基于触发器设计的抢答器

前言

随着电子改革的不断深化和人们对物质生活的要求提高，我们的生活是越来越趋于机械化、智能化。电子电工各专业为了适应形势的需要都有了较大程度的开发、创新。对于原来电子电工元件的应用是越来越少。为了让大家对原有的电子元件的使用有个初步的认识和了解。特此我们小组编写了《由触发器构成的抢答器的设计》，并根据指导教师的指导进行了修改。我们对数字电路电子技术非常感兴趣甚至是热爱。恰逢课程设计之际，应课程要求特做此论文。

在撰写过程中贯彻了社会、学校、指导老师和广大好学者的要求，同时也是尽自己所学，在选材时注意内容的宽度和深度适当的扩展，另外增加了集成电路元件的基础知识和一些老技术的应用。希望大家能够学到更多。

数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。

目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。

通过这种综合性训练，我们要达到以下的目的和要求：

1.结合课程中所学的理论知识，独立设计方案，达到学有所用的目的。

2.学会查阅相关手册与资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并

掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力，对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢

答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选

手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

目录

第一章触发器的基本原理及功能﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3

1.1触发器的基础知识﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3

1.1.1 基本RS触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3

1.1.2 同步RS触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒5

1.1.3 主从RS触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒6

1.1.4 边沿触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒7

1.2集成触发器的原理及其功能﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒7

1.2.1集成JK触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒7

1.2.2集成D触发器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒8第二章 NE555集成定时器的组成和工作原理﹒﹒﹒﹒﹒10

2.1 单稳类电路﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒11

2.2 双稳类电路﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒12第三章抢答器的原理及其功能﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒13

3.1 抢答器的逻辑功能和电路组成﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒13

3.1.1 逻辑要求﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒13

3.1.2 电路组成﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒13 3.2电路的工作过程﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒14结论﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒14 参考文献﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒14 附录﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒15

摘要

本文的研究目的是学习集成触发器芯片的逻辑功能；熟悉由集成触发器构成的抢答器的工作特点；掌握集成触发器芯片的正常使用。培养科学的思维方法和探究精神。通过课程论文掌握文献检索的方法，掌握撰写学术论文的规范，提高运用基本理论、基本知识分析问题，解决问题的能力，初步掌握科学研究的方法。

通过论文给大家展示由触发器构成抢答器的实现原理、实现过程及其功能。希望通过本文的给大家简单介绍一下触发器原理及功能，还有时钟脉冲发生器的工作原理。能让大家对触发器、时钟脉冲等电子元件有一个初步的了解。

关键词：触发器；时钟脉冲；抢答器；四人抢答器

第一章 触发器的基本原理及功能

1.1 触发器的基础知识

触发器是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，即“0”和“1”，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。

触发器的种类较多,按照电路结构形式的不同，触发器可分为基本触发器、时钟触发器，其中时钟触发器有同步触发器、主从触发器、边沿触发器。

根据逻辑功能的不同，触发器可分为RS 触发器、JK 触发器、D 触发器、T 触发器和T'触发器。

1.1.1基本RS 触发器

基本RS 触发器是各类触发器中最简单的一种，是构成其它触发器的基本单元。电路结构可由与非门组成，也可由或非门组成，以下将讨论由与非门组成的RS 触发器。

⑴电路组成及符号

由与非门及反馈线路构成的RS 触发器电路如图1.1.1（a)所示，输入端位有R 和S ，电路有两个互补的输入端Q 和Q ，其中Q 称为触发器的状态，有0、1两种稳定状态，若Q=1、0=Q 则称为触发器处于1态；若Q=0、1=Q 则称为触发器处于0态。触发器的逻辑符号如图1.1.1（b ）所示。

图 1.1.1基本RS 触发器

（2）逻辑功能分析

当R=S=0时，1==Q Q ，不是触发器的定义状态，此状态称为不定状态，要避免不定状态，对输入信号有约束条件：R+S=1。

当R=0，S=1时，触发器的出态不管是0还是1，由于R=0则G 2门的输出1=Q ，G 1门的输入全为1则输出Q 为0，触发器置0。

当R=1，S=0时，由于S=0则G 1门输出Q=1，G 1门的输入全为1则输出0=Q ，触发器置1。 当R=S=1时，基本RS 触发器无信号输入，触发器保持原有的状态不变。

