基于RS觸發(fā)器的四人搶答器電路仿真設(shè)計(jì)

金靈

摘要：采用基本RS觸發(fā)器和集成塊74LS30設(shè)計(jì)四人搶答器電路，并利用multisim14.0軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。仿真運(yùn)行結(jié)果表明，該與非門(mén)RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)的電路可實(shí)現(xiàn)四人搶答器聲光控制功能、信號(hào)鎖存功能及復(fù)位功能。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單適用、穩(wěn)定可行，且成本低，適合教學(xué)中推廣使用，用以創(chuàng)新學(xué)生思維模式。

關(guān)鍵詞：74LS30;四人搶答器;multisim14.0;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）19-0239-03

1 引言

搶答器已在各種娛樂(lè)場(chǎng)合尤其是晉級(jí)節(jié)目中被廣泛使用的一種搶答設(shè)備[1]。應(yīng)用在搶答或比賽活動(dòng)中，它能快速、準(zhǔn)確地判斷出第一搶答者。為了防止主持人誤判，搶答器的設(shè)計(jì)越來(lái)越智能，如給搶答電路中加入定時(shí)功能、聲光報(bào)警功能、顯示功能和計(jì)時(shí)功能等[2]。本文為提高高職院校學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合思維能力，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)了《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的組合邏輯電路和時(shí)許邏輯電路相關(guān)知識(shí)，利用multisim14.0軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)一款基本RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的四人搶答器電路。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既能加強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)靈活應(yīng)用，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為生活中應(yīng)用的實(shí)際項(xiàng)目，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探究能力，幫助學(xué)生找到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣及成就感。

2 電路設(shè)計(jì)要求及原理分析

2.1 設(shè)計(jì)要求

要求利用基本RS觸發(fā)器及與非門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)可供四組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)有一個(gè)搶答按鈕。設(shè)有一個(gè)主持人控制的復(fù)位按鈕，用來(lái)進(jìn)行搶答電路的復(fù)位和允許搶答控制;搶答過(guò)程中若有第一搶答按下按鈕后，其他搶答信號(hào)輸入均顯示搶答無(wú)效。具體的設(shè)計(jì)要求如下：

1）復(fù)位功能。搶答開(kāi)始前，主持人對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位，此時(shí)電路進(jìn)入搶答準(zhǔn)備階段;當(dāng)搶答一輪結(jié)束時(shí)，主持人操作復(fù)位按鈕，電路進(jìn)入新一輪的搶答。

2）鎖存功能。當(dāng)主持人發(fā)布搶答命令后，在第一搶答者按下按鈕后，電路會(huì)快速做出響應(yīng);若有其他搶答者按下?lián)尨鸢粹o，電路不做出任何相應(yīng)，此時(shí)電路就自動(dòng)封鎖了其他搶答者的操作，只顯示第一搶答者的信號(hào)。

3）聲光報(bào)警功能。每組進(jìn)行搶答時(shí)，相應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮，同時(shí)伴有蜂鳴器的報(bào)警提示音，用來(lái)向主持人提示第一搶答者。

2.2 電路原理分析

根據(jù)本文四人搶答器電路的設(shè)計(jì)要求，該四人搶答器電路的組成核心是基本RS觸發(fā)器和簡(jiǎn)單的數(shù)字集成塊74LS30。與非門(mén)和或非門(mén)構(gòu)成的兩種基本RS觸發(fā)器具有置0、置1和保持功能[3][4]。圖1顯示為或非門(mén)組成的RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)圖，其邏輯功能為：1）當(dāng)R=0，S=1時(shí)，觸發(fā)器完成置1功能;2）當(dāng)R=1，S=0時(shí)，觸發(fā)器完成置0功能;3）當(dāng)R=S=0時(shí)，觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)保持功能;4）當(dāng)R=S=1時(shí)，電路處于不定功能。圖2 顯示為與非門(mén)組成的RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)圖，[R]為置0端（復(fù)位端），[S]為置1端（置位端）;[Q]和[Q]為互逆的輸出端。與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器的邏輯功能為：1）當(dāng)[R]= 0，[S]=1時(shí)，觸發(fā)器具有置0功能。當(dāng)[R]=0時(shí)，無(wú)論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為0態(tài)還是1態(tài)，與非門(mén)G2輸出為1，使[Q]=0，[Q]=1，即觸發(fā)器完成置0功能。2）當(dāng)[R]= 1，[S]=0時(shí)，觸發(fā)器具有置1功能。當(dāng)[S]=0時(shí)，無(wú)論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為0態(tài)還是1態(tài)，與非門(mén)G1輸出為1，使[Q]=1，[Q]=0，即觸發(fā)器完成置1功能。3）當(dāng)[R]=0，[S]=0時(shí)，G1、G2與非門(mén)被封鎖，使得[Q=Q=1]，邏輯上不能實(shí)現(xiàn)。4）當(dāng)[R]=1，[S]=1時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)保持功能。

本文中使用的數(shù)字集成塊74LS30為八輸入與非門(mén)，假設(shè)其輸入變量為ABCDEFGH，輸出變量為Y，則其邏輯表達(dá)式為：[Y=ABCDEFGH]。從該邏輯表達(dá)式分析其邏輯功能，只有輸入端均為高電平時(shí)，輸出端才為低電平;但凡有一個(gè)輸入端為低電平時(shí)，輸出端均為高電平。

3 電路整體設(shè)計(jì)

