，RD為低電平，清除電路原有狀態。

2.2 時鐘電路設計

電路中的工作脈沖CP 是控制電路工作的關鍵，這里選用555 定時器構成的多諧振蕩器實現。多諧振蕩器是利用電容的充放電原理，使輸出相互交替的兩個暫穩態，即產生自激振蕩，從而產生周期和占空比可調的矩形脈沖信號。他的特點1 是無需輸入信號，2 是無穩定狀態，只有兩個暫穩態。搭建電路如圖3所示。

圖3 脈沖電路

3 電路仿真

為驗證電路是否可以實現搶答功能，我們用Multisim 軟件進行電路仿真。電路電源Vcc 為10V，R1-R5 為1kΩ，LED1-LED4 二極管導通電流設置為2mA；R6,R8 為1kΩ，電位器R7 為5k 歐姆，充放電電容為2.2uf。通過仿真，按下K3 開關，LED3 一直常亮，直至按下復位鍵S，電路恢復正常。經多次演示，電路可以實現功能，如圖5 所示。

圖4 四人搶答器電路原理

圖5 四人搶答器仿真電路

根據仿真結果，在面包板搭建實際電路如圖6 所示，上電后，首先通過示波器測量555 搭建的多穩態電路輸出工作脈沖周期T 約為0.01s，與仿真結果一致。然后通過左邊的的四個按鍵可以實現搶答，對應的紅色指示燈常亮；一旦有某一按鍵按下，其余按鍵不再起作用，直至按下下方的復位按鍵，電路所有狀態清零，可以重新進行搶答。

圖6 四人搶答器實物

4 結論

本人設計了一種四人搶答器，控制電路部分采用D 觸發器實現，工作脈沖由555 定時器構成的可調節占空比的多穩態電路構成。最后通過Multisim 軟件對電路進行了仿真驗證，該電路能夠實現搶答功能，電路簡單可靠。