六路竞赛用智力抢答器的设计

德州学院物理系 王 静

在智力竞赛活动中经常要用到抢答器。一般的设计任务是：几组参赛选手、主持人各有一个按钮。在主持人宣布可以抢答后，若某一参赛者的手指先触及抢答按钮，该选手对应的指示灯亮，同时蜂鸣器响。主持人可用清零按钮将抢答结果变为0状态，直至再次有人使用抢答按钮为止。一般大都采用D触发器来实现，有些也用锁存器实现。但是在设计上或多或少都存在一些缺陷。

1.问题的提出

目前，常见的抢答器设计方案主要有以下几种：用基本逻辑门设计的，用D触发器设计的和用D锁存器设计。

图1 基本逻辑电路

图1所示为基本逻辑门抢答器电路。抢答开始前，Gl、G2、G3、G4四个与非门输出l，经过G5、G6、G7、G8四个反相器输出0，所以L1、L2、L3、L4四个小灯不亮。开始抢答，若K1先按下，则G1的四个输人信号全为l，所以G1输出0，经过G5反相器后输出1，L1灯亮。同时，G1的输出信号0送到G2、G3、G4的输人端，使这三个门可靠的截止，即使其他选手按下按钮，相应的小灯也不会亮，抢答成功。图2为用D触发器设计的抢答器。抢答前，持人用清零按钮使QlQ2Q3Q4=0000，所以4个发光二极管不亮。而Q 为1，经过与门G1后使DlD2D3D4均为1。若K1按下抢答按钮时，即时钟CP1上升沿到来，Dl触发器工作，Q1n+1=D1=1，抢答成功。而Ql的反为0，再经过与门Gl后送到4个触发器的输入端，使D1D2D3D4均为0，即使其他选手按下按钮，相应的发光二极管也不会亮，抢答成功。图3用7475型四位双稳态锁存器实现。抢答前，由于Q1Q2Q3Q4输出都是0，所以它们的反都为1，G2输出1；同时，主持人按下开关K输人一高电平，从而使Gl输出1，7475进人工作状态。Kl抢答时，D1输人一高电平Ql输出高电平，所以灯Ll亮。同时Q1的反为0，使G2输出0，G1输出0，封锁7475。在这种情况下，无论谁按开关都没有输出信号，保证输出信号的唯一性。

三种电路结构都比较简单，易于实现，但图1适用于4路抢答，若5路以上电路过于复杂，不易实现；图2由于D触发器的逻辑功能是Qn+1=D，因此在某一组抢答成功后，Q1n+1=D1=1，输出指示灯亮。同时 Q 输出0送到各触发器的输入端，如果不小心再次按按钮，则输出0，发光二极管灭。电路不可靠，容易引起误判。即电路不能实现自锁。图3能实现自锁，但却不容易复位。

2.最优方案

针对前几种电路的优缺点，笔者设计了一款竞赛用智力抢答电路，使用方便，具有声光显示功能。

2.1 基本功能

l)可同时供6名选手参加比赛，编号分别为1-6。

2)给主持人一个控制开关，实现系统清零和抢答的开始。

3)具有声光报警功能。

4)具有数码显示功能。

2.2 电路设计

图2 用D触发器设计的抢答器

图3 用D锁存器设计的抢答器

图4 主电路

图5 数码显示电路

图6 消噪电路

主电路如图4所示。数码显示电路如图5所示。电源部分采用集成稳压电路，器件可以选用W78XX系列，组成固定正电压输出，且这类芯片只有3个引脚，使用方便。C1可以消除因输入线路较长引起的自激振荡，C2用于消除电路高频噪音，如图6所示。

2.3 工作原理

此抢答器用一片74LS174上升沿D型触发器、74LS148优先编码器、74LS247四线七段译码器和共阳极七段数码管5EF105构成。具有六个抢答按钮，六路输出指示，同时利用六个互补输出接至同一与非门实现自锁，控制CP脉冲的输入。

(1)等待过程

抢答前，将74LS174清零，六个输出端为零，六只小灯不亮。将六路输出信号取反送入G1与非门得到0，再经G2输出1，从而使门G3打开，保证CP脉冲信号顺利进人74LS174的9管脚CP脉冲输人端。由于六个开关未接通，六个D触发器的输入信号均为0，即使CP脉冲进入触发器，它的输出仍为0，六只小灯不发光。74LS148为输入和输出低电平有效。当没人抢答时，74LS148的输入端均为1，输出也为111，所以数码显示器显示数字8。同时，A点电位接近于0伏，三级管Vl的基极电位也接近于0伏，自激振荡电路不工作，扬声器不发声。

(2)工作阶段

1)输入锁存与报警电路。开始抢答时，若K1先接通，Dl先为1。当CP脉冲到来时，输出端Ql为高电平，L1灯亮，A点电位升高，三级管V1基极电位也升高，自激振荡电路正常工作，扬声器发出嘟的响声，提醒主持人。而Q 为0使G1输出1，G2输出0，封锁G3，CP脉冲不能进入74LS174，所以其他按钮此时不起作用。上述分析说明若第一组抢答后，其他各组抢答均无效，若另一组先抢答，情形相似。

2)编码与译码显示电路。当Kl先接通时，Ql输出0，74LS148相应的输出信号是001。送到74lJS247四线七段译码器输入端，再由74LS247的输出驱动共阳极七段数码管SEF105显示数码1。

(3)复位

只有清零之后才能进行下一轮的抢答。清零按钮与开关K7同时动作。K7是一常闭开关。

3.结束语

笔者设计的该款抢答器，将锁存器、编码器、译码器和显示器综合到一个电路中。在实验室进行了实验验证，实验结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和很强的适应性。同时经过多次试用效果良好，深受参赛使用的同学欢迎，理论与实践达到完美结合。

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