基于RS觸發器的四人搶答器電路仿真設計

金靈

摘要：采用基本RS觸發器和集成塊74LS30設計四人搶答器電路，并利用multisim14.0軟件進行電路設計與仿真。仿真運行結果表明，該與非門RS觸發器設計的電路可實現四人搶答器聲光控制功能、信號鎖存功能及復位功能。該設計方法簡單適用、穩定可行，且成本低，適合教學中推廣使用，用以創新學生思維模式。

關鍵詞：74LS30;四人搶答器;multisim14.0;設計

中圖分類號：TP391? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0239-03

1 引言

搶答器已在各種娛樂場合尤其是晉級節目中被廣泛使用的一種搶答設備[1]。應用在搶答或比賽活動中，它能快速、準確地判斷出第一搶答者。為了防止主持人誤判，搶答器的設計越來越智能，如給搶答電路中加入定時功能、聲光報警功能、顯示功能和計時功能等[2]。本文為提高高職院校學生的實踐能力和綜合思維能力，結合學生學習了《電子技術基礎》課程的組合邏輯電路和時許邏輯電路相關知識，利用multisim14.0軟件平臺設計一款基本RS觸發器實現的四人搶答器電路。在設計過程中，既能加強學生的理論知識靈活應用，將理論知識轉換為生活中應用的實際項目，又能激發學生的創新意識，培養學生的自主學習探究能力，幫助學生找到學習的樂趣及成就感。

2 電路設計要求及原理分析

2.1 設計要求

要求利用基本RS觸發器及與非門設計一個可供四組參賽的數字式搶答器，每組設有一個搶答按鈕。設有一個主持人控制的復位按鈕，用來進行搶答電路的復位和允許搶答控制;搶答過程中若有第一搶答按下按鈕后，其他搶答信號輸入均顯示搶答無效。具體的設計要求如下：

1）復位功能。搶答開始前，主持人對電路進行復位，此時電路進入搶答準備階段;當搶答一輪結束時，主持人操作復位按鈕，電路進入新一輪的搶答。

2）鎖存功能。當主持人發布搶答命令后，在第一搶答者按下按鈕后，電路會快速做出響應;若有其他搶答者按下搶答按鈕，電路不做出任何相應，此時電路就自動封鎖了其他搶答者的操作，只顯示第一搶答者的信號。

3）聲光報警功能。每組進行搶答時，相應的指示燈被點亮，同時伴有蜂鳴器的報警提示音，用來向主持人提示第一搶答者。

2.2 電路原理分析

根據本文四人搶答器電路的設計要求，該四人搶答器電路的組成核心是基本RS觸發器和簡單的數字集成塊74LS30。與非門和或非門構成的兩種基本RS觸發器具有置0、置1和保持功能[3][4]。圖1顯示為或非門組成的RS觸發器電路結構圖，其邏輯功能為：1）當R=0，S=1時，觸發器完成置1功能;2）當R=1，S=0時，觸發器完成置0功能;3）當R=S=0時，觸發器實現保持功能;4）當R=S=1時，電路處于不定功能。圖2 顯示為與非門組成的RS觸發器電路結構圖，[R]為置0端（復位端），[S]為置1端（置位端）;[Q]和[Q]為互逆的輸出端。與非門組成的基本RS觸發器的邏輯功能為：1）當[R]= 0，[S]=1時，觸發器具有置0功能。當[R]=0時，無論觸發器現態為0態還是1態，與非門G2輸出為1，使[Q]=0，[Q]=1，即觸發器完成置0功能。2）當[R]= 1，[S]=0時，觸發器具有置1功能。當[S]=0時，無論觸發器現態為0態還是1態，與非門G1輸出為1，使[Q]=1，[Q]=0，即觸發器完成置1功能。3）當[R]=0，[S]=0時，G1、G2與非門被封鎖，使得[Q=Q=1]，邏輯上不能實現。4）當[R]=1，[S]=1時，電路實現保持功能。

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

3 電路整體設計

使用四個基本RS觸發器，其輸入端一端分別連接四個搶答按鈕，用來響應搶答操作，觸發器的另一輸入端接入高電平信號;基本RS觸發器的輸出端分別作為四個74LS30其中一路輸入端，74LS30的四路輸入信號連接開始按鈕，當按下開始按鈕，74LS30的四路輸入信號即為低電平信號，此時無論其他輸入信號為高電平信號還是低電平信號，其輸出信號均為高電平信號;74LS30的輸出端連接發光二極管以供相應的搶答按鈕按下時指示燈被點亮;根據電路設計要求，該電路中接入蜂鳴器，以供相應的指示燈被點亮時，蜂鳴器發出提示音。

