利用數(shù)字電路觸發(fā)器制作四人智力競(jìng)賽搶答器

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

我們經(jīng)常會(huì)在電視臺(tái)播放的娛樂類節(jié)目中看到智力競(jìng)賽類節(jié)目。在這類節(jié)目中，當(dāng)節(jié)目主持人開始提問時(shí)，所有參與節(jié)目的人員都會(huì)按下自己的應(yīng)答器開關(guān)回答問題。此時(shí)，如果回答第一個(gè)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(huì)亮起。通過這種方式，主持人可以知道第一個(gè)按下應(yīng)答器開關(guān)的參與者，從而避免了兩個(gè)或多個(gè)響應(yīng)者同時(shí)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(hào)燈的指示來確定第一個(gè)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(jìng)賽搶答器，也可以稱為智力競(jìng)賽應(yīng)答電路。它屬于數(shù)字電路中的時(shí)間鑒別電路，具有有效判斷時(shí)間先后順序的功能。

為提升學(xué)生的實(shí)踐能力與邏輯思維能力，本文結(jié)合學(xué)校的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將本次實(shí)驗(yàn)定性為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱為:制作四人智力競(jìng)賽搶答器。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先讓學(xué)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(shí)向?qū)W生講明實(shí)驗(yàn)流程。本次實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生掌握的知識(shí)包括:熟悉搶答器的工作原理，了解數(shù)字電路項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)流程，以及調(diào)試與排除故障的方法。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)搶答電路時(shí)需根據(jù)搶答規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，首先需要明確電路應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)回答者按下應(yīng)答開關(guān)時(shí)，電路會(huì)快速進(jìn)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(shí)，就帶有不同的聲音來區(qū)分。同時(shí)，當(dāng)燈打開后，第一個(gè)答題者可以繼續(xù)答題而無需按下開關(guān)。并由電路自動(dòng)完成相應(yīng)操作，亮燈狀態(tài)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。此外，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)應(yīng)答燈被點(diǎn)亮后，此時(shí)如果有其他應(yīng)答者再次按下開關(guān)，電路不會(huì)做任何響應(yīng)，即其他信號(hào)燈不會(huì)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(hào)燈，并初始化電路返回原始狀態(tài)，然后進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的答題。

從上述分析的內(nèi)容來看，設(shè)計(jì)應(yīng)答電路時(shí)，必須滿足以下功能，才能確保整個(gè)答題環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。

第一，恢復(fù)功能。當(dāng)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(hào)燈，并初始化電路返回原始狀態(tài)，然后進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的答題;

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

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

2 設(shè)計(jì)理論

根據(jù)上述搶答電路設(shè)計(jì)要求可知，搶答器必須實(shí)現(xiàn)三個(gè)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(jì)電路記憶功能時(shí)，需要在電路程序中事先設(shè)定好第一個(gè)回答者的燈為持續(xù)亮起狀態(tài)，以保證當(dāng)燈打開后，第一個(gè)答題者可以繼續(xù)答題而無需按下開關(guān)。并由電路自動(dòng)完成相應(yīng)操作。而此時(shí)，其他答題者即使按下了搶答開關(guān)，電路也不會(huì)做任何響應(yīng)。以此確保第一個(gè)搶答者能夠順利地完成整個(gè)答題過程。這實(shí)現(xiàn)這一要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可使用觸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(jìn)制的形式存儲(chǔ)信息，能夠有效實(shí)現(xiàn)電路的記憶功能。在利用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)電路記憶功能、保存信號(hào)時(shí)，采用了二進(jìn)制中的0和1記憶電路的兩種邏輯狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，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(hào)，反之，→Q代表輸出端的反信號(hào)。當(dāng)Q的值為1，→Q的值為為0時(shí)，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(hào)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(hào)的影響下轉(zhuǎn)換自己的狀態(tài)。當(dāng)該信號(hào)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?！芭c”運(yùn)算屬于邏輯運(yùn)算中最基本的一種運(yùn)行方式?！芭c”運(yùn)算的基本計(jì)算原是為:只有當(dāng)完成事件的條件完全成立時(shí)，程序才會(huì)執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果;否則，程序不會(huì)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(yùn)算中的邏輯關(guān)系。首先設(shè)定完成某事件時(shí)需要A、B兩個(gè)條件，事件執(zhí)行結(jié)果設(shè)定為Y。這三者的關(guān)系表達(dá)式為AB=Y。1代表?xiàng)l件完全成立時(shí)，事件會(huì)執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果，0代表?xiàng)l件不完全成立時(shí)，事件不會(huì)執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果。當(dāng)A的值為1時(shí)，Y的值會(huì)隨B值的變化而發(fā)生改變，即B的值為0時(shí)，Y的值也為0;B的值為1時(shí)，Y的值也為1。

