基于RS触发器的四人抢答器电路仿真设计

主持人误判，抢答器的设计越来越智能，如给抢答电路中加入定时功能、声光报警功能、显示功能和计时功能等[2]。本文为提高高职院校学生的实践能力和综合思维能力，结合学生学习了《电子技术基础》课程的组合逻辑电路和时许逻辑电路相关知识，利用multisim14.0软件平台设计一款基本RS触发器实现的四人抢答器电路。在设计过程中，既能加强学生的理论知识灵活应用，将理论知识转换为生活中应用的实际项目，又能激发学生的创新意识，培养学生的自主学习探究能力，帮助学生找到学习的乐趣及成就感。

2 电路设计要求及原理分析

2.1 设计要求

要求利用基本RS触发器及与非门设计一个可供四组参赛的数字式抢答器，每组设有一个抢答按钮。设有一个主持人控制的复位按钮，用来进行抢答电路的复位和允许抢答控制;抢答过程中若有第一抢答按下按钮后，其他抢答信号输入均显示抢答无效。具体的设计要求如下：

1）复位功能。抢答开始前，主持人对电路进行复位，此时电路进入抢答准备阶段;当抢答一轮结束时，主持人操作复位按钮，电路进入新一轮的抢答。

2）锁存功能。当主持人发布抢答命令后，在第一抢答者按下按钮后，电路会快速做出响应;若有其他抢答者按下抢答按钮，电路不做出任何相应，此时电路就自动封锁了其他抢答者的操作，只显示第一抢答者的信号。

3）声光报警功能。每组进行抢答时，相应的指示灯被点亮，同时伴有蜂鸣器的报警提示音，用来向主持人提示第一抢答者。

2.2 电路原理分析

根据本文四人抢答器电路的设计要求，该四人抢答器电路的组成核心是基本RS触发器和简单的数字集成块74LS30。与非门和或非门构成的两种基本RS触发器具有置0、置1和保持功能[3][4]。图1显示为或非门组成的RS触发器电路结构图，其逻辑功能为：1）当R=0，S=1时，触发器完成置1功能;2）当R=1，S=0时，触发器完成置0功能;3）当R=S=0时，触发器实现保持功能;4）当R=S=1时，电路处于不定功能。图2 显示为与非门组成的RS触发器电路结构图，[R]为置0端（复位端），[S]为置1端（置位端）;[Q]和[Q]为互逆的输出端。与非门组成的基本RS触发器的逻辑功能为：1）当[R]= 0，[S]=1时，触发器具有置0功能。当[R]=0时，无论触发器现态为0态还是1态，与非门G2输出为1，使[Q]=0，[Q]=1，即触发器完成置0功能。2）当[R]= 1，[S]=0时，触发器具有置1功能。当[S]=0时，无论触发器现态为0态还是1态，与非门G1输出为1，使[Q]=1，[Q]=0，即触发器完成置1功能。3）当[R]=0，[S]=0时，G1、G2与非门被封锁，使得[Q=Q=1]，逻辑上不能实现。4）当[R]=1，[S]=1时，电路实现保持功能。

本文中使用的数字集成块74LS30为八输入与非门，假设其输入变量为ABCDEFGH，输出变量为Y，则其逻辑表达式为：[Y=ABCDEFGH]。从该逻辑表达式分析其逻辑功能，只有输入端均为高电平时，输出端才为低电平;但凡有一个输入端为低电平时，输出端均为高电平。

3 电路整体设计

使用四个基本RS触发器，其输入端一端分别连接四个抢答按钮，用来响应抢答操作，触发器的另一输入端接入高电平信号;基本RS触发器的输出端分别作为四个74LS30其中一路输入端，74LS30的四路输入信号连接开始按钮，当按下开始按钮，74LS30的四路輸入信号即为低电平信号，此时无论其他输入信号为高电平信号还是低电平信号，其输出信号均为高电平信号;74LS30的输出端连接发光二极管以供相应的抢答按钮按下时指示灯被点亮;根据电路设计要求，该电路中接入蜂鸣器，以供相应的指示灯被点亮时，蜂鸣器发出提示音。

