1、實(shí)驗(yàn)原理

四人搶答器的功能是每位參賽者有一個(gè)搶答按鍵，按動(dòng)按鍵發(fā)出搶答信號(hào);競(jìng)賽主持人有一個(gè)控制按鍵，用于將搶答信號(hào)復(fù)位和搶答開始;競(jìng)賽開始后，先按動(dòng)按鍵者搶答成功，同時(shí)封鎖另外3路按鍵，禁止其他參賽者搶答;競(jìng)賽者搶答成功后對(duì)應(yīng)的LED燈亮。四人搶答器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ?搶答器系統(tǒng)框圖

選手通過按鍵電路發(fā)出搶答信號(hào)，先按動(dòng)者，搶答成功，按鍵保持與封鎖電路將選手信息保持下來，同時(shí)封鎖其他選手輸入。搶答成功后對(duì)應(yīng)選手的LED燈亮。主持人按鍵電路發(fā)出的復(fù)位信號(hào)使保持與封鎖電路的各路輸出復(fù)位，等待下一輪搶答。

圖2 ?由與非門組成的搶答器電路

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（一）

2.1、與非門實(shí)現(xiàn)

利用與非門實(shí)現(xiàn)四路搶答器實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

電路接通時(shí)先按一下復(fù)位按鍵RST，使RS觸發(fā)器輸出的初始狀態(tài)Q1、Q2、Q3、Q4為低電平，則4個(gè)與非門的輸出A、B、C、D為高電平，發(fā)光二極管均不導(dǎo)通、不發(fā)光。

當(dāng)4個(gè)搶答按鍵K1、K2、K3、K4中的任意一個(gè)首先按下接通時(shí)，如K1接通，觸發(fā)器輸出端Q1為高電平，則與非門輸出A變?yōu)榈碗娖?，與A相連的二極管D1發(fā)光，且A的低電平反饋到另外3個(gè)與非門的輸入端，強(qiáng)制它們的輸出端B、C、D維持高電平，此時(shí)，不論K2、K3、K4按鍵如何動(dòng)作，與非門的輸出端B、C、D都為高電平，與它們相連的二極管均不發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了互鎖功能。

圖3 ?由D觸發(fā)器組成的搶答器電路

主持人按下復(fù)位按鍵RST即可實(shí)現(xiàn)搶答器的復(fù)位，繼續(xù)下一輪的搶答。

由與非門組成的搶答器電路簡單、成本低、易于制作。

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（二）

2.2、D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)

利用D觸發(fā)器和或非門也可實(shí)現(xiàn)搶答器功能，實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

K1、K2、K3、K4中先按動(dòng)者，常閉觸頭斷開，即可向4個(gè)D觸發(fā)器發(fā)出一個(gè)上升沿?fù)尨?a href="http://m.xsypw.cn/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘信號(hào)，使對(duì)應(yīng)的D觸發(fā)器的輸出Q為高電平。同時(shí)，該高電平又通過或非門使其它三路的D觸發(fā)器的復(fù)位端有效，以封鎖另外三路的按鍵作用。

圖4 ?由可控硅和集成運(yùn)放組成的搶答器電路

主持人按下復(fù)位按鍵RST，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，通過或非門的負(fù)脈沖輸出，可使4個(gè)觸發(fā)器復(fù)位清零，繼續(xù)下一輪的搶答。

由D觸發(fā)器組成的搶答器電路成本低、工作穩(wěn)定可靠。

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（三）

2.3、可控硅實(shí)現(xiàn)

利用可控硅（晶閘管）和集成運(yùn)放同樣可以實(shí)現(xiàn)搶答器功能，實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。

調(diào)節(jié)電位器RP使LED0發(fā)光，電路得電，運(yùn)放A輸出高電平。按下任意搶答按鍵，如K1，則加到晶閘管SCR1控制極的電壓為正向電壓，因此SCR1導(dǎo)通，與之相串聯(lián)的LED1亮。同時(shí)，運(yùn)放A的反相輸入端變?yōu)楦唠娖?，與同相輸入端進(jìn)行比較后，輸出端變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)再按K2、K3、K4均無效。

圖5 由接觸器組成的搶答器電路

主持人按下復(fù)位按鍵RST即可實(shí)現(xiàn)搶答器的復(fù)位，繼續(xù)下一輪的搶答。

由可控硅和集成運(yùn)放組成的搶答器電路體積和質(zhì)量較大，成本相對(duì)較高。

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（四）

2.4、接觸器實(shí)現(xiàn)