該搶答電路設計過程中只有當74LS30集成塊的八路輸入都為高電平信號時，其輸出才為低電平，即相連接的發光二極管被點亮，蜂鳴器發出響聲。為實現搶答過程中的聲光顯示，本文重點設計74LS30集成塊的八路輸入連接方式，每一個74LS30集成塊的輸出端作為其他三個74LS30集成塊的其中一個輸入端，例如第一組選手搶答成功時，電路對應的74LS30輸出為低電平，電路伴有聲光顯示，而該低電平信號傳輸到其他三個74LS30的一路輸入端里，使得其他三個74LS30的八路輸入中至少有一路輸入為低電平，則三個74LS30輸出均為高電平，對應的電路無聲光顯示，由此可實現搶答器的鎖存功能。

4 電路仿真

按照電路設計要求在multisim14.0環境下利用基本RS觸發器及集成塊74LS30搭建的四人搶答器電路如圖3、圖4所示。兩個電路中使用上拉電阻、發光二極管和蜂鳴器實現了聲光搶答的功能。上拉電阻選擇阻值為510?，蜂鳴器頻率設定為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RS觸發器的搶答電路仿真

當按下RUN按鈕后，可對該四人搶答器電路進行仿真操作;主持人按下按鈕S5時，整個電路被復位，進入待工作狀態。當按下按鈕S3時，即U2C與非門的一個輸入信號為低電平信號，則該基本RS觸發器的輸出端為高電平信號，該高電平信號作為U4與非門的一路輸入;開關按鈕S5未按下時，U4與非門其中的四路輸入信號均為高電平信號，剩下的三路輸入信號均為高電平信號時，該U4與非門的輸出端輸出為低電平信號，即LED3被點亮，蜂鳴器發出“滴”聲;而此時的U3、U5、U6的輸出端輸出高電平信號，LED1、LED2和LED4未被點亮，蜂鳴器不作用;當斷開按鈕S3后，對應RS觸發器的兩個輸入端均為高電平信號，此時該觸發器實現了保持功能，保持了原有的輸出狀態，即第三組搶答者實現了的優先搶答功能。此時電路鎖存了第三組搶答者的搶答信號，當有按鈕S1、S2、S4分別按下時，均搶答無效。

當再次按下按鈕S5時，U3、U4、U5和U6四個與非門的輸入端中均有低電平信號，致使各與非門的輸出端均為高電平信號，則各發光二極管均未點亮，蜂鳴器不作用，電路恢復到初始狀態，即可進入第二輪的搶答。

4.2 或非門RS觸發器的搶答電路仿真

按照以上設計思路，搭建了或非門RS觸發器的四人搶答器電路，對該電路進行仿真。當按下按鈕S1時，U1B一路輸入端為低電平，U1A一路輸入為高電平，則該或非門RS觸發器的輸出端為高電平，若為低電平信號則不符合邏輯，對應的U3輸入端被響應，發光二極管被點亮，蜂鳴器作用;當按鈕S1斷開后，或非門RS觸發器的兩個輸入端均為高電平信號，此時觸發器輸出端為低電平信號，未能保持原有輸出的高電平信號，即不能鎖定先前搶答的狀態，所以利用或非門RS觸發器設計四人搶答器電路不能實現鎖存功能。

5 結語

本文利用基本RS觸發器設計了四人搶答器控制電路，兩個電路均能實現四人比賽搶答的功能并通過發光二極管和蜂鳴器實現對搶答者的聲光報警指示。對比于與非門RS觸發器設計的搶答電路，或非門RS觸發器設計的搶答電路不能實現鎖存功能。設計中采用了組合邏輯電路和時序邏輯電路相結合的思路[5]，簡化了搶答器的設計過程，并利用multisim14.0軟件將硬件實現和虛擬仿真相結合，無須編寫程序，提高了電路設計效率，培養了學生的創新能力和綜合開發分析能力，以供教學環境中參考使用。

參考文獻：

[1] 高美蓉.基于Multisim的多功能智力競賽搶答器的設計與仿真[J].計算機測量與控制.2018（6）.

[2] 劉月嫦，朱齊媛，龍世瑜.基于Multisim的智能多路無線搶答器的設計[J]. 嶺南師范學院學報.2017（6）.

[3] 黃潔.數字電子技術[M].北京：高等教育出版社，2013

[4] 焦素敏.數字電子技術基礎[M].北京：人民郵電出版社，2012

[5] 姚有峰，張斌，方杰，趙慧琴.數字電路教學中搶答器電路的設計與實踐[J].皖西學院學報.2018（5）.

【通聯編輯：梁書】