基于74LS175 的四人抢答器设计仿真

2021-12-13李唐

科学技术创新 2021年33期

李唐

（南京工业职业技术大学工程技术实训中心，江苏南京 210023）

在各类竞赛中经常会用到抢答器装置。采用触发器构成的抢答器，其实是数字电路知识的典型应用。触发器是数字电路中的基本逻辑记忆单元，具有两个稳定状态，分别来表示逻辑状态“0”和“l”。在电路中它具有记忆信号的功能，是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。本文通过分析四人抢答器功能需求，设计基于D 触发器的电路，以掌握触发器和555 定时器综合应用的能力。

1 功能要求

设计电路需要先分析电路功能需求。该电路具有如下三个功能：

功能一：电路能够“记忆”第一个被按下的开关信号，同时答题者只需电动开关，无需长按开关，该开关对应的指示灯能够保持长亮。功能二：屏蔽功能。一旦有抢答开关被按下，对应的指示灯保持常亮，后面的开关信号不起作用，即电路能够屏蔽掉后面其他的开关信号，对应的指示灯也不会再亮。功能三：复位功能。一次抢答之后，可以通过复位开关使电路恢复到初始状态，重新进行下一次抢答。

2 具体设计

抢答器由主持人控制开关K，抢答开关K1-K4，控制电路，555 多谐振荡电路等模块组成。如图1 所示。

图1 总体模块图

2.1 控制电路设计

根据功能要求，抢答器电路最主要需要实现的功能是“记忆功能”。一方面，该记忆信号可以使抢答开关对应的指示灯长亮；另一方面，该信号可以屏蔽落后的其他答题者的开关信号[1]。因此，可以通过选用“触发器”来实现记忆的功能。这里选用74LS175 作为控制电路主芯片。为实现“屏蔽功能”，要选择“与”门来构成屏蔽的电路[2]。“与”运算是逻辑运算中的一种基本逻辑关系，它的逻辑描述是：当完成某一个事件的所有的条件都满足时，结果才会发生。也就是说，只要所有的条件中有一个不满足，结果就不会发生。

设计控制电路如图2 所示。

图2 控制电路

图中芯片为四上升沿D 触发器74LS175；KI，K2，K3，K4 为抢答开关；Q1～Q4 分别接4 个LED 发光二极管。Q1～Q4接入四输入与非门74LS20，其输出取非后，与外接CP 信号同时作为二输入与门74LS00 的输入信号，二输入与门的输出接入74LS175的工作脉冲输入端CP。S 为复位开关。S 未按下时，RD为高电平，为无效信号。

在进行抢答之前，Kl～K4 抢答开关全部接地(低电压)，此时Q1～Q4=0 (低电压)，灯不亮。此时Q1～Q4为1，经74LS20 和74LS00 与非后为1，工作脉冲输入端CP 能够接收到外接工作脉冲。

当主持人按下复位键，同时宣布抢答开始后。一旦有开关按下，例如，假设K1 开关被按下，则输入端的D1=1(为高电平)，使得对于的Q1=l，即输出高电平，相应回路的发光二极管LED正向导通被点亮。同时，Q1=0，经2 个与非门后为0，此时74LS175 的CP 端输入信号恒等于0，相当于外接的脉冲信号不起作用（被屏蔽），74LS175 属于边沿触发器，一旦失去工作脉冲，即没有了上升沿或下降沿，其它的开关信号就无效，不会被触发器接受[4]。第一个抢答者无需一直按住开关，放开K1 开关后，由于触发器具有记忆功能，D1 触发器也会保持信号输出不变，其对应的灯也会长亮并且屏蔽信号依然存在[5]。

主持人按下S，RD为低电平，清除电路原有状态。

2.2 时钟电路设计

电路中的工作脉冲CP 是控制电路工作的关键，这里选用555 定时器构成的多谐振荡器实现。多谐振荡器是利用电容的充放电原理，使输出相互交替的两个暂稳态，即产生自激振荡，从而产生周期和占空比可调的矩形脉冲信号。他的特点1 是无需输入信号，2 是无稳定状态，只有两个暂稳态。搭建电路如图3所示。

图3 脉冲电路

3 电路仿真

为验证电路是否可以实现抢答功能，我们用Multisim 软件进行电路仿真。电路电源Vcc 为10V，R1-R5 为1kΩ，LED1-LED4 二极管导通电流设置为2mA；R6,R8 为1kΩ，电位器R7 为5k 欧姆，充放电电容为2.2uf。通过仿真，按下K3 开关，LED3 一直常亮，直至按下复位键S，电路恢复正常。经多次演示，电路可以实现功能，如图5 所示。

图4 四人抢答器电路原理

图5 四人抢答器仿真电路

根据仿真结果，在面包板搭建实际电路如图6 所示，上电后，首先通过示波器测量555 搭建的多稳态电路输出工作脉冲周期T 约为0.01s，与仿真结果一致。然后通过左边的的四个按键可以实现抢答，对应的红色指示灯常亮；一旦有某一按键按下，其余按键不再起作用，直至按下下方的复位按键，电路所有状态清零，可以重新进行抢答。