利用接觸器可以實(shí)現(xiàn)搶答器功能，實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

按下?lián)尨鸢存I，如SB1，其搶答過程如下：

即L1燈亮，其它搶答鍵SB2、SB3、SB4均無效。

主持人按下復(fù)位按鍵RST后，其復(fù)位過程如下：

由接觸器組成的搶答器電路成本是這4種中最高的，體積也最大，實(shí)驗(yàn)須注意觸發(fā)器的裝配和系統(tǒng)整體布線。

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（五）

555電路

因?yàn)?4LS175D觸發(fā)器要工作必須有CP脈沖，做成實(shí)物時(shí)采用了555定時(shí)器電路來產(chǎn)生CP脈沖，利用555定時(shí)器電路不需要外加信號(hào)就能產(chǎn)生矩形脈沖供74LS175D觸發(fā)。在制作實(shí)際的四路搶答器時(shí)，采用555定時(shí)器產(chǎn)生CP脈沖供74LS175使用，這樣用555定時(shí)器電路代替了仿真電路中的信號(hào)發(fā)生器。用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，復(fù)位控制端6與置位控制端2相連并連接到定時(shí)電容上，R1、R2的接點(diǎn)與放電端7相連，控制端C0（5）不用，外接電容后接地。

蜂嗚電路

為了更加明顯的判別在搶答的過程中到底是哪位選手先做出搶答，四路搶答器設(shè)計(jì)要求中要求用聲音信號(hào)來提示主持人。所謂的蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，蜂鳴器采用直流電壓供電，其能發(fā)出單調(diào)的或者某個(gè)固定頻率的聲音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。蜂鳴器的原理就是接入電流（交流或直流的蜂鳴器接人相應(yīng)的電流電壓），就會(huì)發(fā)出蜂鳴器自帶的聲音，一般用于提示及警示作用。此次電路設(shè)計(jì)采用蜂鳴器作為聲音提示電路，一旦選手按下開關(guān)搶答按鈕，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出自帶聲音用來提示主持人。當(dāng)主持人按下復(fù)位按鈕之后，蜂鳴器才會(huì)停止發(fā)出聲音，如圖3所示。

圖3 ?四路搶答器實(shí)際電路原理圖

四人搶答器電路設(shè)計(jì)方案（六）

設(shè)計(jì)的電路組成框圖如下圖所示。

搶答前，主持人按下“復(fù)位”R按鈕后，RS觸發(fā)器的Q輸出端輸出低電平，CD4511處于消隱工作狀態(tài)，LED數(shù)碼管不顯示，多諧振蕩器不產(chǎn)生振蕩，蜂鳴器不響。開始搶答時(shí)，第一個(gè)搶答者按下按鈕后，輸入的高電平經(jīng)編碼電路編成對(duì)應(yīng)的8421BCD碼，輸入到CD4511中。與此同時(shí)，RS觸發(fā)器的S輸入端輸入高電平后，其Q輸出端變?yōu)楦唠娖剑珻D4511處于鎖存工作狀態(tài)，將此時(shí)CD4511輸入對(duì)應(yīng)的譯碼輸出鎖存起來，使數(shù)碼管保持顯示第一個(gè)搶答者的號(hào)碼，同時(shí)多諧振蕩器開始產(chǎn)生振蕩，蜂鳴器發(fā)出響聲。

3．各單元電路設(shè)計(jì)

各單元設(shè)計(jì)電路如下圖所示。其中C3和R6組成上電復(fù)位電路。上電后的時(shí)刻，CD4001的⑥腳瞬時(shí)輸入高電平，④腳輸出低電平，使LED數(shù)碼管不亮，多諧振蕩器停止振蕩，蜂鳴器不響。無搶答輸入時(shí)，集成器件CD4001的A、B、C輸入端分別通過R4、R3、R1接“地”（低電平）。

4-3線編碼電路的功能是將四路搶答輸入信號(hào)分別編成對(duì)應(yīng)的BCD碼。由于電路工作速度很快，幾乎不會(huì)出現(xiàn)多人同時(shí)刻搶答情況，多人同時(shí)刻搶答的結(jié)果也無效。所以將多人同時(shí)刻搶答輸入信號(hào)看成任意項(xiàng)。搶答輸入為高電平，用“1”表示；無搶答輸入為低電平，用“0”表示。4-3線編碼器真值表如下表所示（其中高位D恒為0）。

用卡諾圖化簡輸出a、b、c、d與輸入A、B、C、D的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：

a=A+C，b=B+C，c=D，d=0根據(jù)化簡后邏輯函數(shù)表達(dá)式，用二極管D1和D2分別實(shí)現(xiàn)a=A+C和b=B+C。

用CMOS的集成或非門CD4001構(gòu)成RS觸發(fā)器。其①腳為S輸入端，⑥腳為R輸入端。用二極管D3、D4、D5、D6和電阻R5組成4輸入或門電路，實(shí)現(xiàn)S=A+B+C+D。用集成555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。采用蜂鳴器作為發(fā)音器件。CD4511譯碼輸出經(jīng)220～330Ω的電阻限流后加到LED數(shù)碼管各相應(yīng)的陽極。