利用数字电路触发器制作四人智力竞赛抢答器

金 灵 金 明(宁夏工商职业技术学院电气与控制工程学院 75000;宁夏灵武市人民检察院 75400)

我们经常会在电视台播放的娱乐类节目中看到智力竞赛类节目。在这类节目中，当节目主持人开始提问时，所有参与节目的人员都会按下自己的应答器开关回答问题。此时，如果回答第一个答案的应答者按下应答开关，相应的应答灯将亮起，而其余的应答者，无论按钮如何按下，相应的应答灯都不会亮起。通过这种方式，主持人可以知道第一个按下应答器开关的参与者，从而避免了两个或多个响应者同时出现的现象。通过这样的程序设置，应答者可以顺利地回答问题，并且主持人可以通过信号灯的指示来确定第一个按下应答器开关的参与者。这种具有判断选择功能的设备通常称为智力竞赛抢答器，也可以称为智力竞赛应答电路。它属于数字电路中的时间鉴别电路，具有有效判断时间先后顺序的功能。

为提升学生的实践能力与逻辑思维能力，本文结合学校的教学与实验环境，将本次实验定性为一个综合性实验，实验项目名称为:制作四人智力竞赛抢答器。在实验时，首先让学生分析抢答器的内部结构、工作原理，然后在此基础上搭建综合电路。同时向学生讲明实验流程。本次实验需要学生掌握的知识包括:熟悉抢答器的工作原理，了解数字电路项目实验流程，以及调试与排除故障的方法。

1 设计要求

设计抢答电路时需根据抢答规则进行设计，因此，首先需要明确电路应当实现的功能。当第一个回答者按下应答开关时，电路会快速进行响应，相应的灯将亮起，在此基础上，我们加以创新，相应的灯亮起时，就带有不同的声音来区分。同时，当灯打开后，第一个答题者可以继续答题而无需按下开关。并由电路自动完成相应操作，亮灯状态会持续一段时间。此外，当第一个应答灯被点亮后，此时如果有其他应答者再次按下开关，电路不会做任何响应，即其他信号灯不会亮起。直到完成这一轮回答后，在主持人的操作下，可以关闭发光信号灯，并初始化电路返回原始状态，然后进入下一环节的答题。

从上述分析的内容来看，设计应答电路时，必须满足以下功能，才能确保整个答题环节的顺利进行。

第一，恢复功能。当完成第一轮回答后，在主持人的操作下，可以关闭发光信号灯，并初始化电路返回原始状态，然后进入下一环节的答题;

第二，屏蔽功能。当第一个回答者按下应答开关时，电路会快速进行响应，相应的灯将亮起。此时如果有其他应答者再次按下开关，电路不会做任何响应，即其他信号灯不会亮起。

第三，记忆功能。当第一个回答者按下应答开关时，电路可保存其信息，在电路程序中事先设定好第一个回答者的灯为持续亮起状态，以保证当灯打开后，第一个答题者可以继续答题而无需按下开关。并由电路自动完成相应操作。而此时，其他答题者即使按下了抢答开关，电路也不会做任何响应。以此确保第一个抢答者能够顺利地完成整个答题过程。

2 设计理论

根据上述抢答电路设计要求可知，抢答器必须实现三个功能，即恢复功能、屏蔽功能、记忆功能。而在这三种功能中，记忆功能是最重要的功能。在设计电路记忆功能时，需要在电路程序中事先设定好第一个回答者的灯为持续亮起状态，以保证当灯打开后，第一个答题者可以继续答题而无需按下开关。并由电路自动完成相应操作。而此时，其他答题者即使按下了抢答开关，电路也不会做任何响应。以此确保第一个抢答者能够顺利地完成整个答题过程。这实现这一要求，在设计电路时，可使用触发器进行设计。

2．1触发器的选用。触发器属于数字电路中最基本的逻辑器，它采用二进制的形式存储信息，能够有效实现电路的记忆功能。在利用触发器实现电路记忆功能、保存信号时，采用了二进制中的0和1记忆电路的两种逻辑状态。在实际设计电路时，分别用1和0代表高电压与低电压。即1代表通电、0代表未通电。换言之，触发器的作用就是保存或不保存电能。通常情况下，可利用输出端输出的表示触发器的状态。本文采用变量Q代表输出端输出的正信号，反之，→Q代表输出端的反信号。当Q的值为1，→Q的值为为0时，表示电路处于通电状态;反之，则表示电路未通电。