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

3 設(shè)計(jì)過程

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

顧名思義，四人智力競(jìng)賽搶答器中有4個(gè)搶答→開關(guān)→。上圖中的Q1－Q4分別與4個(gè)發(fā)光二級(jí)管連接;4個(gè)輸入電路與Q1－Q4連接，同時(shí)連接外接輸入的與電路信號(hào)CP(觸發(fā)器的工作脈沖輸入端);D1－D4分別與按式四鈕答個(gè)時(shí)題→蜂，之Q鳴前R D器，4將警個(gè)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(dāng)路均主狀為持態(tài)0人。為按當(dāng)1下。主開在持關(guān)正人關(guān)閉信號(hào)燈后，S處于復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)，?RD的→值為→0，Q1－Q4的值也為0，此時(shí)，所有的二級(jí)管燈都處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)Q1－Q4的值為1時(shí)，電路系統(tǒng)會(huì)打開1號(hào)、2號(hào)與電路，此時(shí)，CP接收外界工作脈沖。

當(dāng)正式進(jìn)入搶答環(huán)節(jié)時(shí)，參與答題競(jìng)賽者按下開關(guān)K，此時(shí)開關(guān)與+5V電源接通，表明整個(gè)電路處于通電狀態(tài)，電流通過觸發(fā)器，整→個(gè)電路開始工作。當(dāng)K1、D1、Q1的值都為1時(shí)，會(huì)打開相應(yīng)的發(fā)光二級(jí)管。當(dāng)Q1的值為0，1號(hào)與電路的輸出值為0，當(dāng)2號(hào)與電路的輸入值為0時(shí)，電路系統(tǒng)將屏蔽所有與2號(hào)與電路接通的脈沖信號(hào)。此時(shí)，觸發(fā)器不會(huì)響應(yīng)其它答題者按下的開關(guān)操作請(qǐng)求。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)搶答者未再次按下?lián)尨痖_關(guān)時(shí)，觸發(fā)器會(huì)執(zhí)行記憶操作，將第一個(gè)搶答者的燈保持持續(xù)亮燈狀態(tài)，燈亮同時(shí)揚(yáng)聲器響起，直到主持人進(jìn)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(jì)四人智力競(jìng)賽搶答器。從設(shè)計(jì)過程來看，采用此電路進(jìn)行設(shè)計(jì)能簡(jiǎn)化搶答器的設(shè)計(jì)過程，并且需要的其他部件也比較常見。因此，比較容易實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)。但需要注意的是，在設(shè)計(jì)時(shí)需要在整個(gè)電路系統(tǒng)中加設(shè)CP工作脈沖。另外，如果電路設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)現(xiàn)都是非常有效的，其中包括計(jì)數(shù)器、寄存器的設(shè)計(jì)等，都要通過觸發(fā)器的配合才能完成整個(gè)程序的設(shè)計(jì)。在日常工作中，運(yùn)用觸發(fā)器的實(shí)例非常的多，而對(duì)于觸發(fā)器的深入了解和引用，則要通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和探究，才能設(shè)計(jì)出符合使用需求的電路系統(tǒng)。

這次的設(shè)計(jì)給了我們一個(gè)在實(shí)踐中靈活運(yùn)用知識(shí)的機(jī)會(huì)，我們通過在實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而去書本中找相關(guān)的知識(shí)去解決問題，從而鞏固了理論知識(shí)。同時(shí)我們也體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的力量，一個(gè)團(tuán)隊(duì)要克服現(xiàn)實(shí)中的問題需要團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)隊(duì)員團(tuán)結(jié)一致，才能成功克服困難，取得最后的成功。