利用數字電路觸發器制作四人智力競賽搶答器

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

我們經常會在電視臺播放的娛樂類節目中看到智力競賽類節目。在這類節目中，當節目主持人開始提問時，所有參與節目的人員都會按下自己的應答器開關回答問題。此時，如果回答第一個答案的應答者按下應答開關，相應的應答燈將亮起，而其余的應答者，無論按鈕如何按下，相應的應答燈都不會亮起。通過這種方式，主持人可以知道第一個按下應答器開關的參與者，從而避免了兩個或多個響應者同時出現的現象。通過這樣的程序設置，應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答器開關的參與者。這種具有判斷選擇功能的設備通常稱為智力競賽搶答器，也可以稱為智力競賽應答電路。它屬于數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，本文結合學校的教學與實驗環境，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部結構、工作原理，然后在此基礎上搭建綜合電路。同時向學生講明實驗流程。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，了解數字電路項目實驗流程，以及調試與排除故障的方法。

1 設計要求

設計搶答電路時需根據搶答規則進行設計，因此，首先需要明確電路應當實現的功能。當第一個回答者按下應答開關時，電路會快速進行響應，相應的燈將亮起，在此基礎上，我們加以創新，相應的燈亮起時，就帶有不同的聲音來區分。同時，當燈打開后，第一個答題者可以繼續答題而無需按下開關。并由電路自動完成相應操作，亮燈狀態會持續一段時間。此外，當第一個應答燈被點亮后，此時如果有其他應答者再次按下開關，電路不會做任何響應，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，可以關閉發光信號燈，并初始化電路返回原始狀態，然后進入下一環節的答題。

從上述分析的內容來看，設計應答電路時，必須滿足以下功能，才能確保整個答題環節的順利進行。

第一，恢復功能。當完成第一輪回答后，在主持人的操作下，可以關閉發光信號燈，并初始化電路返回原始狀態，然后進入下一環節的答題;

第二，屏蔽功能。當第一個回答者按下應答開關時，電路會快速進行響應，相應的燈將亮起。此時如果有其他應答者再次按下開關，電路不會做任何響應，即其他信號燈不會亮起。

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

2 設計理論

根據上述搶答電路設計要求可知，搶答器必須實現三個功能，即恢復功能、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。在設計電路記憶功能時，需要在電路程序中事先設定好第一個回答者的燈為持續亮起狀態，以保證當燈打開后，第一個答題者可以繼續答題而無需按下開關。并由電路自動完成相應操作。而此時，其他答題者即使按下了搶答開關，電路也不會做任何響應。以此確保第一個搶答者能夠順利地完成整個答題過程。這實現這一要求，在設計電路時，可使用觸發器進行設計。

2．1觸發器的選用。觸發器屬于數字電路中最基本的邏輯器，它采用二進制的形式存儲信息，能夠有效實現電路的記憶功能。在利用觸發器實現電路記憶功能、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。在實際設計電路時，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器的狀態。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;反之，則表示電路未通電。

觸發器的狀態可根據輸入端輸入的信號狀態分別設置為1或者0。換言之，觸發器可以外界信號的影響下轉換自己的狀態。當該信號消失后，觸發器仍然能夠保存最新的狀態，并由輸出端持續輸出高、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，程序才會執行相應結果;否則，程序不會執行相應結果。本文采用邏輯函數的執行原理分析“與”運算中的邏輯關系。首先設定完成某事件時需要A、B兩個條件，事件執行結果設定為Y。這三者的關系表達式為AB=Y。1代表條件完全成立時，事件會執行相應結果，0代表條件不完全成立時，事件不會執行相應結果。當A的值為1時，Y的值會隨B值的變化而發生改變，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值的變化而發生改變，即A的值為0時，Y與B不存在任何邏輯關系。由此可知，當有多個條件存在時，只要其中一個條件為0，事件執行結果都為0。

3 設計過程

下圖所示為采用了集成D觸發器74LS175設計的四人智力競賽搶答器的電路設計示意圖。

顧名思義，四人智力競賽搶答器中有4個搶答→開關→。上圖中的Q1－Q4分別與4個發光二級管連接;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關起電處的源于;，接S表為地示主狀電態持路→，人接Q開1通－→關電Q按4源的鈕，電，值當路均主狀為持態0人。為按當1下。主開在持關正人關閉信號燈后，S處于復位狀態。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閉狀態。當Q1－Q4的值為1時，電路系統會打開1號、2號與電路，此時，CP接收外界工作脈沖。

當正式進入搶答環節時，參與答題競賽者按下開關K，此時開關與+5V電源接通，表明整個電路處于通電狀態，電流通過觸發器，整→個電路開始工作。當K1、D1、Q1的值都為1時，會打開相應的發光二級管。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，電路系統將屏蔽所有與2號與電路接通的脈沖信號。此時，觸發器不會響應其它答題者按下的開關操作請求。當第一個搶答者未再次按下搶答開關時，觸發器會執行記憶操作，將第一個搶答者的燈保持持續亮燈狀態，燈亮同時揚聲器響起，直到主持人進行復位操作，即電路系統執行初始化電路操作。

4 結語

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

這次的設計給了我們一個在實踐中靈活運用知識的機會，我們通過在實踐發現問題，進而去書本中找相關的知識去解決問題，從而鞏固了理論知識。同時我們也體會到團隊的力量，一個團隊要克服現實中的問題需要團隊的每一個隊員團結一致，才能成功克服困難，取得最后的成功。