触发器的状态可根据输入端输入的信号状态分别设置为1或者0。换言之，触发器可以外界信号的影响下转换自己的状态。当该信号消失后，触发器仍然能够保存最新的状态，并由输出端持续输出高、低电压。

2．2与电路。“与”运算属于逻辑运算中最基本的一种运行方式。“与”运算的基本计算原是为:只有当完成事件的条件完全成立时，程序才会执行相应结果;否则，程序不会执行相应结果。本文采用逻辑函数的执行原理分析“与”运算中的逻辑关系。首先设定完成某事件时需要A、B两个条件，事件执行结果设定为Y。这三者的关系表达式为AB=Y。1代表条件完全成立时，事件会执行相应结果，0代表条件不完全成立时，事件不会执行相应结果。当A的值为1时，Y的值会随B值的变化而发生改变，即B的值为0时，Y的值也为0;B的值为1时，Y的值也为1。

但当A的值为0时，Y的值不会随B值的变化而发生改变，即A的值为0时，Y与B不存在任何逻辑关系。由此可知，当有多个条件存在时，只要其中一个条件为0，事件执行结果都为0。

3 设计过程

下图所示为采用了集成D触发器74LS175设计的四人智力竞赛抢答器的电路设计示意图。

顾名思义，四人智力竞赛抢答器中有4个抢答→开关→。上图中的Q1－Q4分别与4个发光二级管连接;4个输入电路与Q1－Q4连接，同时连接外接输入的与电路信号CP(触发器的工作脉冲输入端);D1－D4分别与按式四钮答个时题→蜂，之Q鸣前R D器，4将警个接告抢通连答接+开5一V关起电处的源于;，接S表为地示主状电态持路→，人接Q开1通－→关电Q按4源的钮，电，值当路均主状为持态0人。为按当1下。主开在持关正人关闭信号灯后，S处于复位状态。此时，?RD的→值为→0，Q1－Q4的值也为0，此时，所有的二级管灯都处于关闭状态。当Q1－Q4的值为1时，电路系统会打开1号、2号与电路，此时，CP接收外界工作脉冲。

当正式进入抢答环节时，参与答题竞赛者按下开关K，此时开关与+5V电源接通，表明整个电路处于通电状态，电流通过触发器，整→个电路开始工作。当K1、D1、Q1的值都为1时，会打开相应的发光二级管。当Q1的值为0，1号与电路的输出值为0，当2号与电路的输入值为0时，电路系统将屏蔽所有与2号与电路接通的脉冲信号。此时，触发器不会响应其它答题者按下的开关操作请求。当第一个抢答者未再次按下抢答开关时，触发器会执行记忆操作，将第一个抢答者的灯保持持续亮灯状态，灯亮同时扬声器响起，直到主持人进行复位操作，即电路系统执行初始化电路操作。

4 结语

本文采用了集成D触发器74LS175设计四人智力竞赛抢答器。从设计过程来看，采用此电路进行设计能简化抢答器的设计过程，并且需要的其他部件也比较常见。因此，比较容易实现整个设计。但需要注意的是，在设计时需要在整个电路系统中加设CP工作脉冲。另外，如果电路设计对记忆单元提出了要求，通过不同类型的触发器，促使记忆功能的实现都是非常有效的，其中包括计数器、寄存器的设计等，都要通过触发器的配合才能完成整个程序的设计。在日常工作中，运用触发器的实例非常的多，而对于触发器的深入了解和引用，则要通过进一步的设计和探究，才能设计出符合使用需求的电路系统。

这次的设计给了我们一个在实践中灵活运用知识的机会，我们通过在实践发现问题，进而去书本中找相关的知识去解决问题，从而巩固了理论知识。同时我们也体会到团队的力量，一个团队要克服现实中的问题需要团队的每一个队员团结一致，才能成功克服困难，取得最后的成功。