六路競賽用智力搶答器的設計

德州學院物理系 王 靜

在智力競賽活動中經常要用到搶答器。一般的設計任務是：幾組參賽選手、主持人各有一個按鈕。在主持人宣布可以搶答后，若某一參賽者的手指先觸及搶答按鈕，該選手對應的指示燈亮，同時蜂鳴器響。主持人可用清零按鈕將搶答結果變為0狀態，直至再次有人使用搶答按鈕為止。一般大都采用D觸發器來實現，有些也用鎖存器實現。但是在設計上或多或少都存在一些缺陷。

1.問題的提出

目前，常見的搶答器設計方案主要有以下幾種：用基本邏輯門設計的，用D觸發器設計的和用D鎖存器設計。

圖1 基本邏輯電路

圖1所示為基本邏輯門搶答器電路。搶答開始前，Gl、G2、G3、G4四個與非門輸出l，經過G5、G6、G7、G8四個反相器輸出0，所以L1、L2、L3、L4四個小燈不亮。開始搶答，若K1先按下，則G1的四個輸人信號全為l，所以G1輸出0，經過G5反相器后輸出1，L1燈亮。同時，G1的輸出信號0送到G2、G3、G4的輸人端，使這三個門可靠的截止，即使其他選手按下按鈕，相應的小燈也不會亮，搶答成功。圖2為用D觸發器設計的搶答器。搶答前，持人用清零按鈕使QlQ2Q3Q4=0000，所以4個發光二極管不亮。而Q 為1，經過與門G1后使DlD2D3D4均為1。若K1按下搶答按鈕時，即時鐘CP1上升沿到來，Dl觸發器工作，Q1n+1=D1=1，搶答成功。而Ql的反為0，再經過與門Gl后送到4個觸發器的輸入端，使D1D2D3D4均為0，即使其他選手按下按鈕，相應的發光二極管也不會亮，搶答成功。圖3用7475型四位雙穩態鎖存器實現。搶答前，由于Q1Q2Q3Q4輸出都是0，所以它們的反都為1，G2輸出1；同時，主持人按下開關K輸人一高電平，從而使Gl輸出1，7475進人工作狀態。Kl搶答時，D1輸人一高電平Ql輸出高電平，所以燈Ll亮。同時Q1的反為0，使G2輸出0，G1輸出0，封鎖7475。在這種情況下，無論誰按開關都沒有輸出信號，保證輸出信號的唯一性。

三種電路結構都比較簡單，易于實現，但圖1適用于4路搶答，若5路以上電路過于復雜，不易實現；圖2由于D觸發器的邏輯功能是Qn+1=D，因此在某一組搶答成功后，Q1n+1=D1=1，輸出指示燈亮。同時 Q 輸出0送到各觸發器的輸入端，如果不小心再次按按鈕，則輸出0，發光二極管滅。電路不可靠，容易引起誤判。即電路不能實現自鎖。圖3能實現自鎖，但卻不容易復位。

2.最優方案

針對前幾種電路的優缺點，筆者設計了一款競賽用智力搶答電路，使用方便，具有聲光顯示功能。

2.1 基本功能

l)可同時供6名選手參加比賽，編號分別為1-6。

2)給主持人一個控制開關，實現系統清零和搶答的開始。

3)具有聲光報警功能。

4)具有數碼顯示功能。

2.2 電路設計

圖2 用D觸發器設計的搶答器

圖3 用D鎖存器設計的搶答器

圖4 主電路

圖5 數碼顯示電路

圖6 消噪電路

主電路如圖4所示。數碼顯示電路如圖5所示。電源部分采用集成穩壓電路，器件可以選用W78XX系列，組成固定正電壓輸出，且這類芯片只有3個引腳，使用方便。C1可以消除因輸入線路較長引起的自激振蕩，C2用于消除電路高頻噪音，如圖6所示。

2.3 工作原理

此搶答器用一片74LS174上升沿D型觸發器、74LS148優先編碼器、74LS247四線七段譯碼器和共陽極七段數碼管5EF105構成。具有六個搶答按鈕，六路輸出指示，同時利用六個互補輸出接至同一與非門實現自鎖，控制CP脈沖的輸入。

(1)等待過程

搶答前，將74LS174清零，六個輸出端為零，六只小燈不亮。將六路輸出信號取反送入G1與非門得到0，再經G2輸出1，從而使門G3打開，保證CP脈沖信號順利進人74LS174的9管腳CP脈沖輸人端。由于六個開關未接通，六個D觸發器的輸入信號均為0，即使CP脈沖進入觸發器，它的輸出仍為0，六只小燈不發光。74LS148為輸入和輸出低電平有效。當沒人搶答時，74LS148的輸入端均為1，輸出也為111，所以數碼顯示器顯示數字8。同時，A點電位接近于0伏，三級管Vl的基極電位也接近于0伏，自激振蕩電路不工作，揚聲器不發聲。

(2)工作階段

1)輸入鎖存與報警電路。開始搶答時，若K1先接通，Dl先為1。當CP脈沖到來時，輸出端Ql為高電平，L1燈亮，A點電位升高，三級管V1基極電位也升高，自激振蕩電路正常工作，揚聲器發出嘟的響聲，提醒主持人。而Q 為0使G1輸出1，G2輸出0，封鎖G3，CP脈沖不能進入74LS174，所以其他按鈕此時不起作用。上述分析說明若第一組搶答后，其他各組搶答均無效，若另一組先搶答，情形相似。

2)編碼與譯碼顯示電路。當Kl先接通時，Ql輸出0，74LS148相應的輸出信號是001。送到74lJS247四線七段譯碼器輸入端，再由74LS247的輸出驅動共陽極七段數碼管SEF105顯示數碼1。

(3)復位

只有清零之后才能進行下一輪的搶答。清零按鈕與開關K7同時動作。K7是一常閉開關。

3.結束語

筆者設計的該款搶答器，將鎖存器、編碼器、譯碼器和顯示器綜合到一個電路中。在實驗室進行了實驗驗證，實驗結果證明該電路設計合理，具有比較可靠的工作方式和很強的適應性。同時經過多次試用效果良好，深受參賽使用的同學歡迎，理論與實踐達到完美結合。

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