【摘要】針對目前使用的幾款智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)方案，在分析各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對電路進(jìn)行了修改，使其能實(shí)現(xiàn)互鎖、自鎖，并且用聲音、數(shù)字同時準(zhǔn)確提示搶答的結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】智力競賽搶答器；互鎖；自鎖
在智力競賽活動中經(jīng)常要用到搶答器。一般的設(shè)計(jì)任務(wù)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(yīng)的指示燈亮，同時蜂鳴器響。主持人可用清零按鈕將搶答結(jié)果變?yōu)?狀態(tài)，直至再次有人使用搶答按鈕為止。一般大都采用D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，有些也用鎖存器實(shí)現(xiàn)。但是在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案主要有以下幾種：用基本邏輯門設(shè)計(jì)的，用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的和用D鎖存器設(shè)計(jì)。
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(jīng)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(jīng)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(yīng)的小燈也不會亮，搶答成功。圖2為用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的搶答器。搶答前，持人用清零按鈕使QlQ2Q3Q4=0000，所以4個發(fā)光二極管不亮。而為1，經(jīng)過與門G1后使DlD2D3D4均為1。若K1按下?lián)尨鸢粹o時，即時鐘CP1上升沿到來，Dl觸發(fā)器工作，Q1n+1=D1=1，搶答成功。而Ql的反為0，再經(jīng)過與門Gl后送到4個觸發(fā)器的輸入端，使D1D2D3D4均為0，即使其他選手按下按鈕，相應(yīng)的發(fā)光二極管也不會亮，搶答成功。圖3用7475型四位雙穩(wěn)態(tài)鎖存器實(shí)現(xiàn)。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(guān)K輸人一高電平，從而使Gl輸出1，7475進(jìn)人工作狀態(tài)。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(guān)都沒有輸出信號，保證輸出信號的唯一性。
三種電路結(jié)構(gòu)都比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但圖1適用于4路搶答，若5路以上電路過于復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)；圖2由于D觸發(fā)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。同時輸出0送到各觸發(fā)器的輸入端，如果不小心再次按按鈕，則輸出0，發(fā)光二極管滅。電路不可靠，容易引起誤判。即電路不能實(shí)現(xiàn)自鎖。圖3能實(shí)現(xiàn)自鎖，但卻不容易復(fù)位。
2.最優(yōu)方案
針對前幾種電路的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)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(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)清零和搶答的開始。
3)具有聲光報(bào)警功能。
4)具有數(shù)碼顯示功能。
2.2 電路設(shè)計(jì)
主電路如圖4所示。數(shù)碼顯示電路如圖5所示。電源部分采用集成穩(wěn)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(fā)器、74LS148優(yōu)先編碼器、74LS247四線七段譯碼器和共陽極七段數(shù)碼管5EF105構(gòu)成。具有六個搶答按鈕，六路輸出指示，同時利用六個互補(bǔ)輸出接至同一與非門實(shí)現(xiàn)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(jīng)G2輸出1，從而使門G3打開，保證CP脈沖信號順利進(jìn)人74LS174的9管腳CP脈沖輸人端。由于六個開關(guān)未接通，六個D觸發(fā)器的輸入信號均為0，即使CP脈沖進(jìn)入觸發(fā)器，它的輸出仍為0，六只小燈不發(fā)光。74LS148為輸入和輸出低電平有效。當(dāng)沒人搶答時，74LS148的輸入端均為1，輸出也為111，所以數(shù)碼顯示器顯示數(shù)字8。同時，A點(diǎn)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(yáng)聲器不發(fā)聲。
(2)工作階段
1)輸入鎖存與報(bào)警電路。開始搶答時，若K1先接通，Dl先為1。當(dāng)CP脈沖到來時，輸出端Ql為高電平，L1燈亮，A點(diǎn)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(yáng)聲器發(fā)出嘟的響聲，提醒主持人。而為0使G1輸出1，G2輸出0，封鎖G3，CP脈沖不能進(jìn)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(dāng)Kl先接通時，l輸出0，74LS148相應(yīng)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(qū)動共陽極七段數(shù)碼管SEF105顯示數(shù)碼1。
(3)復(fù)位
只有清零之后才能進(jìn)行下一輪的搶答。清零按鈕與開關(guān)K7同時動作。K7是一常閉開關(guān)。
3.結(jié)束語
筆者設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路設(shè)計(jì)合理，具有比較可靠的工作方式和很強(qiáng)的適應(yīng)性。同時經(jīng)過多次試用效果良好，深受參賽使用的同學(xué)歡迎，理論與實(shí)踐達(dá)到完美結(jié)合。
參考文獻(xiàn)
[1]劉真,等.數(shù)字邏輯原理與工程設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2003.
[2]劉征宇.最新74系列IC特性代換手冊[M].福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社,2002.
[3]何小艇.數(shù)字電路[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2001.
[4]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京:高等教育出版社,1999.
[5]李燕,宋芳.多路搶答器設(shè)計(jì)[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004.
作者簡介：
王靜（1973—），女，山東德州人，高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究。
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