该抢答电路设计过程中只有当74LS30集成块的八路输入都为高电平信号时，其输出才为低电平，即相连接的发光二极管被点亮，蜂鸣器发出响声。为实现抢答过程中的声光显示，本文重点设计74LS30集成块的八路输入连接方式，每一个74LS30集成块的输出端作为其他三个74LS30集成块的其中一个输入端，例如第一组选手抢答成功时，电路对应的74LS30输出为低电平，电路伴有声光显示，而该低电平信号传输到其他三个74LS30的一路输入端里，使得其他三个74LS30的八路输入中至少有一路输入为低电平，则三个74LS30输出均为高电平，对应的电路无声光显示，由此可实现抢答器的锁存功能。

4 电路仿真

按照电路设计要求在multisim14.0环境下利用基本RS触发器及集成块74LS30搭建的四人抢答器电路如图3、图4所示。两个电路中使用上拉电阻、发光二极管和蜂鸣器实现了声光抢答的功能。上拉电阻选择阻值为510Ω，蜂鸣器频率设定为600Hz，电压值为1V，电流值为0.05A，电源电压值确定为5V。

4.1 与非门RS触发器的抢答电路仿真

当按下RUN按钮后，可对该四人抢答器电路进行仿真操作;主持人按下按钮S5时，整个电路被复位，进入待工作状态。当按下按钮S3时，即U2C与非门的一个输入信号为低电平信号，则该基本RS触发器的输出端为高电平信号，该高电平信号作为U4与非门的一路输入;开关按钮S5未按下时，U4与非门其中的四路输入信号均为高电平信号，剩下的三路输入信号均为高电平信号时，该U4与非门的输出端输出为低电平信号，即LED3被点亮，蜂鸣器发出“滴”声;而此时的U3、U5、U6的输出端输出高电平信号，LED1、LED2和LED4未被点亮，蜂鸣器不作用;当断开按钮S3后，对应RS触发器的两个输入端均为高电平信号，此时该触发器实现了保持功能，保持了原有的输出状态，即第三组抢答者实现了的优先抢答功能。此时电路锁存了第三组抢答者的抢答信号，当有按钮S1、S2、S4分别按下时，均抢答无效。

当再次按下按钮S5时，U3、U4、U5和U6四个与非门的输入端中均有低电平信号，致使各与非门的输出端均为高电平信号，则各发光二极管均未点亮，蜂鸣器不作用，电路恢复到初始状态，即可进入第二轮的抢答。

4.2 或非门RS触发器的抢答电路仿真

按照以上设计思路，搭建了或非门RS触发器的四人抢答器电路，对该电路进行仿真。当按下按钮S1时，U1B一路输入端为低电平，U1A一路输入为高电平，则该或非门RS触发器的输出端为高电平，若为低电平信号则不符合逻辑，对应的U3输入端被响应，发光二极管被点亮，蜂鸣器作用;当按钮S1断开后，或非门RS触发器的两个输入端均为高电平信号，此时触发器输出端为低电平信号，未能保持原有输出的高电平信号，即不能锁定先前抢答的状态，所以利用或非门RS触发器设计四人抢答器电路不能实现锁存功能。

5 结语

本文利用基本RS触发器设计了四人抢答器控制电路，两个电路均能实现四人比赛抢答的功能并通过发光二极管和蜂鸣器实现对抢答者的声光报警指示。对比于与非门RS触发器设计的抢答电路，或非门RS触发器设计的抢答电路不能实现锁存功能。设计中采用了组合逻辑电路和时序逻辑电路相结合的思路[5]，简化了抢答器的设计过程，并利用multisim14.0软件将硬件实现和虚拟仿真相结合，无须编写程序，提高了电路设计效率，培养了学生的创新能力和综合开发分析能力，以供教学环境中参考使用。

参考文献：

[1] 高美蓉.基于Multisim的多功能智力竞赛抢答器的设计与仿真[J].计算机测量与控制.2018（6）.

[2] 刘月嫦，朱齐媛，龙世瑜.基于Multisim的智能多路无线抢答器的设计[J]. 岭南师范学院学报.2017（6）.

[3] 黄洁.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2013

[4] 焦素敏.数字电子技术基础[M].北京：人民邮电出版社，2012

[5] 姚有峰，张斌，方杰，赵慧琴.数字电路教学中抢答器电路的设计与实践[J].皖西学院学报.2018（5）.

【通联编辑：梁书】