使用四個(gè)基本RS觸發(fā)器，其輸入端一端分別連接四個(gè)搶答按鈕，用來(lái)響應(yīng)搶答操作，觸發(fā)器的另一輸入端接入高電平信號(hào);基本RS觸發(fā)器的輸出端分別作為四個(gè)74LS30其中一路輸入端，74LS30的四路輸入信號(hào)連接開(kāi)始按鈕，當(dāng)按下開(kāi)始按鈕，74LS30的四路輸入信號(hào)即為低電平信號(hào)，此時(shí)無(wú)論其他輸入信號(hào)為高電平信號(hào)還是低電平信號(hào)，其輸出信號(hào)均為高電平信號(hào);74LS30的輸出端連接發(fā)光二極管以供相應(yīng)的搶答按鈕按下時(shí)指示燈被點(diǎn)亮;根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，該電路中接入蜂鳴器，以供相應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮?xí)r，蜂鳴器發(fā)出提示音。

該搶答電路設(shè)計(jì)過(guò)程中只有當(dāng)74LS30集成塊的八路輸入都為高電平信號(hào)時(shí)，其輸出才為低電平，即相連接的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出響聲。為實(shí)現(xiàn)搶答過(guò)程中的聲光顯示，本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)74LS30集成塊的八路輸入連接方式，每一個(gè)74LS30集成塊的輸出端作為其他三個(gè)74LS30集成塊的其中一個(gè)輸入端，例如第一組選手搶答成功時(shí)，電路對(duì)應(yīng)的74LS30輸出為低電平，電路伴有聲光顯示，而該低電平信號(hào)傳輸?shù)狡渌齻€(gè)74LS30的一路輸入端里，使得其他三個(gè)74LS30的八路輸入中至少有一路輸入為低電平，則三個(gè)74LS30輸出均為高電平，對(duì)應(yīng)的電路無(wú)聲光顯示，由此可實(shí)現(xiàn)搶答器的鎖存功能。

4 電路仿真

按照電路設(shè)計(jì)要求在multisim14.0環(huán)境下利用基本RS觸發(fā)器及集成塊74LS30搭建的四人搶答器電路如圖3、圖4所示。兩個(gè)電路中使用上拉電阻、發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)了聲光搶答的功能。上拉電阻選擇阻值為510?，蜂鳴器頻率設(shè)定為600Hz，電壓值為1V，電流值為0.05A，電源電壓值確定為5V。

4.1 與非門(mén)RS觸發(fā)器的搶答電路仿真

當(dāng)按下RUN按鈕后，可對(duì)該四人搶答器電路進(jìn)行仿真操作;主持人按下按鈕S5時(shí)，整個(gè)電路被復(fù)位，進(jìn)入待工作狀態(tài)。當(dāng)按下按鈕S3時(shí)，即U2C與非門(mén)的一個(gè)輸入信號(hào)為低電平信號(hào)，則該基本RS觸發(fā)器的輸出端為高電平信號(hào)，該高電平信號(hào)作為U4與非門(mén)的一路輸入;開(kāi)關(guān)按鈕S5未按下時(shí)，U4與非門(mén)其中的四路輸入信號(hào)均為高電平信號(hào)，剩下的三路輸入信號(hào)均為高電平信號(hào)時(shí)，該U4與非門(mén)的輸出端輸出為低電平信號(hào)，即LED3被點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出“滴”聲;而此時(shí)的U3、U5、U6的輸出端輸出高電平信號(hào)，LED1、LED2和LED4未被點(diǎn)亮，蜂鳴器不作用;當(dāng)斷開(kāi)按鈕S3后，對(duì)應(yīng)RS觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端均為高電平信號(hào)，此時(shí)該觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了保持功能，保持了原有的輸出狀態(tài)，即第三組搶答者實(shí)現(xiàn)了的優(yōu)先搶答功能。此時(shí)電路鎖存了第三組搶答者的搶答信號(hào)，當(dāng)有按鈕S1、S2、S4分別按下時(shí)，均搶答無(wú)效。

當(dāng)再次按下按鈕S5時(shí)，U3、U4、U5和U6四個(gè)與非門(mén)的輸入端中均有低電平信號(hào)，致使各與非門(mén)的輸出端均為高電平信號(hào)，則各發(fā)光二極管均未點(diǎn)亮，蜂鳴器不作用，電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，即可進(jìn)入第二輪的搶答。

4.2 或非門(mén)RS觸發(fā)器的搶答電路仿真

按照以上設(shè)計(jì)思路，搭建了或非門(mén)RS觸發(fā)器的四人搶答器電路，對(duì)該電路進(jìn)行仿真。當(dāng)按下按鈕S1時(shí)，U1B一路輸入端為低電平，U1A一路輸入為高電平，則該或非門(mén)RS觸發(fā)器的輸出端為高電平，若為低電平信號(hào)則不符合邏輯，對(duì)應(yīng)的U3輸入端被響應(yīng)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，蜂鳴器作用;當(dāng)按鈕S1斷開(kāi)后，或非門(mén)RS觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端均為高電平信號(hào)，此時(shí)觸發(fā)器輸出端為低電平信號(hào)，未能保持原有輸出的高電平信號(hào)，即不能鎖定先前搶答的狀態(tài)，所以利用或非門(mén)RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)四人搶答器電路不能實(shí)現(xiàn)鎖存功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用基本RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)了四人搶答器控制電路，兩個(gè)電路均能實(shí)現(xiàn)四人比賽搶答的功能并通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)對(duì)搶答者的聲光報(bào)警指示。對(duì)比于與非門(mén)RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)的搶答電路，或非門(mén)RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)的搶答電路不能實(shí)現(xiàn)鎖存功能。設(shè)計(jì)中采用了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路相結(jié)合的思路[5]，簡(jiǎn)化了搶答器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并利用multisim14.0軟件將硬件實(shí)現(xiàn)和虛擬仿真相結(jié)合，無(wú)須編寫(xiě)程序，提高了電路設(shè)計(jì)效率，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合開(kāi)發(fā)分析能力，以供教學(xué)環(huán)境中參考使用。

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