李唐

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心，江蘇南京 210023）

在各類競(jìng)賽中經(jīng)常會(huì)用到搶答器裝置。采用觸發(fā)器構(gòu)成的搶答器，其實(shí)是數(shù)字電路知識(shí)的典型應(yīng)用。觸發(fā)器是數(shù)字電路中的基本邏輯記憶單元，具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，分別來表示邏輯狀態(tài)“0”和“l(fā)”。在電路中它具有記憶信號(hào)的功能，是構(gòu)成各種時(shí)序電路的最基本邏輯單元。本文通過分析四人搶答器功能需求，設(shè)計(jì)基于D 觸發(fā)器的電路，以掌握觸發(fā)器和555 定時(shí)器綜合應(yīng)用的能力。

1 功能要求

設(shè)計(jì)電路需要先分析電路功能需求。該電路具有如下三個(gè)功能：

功能一：電路能夠“記憶”第一個(gè)被按下的開關(guān)信號(hào)，同時(shí)答題者只需電動(dòng)開關(guān)，無需長按開關(guān)，該開關(guān)對(duì)應(yīng)的指示燈能夠保持長亮。功能二：屏蔽功能。一旦有搶答開關(guān)被按下，對(duì)應(yīng)的指示燈保持常亮，后面的開關(guān)信號(hào)不起作用，即電路能夠屏蔽掉后面其他的開關(guān)信號(hào)，對(duì)應(yīng)的指示燈也不會(huì)再亮。功能三：復(fù)位功能。一次搶答之后，可以通過復(fù)位開關(guān)使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，重新進(jìn)行下一次搶答。

2 具體設(shè)計(jì)

搶答器由主持人控制開關(guān)K，搶答開關(guān)K1-K4，控制電路，555 多諧振蕩電路等模塊組成。如圖1 所示。

圖1 總體模塊圖

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求，搶答器電路最主要需要實(shí)現(xiàn)的功能是“記憶功能”。一方面，該記憶信號(hào)可以使搶答開關(guān)對(duì)應(yīng)的指示燈長亮；另一方面，該信號(hào)可以屏蔽落后的其他答題者的開關(guān)信號(hào)[1]。因此，可以通過選用“觸發(fā)器”來實(shí)現(xiàn)記憶的功能。這里選用74LS175 作為控制電路主芯片。為實(shí)現(xiàn)“屏蔽功能”，要選擇“與”門來構(gòu)成屏蔽的電路[2]?！芭c”運(yùn)算是邏輯運(yùn)算中的一種基本邏輯關(guān)系，它的邏輯描述是：當(dāng)完成某一個(gè)事件的所有的條件都滿足時(shí)，結(jié)果才會(huì)發(fā)生。也就是說，只要所有的條件中有一個(gè)不滿足，結(jié)果就不會(huì)發(fā)生。

設(shè)計(jì)控制電路如圖2 所示。

圖2 控制電路

圖中芯片為四上升沿D 觸發(fā)器74LS175；KI，K2，K3，K4 為搶答開關(guān)；Q1～Q4 分別接4 個(gè)LED 發(fā)光二極管。Q1～Q4接入四輸入與非門74LS20，其輸出取非后，與外接CP 信號(hào)同時(shí)作為二輸入與門74LS00 的輸入信號(hào)，二輸入與門的輸出接入74LS175的工作脈沖輸入端CP。S 為復(fù)位開關(guān)。S 未按下時(shí)，RD為高電平，為無效信號(hào)。

在進(jìn)行搶答之前，Kl～K4 搶答開關(guān)全部接地(低電壓)，此時(shí)Q1～Q4=0 (低電壓)，燈不亮。此時(shí)Q1～Q4為1，經(jīng)74LS20 和74LS00 與非后為1，工作脈沖輸入端CP 能夠接收到外接工作脈沖。

當(dāng)主持人按下復(fù)位鍵，同時(shí)宣布搶答開始后。一旦有開關(guān)按下，例如，假設(shè)K1 開關(guān)被按下，則輸入端的D1=1(為高電平)，使得對(duì)于的Q1=l，即輸出高電平，相應(yīng)回路的發(fā)光二極管LED正向?qū)ū稽c(diǎn)亮。同時(shí)，Q1=0，經(jīng)2 個(gè)與非門后為0，此時(shí)74LS175 的CP 端輸入信號(hào)恒等于0，相當(dāng)于外接的脈沖信號(hào)不起作用（被屏蔽），74LS175 屬于邊沿觸發(fā)器，一旦失去工作脈沖，即沒有了上升沿或下降沿，其它的開關(guān)信號(hào)就無效，不會(huì)被觸發(fā)器接受[4]。第一個(gè)搶答者無需一直按住開關(guān)，放開K1 開關(guān)后，由于觸發(fā)器具有記憶功能，D1 觸發(fā)器也會(huì)保持信號(hào)輸出不變，其對(duì)應(yīng)的燈也會(huì)長亮并且屏蔽信號(hào)依然存在[5]。

主持人按下S，RD為低電平，清除電路原有狀態(tài)。

2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

電路中的工作脈沖CP 是控制電路工作的關(guān)鍵，這里選用555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)。多諧振蕩器是利用電容的充放電原理，使輸出相互交替的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，即產(chǎn)生自激振蕩，從而產(chǎn)生周期和占空比可調(diào)的矩形脈沖信號(hào)。他的特點(diǎn)1 是無需輸入信號(hào)，2 是無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。搭建電路如圖3所示。

圖3 脈沖電路

3 電路仿真

為驗(yàn)證電路是否可以實(shí)現(xiàn)搶答功能，我們用Multisim 軟件進(jìn)行電路仿真。電路電源Vcc 為10V，R1-R5 為1kΩ，LED1-LED4 二極管導(dǎo)通電流設(shè)置為2mA；R6,R8 為1kΩ，電位器R7 為5k 歐姆，充放電電容為2.2uf。通過仿真，按下K3 開關(guān)，LED3 一直常亮，直至按下復(fù)位鍵S，電路恢復(fù)正常。經(jīng)多次演示，電路可以實(shí)現(xiàn)功能，如圖5 所示。

圖4 四人搶答器電路原理

圖5 四人搶答器仿真電路

根據(jù)仿真結(jié)果，在面包板搭建實(shí)際電路如圖6 所示，上電后，首先通過示波器測(cè)量555 搭建的多穩(wěn)態(tài)電路輸出工作脈沖周期T 約為0.01s，與仿真結(jié)果一致。然后通過左邊的的四個(gè)按鍵可以實(shí)現(xiàn)搶答，對(duì)應(yīng)的紅色指示燈常亮；一旦有某一按鍵按下，其余按鍵不再起作用，直至按下下方的復(fù)位按鍵，電路所有狀態(tài)清零，可以重新進(jìn)行搶答。

圖6 四人搶答器實(shí)物

4 結(jié)論

本人設(shè)計(jì)了一種四人搶答器，控制電路部分采用D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，工作脈沖由555 定時(shí)器構(gòu)成的可調(diào)節(jié)占空比的多穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成。最后通過Multisim 軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)搶答功能，電路簡單可靠。