根据以上的分析，把逻辑关系列成真值表，这种真值表称为触发器的特性表（功能表），如表1.1.1所示。

表1.1.1基本RS 触发器功能表

Q n

表示外加信号触发前，触发器原来的状态称为现态。Q n+1

表示外加信号触发后，触发器可从一种状态转为另一种状态，转变后触发器的状态称为次态。

（3）基本RS 触发器的特点

（1）基本RS 触发器的动作特点。输入信号R 和S 直接加在与非门的输入端，再输入信号作用的全部时间内，R=0或S=0都能直接改变触发器的输出Q 和Q 状态，这就是基本RS 触发器的动作特点。因此把R 称为直接复位端，S 称为直接置位端。

（2）基本RS 触发器的优缺点。基本RS 触发器具有以下优缺点： 优点：电路简单，是构成各种触发器的基础。

R S n Q

1-n Q

说明 0 0 0 0 0 1 X X 触发器状态不定

0 0 1 1 0 1 0 0 触发器置0

1 1 0 0 0 1 1 1 触发器置1

1 1

1 1

0 1

0 1

触发器保持原状态不变

缺点：输出受输入信号直接控制，不能定时控制；有约束条件。

1.1.2同步RS触发器

在数字系统中，为协调各部分的工作状态，需要由时钟CP来控制触发器按一定的节拍同步动作，由时钟脉冲控制的触发器称为时钟触发器。时钟触发器又可分为同步触发器、主从触发器、边沿触发器。这里讨论同步RS触发器。

（1）电路组成和符号

同步RS触发器时在基本RS触发器的基础上增加两个控制门及一个控制信号，让输入信号经过控制门传送，如图1.1.2所示。

图1.1.2同步RS触发器

门G1、G2组成基本RS触发器，门G3、G4时控制门，CP为控制信号常称为时钟脉冲信号或选通脉冲。在图1.1.2所示逻辑符号中，CP为时钟控制端，控制门G3、G4的开通和关机，R、S为信号输入端，Q、Q为输出端。

（2）逻辑功能分析

（1）CP=0时，门G3、G4被封锁，输出为1，不论输入信号R、S如何变化、触发器的状态不变。（2）CP=1时，门G3、G4被打开，输出由R、S决定触发器的状态随输入信号R、S的不同而不同。

根据与非门和基本RS触发器的逻辑功能，可列出同步触发器的功能真值表如表1.1.2所示。

Q n表示时钟脉冲到来前，触发器原来的状态称为现态。Q n+1表示时钟脉冲到来后，触发器可从一种状态转为另一种状态，转变后触发器的状态称为次态。

CP R S

Q n

Q n+1

功能说明 0 0 X X X X 0 1 0 1 输入信号封锁 触发器状态不变 1 1 0 0 0 0 0 1 0

1 触发器状态不变

1 1 0 0 1 1 0 1 1

1 触发器置1

1 1 1 1 0 0 0 1 0

0 触发器置0

1 1

1 1

1 1

0 1

不定

不定

触发器状态不变

表1.1.2同步RS 触发器功能表

同步RS 触发器的特性方程为：

｛

)(1

=+=+=+RS Q

R S Q R S Q

n

n n

（3）动作特点

（1）时钟电平控制。在CP=1期间接收输入信号，CP=0的状态保持不变，与基本RS 触发器相比，对触发器状态的转变增加了时间控制。但在CP=1期间内，输入信号的多次变化，都会引起触发器的多次翻转，此现象称为触发器的“空翻”，空翻降低了电路的抗干扰能力，这是同步触发器的一个缺点，只用于数据封存，不能用于计数器、寄存器、储存器等。

(2)R 、S 之间有约束。不能允许出现R 和S 同时为1的情况，否则会使触发器处于不确定的状态。

1.1.3主从RS 触发器

为了提高触发器的可靠性，规定了每一个CP 周期内输出端只能动作一次，主从触发器是建立同步触发器的基础上，解决了触发器在CP=1期间内，触发器的多次翻转的空翻现象。

（1）主从触发器的基本结构

主从触发器的基本结构包含两个结构相同的同步触发器，即主触发器和从触发器，它们的时钟信号相反，框图及符号如图1.1.3所示。

图1.1.3主从RS触发器

（2）主从触发器的动作特点

如图1.1.3所示的主从RS触发器，CP=1期间，主触发器接受输入信号；CP=0期间，主触发器保持不变，而从触发器接收主触发器状态。因此，主从触发器的状态只能在CP下降沿时刻翻转。这种触发方式称为主从触发式，克服了空翻现象。

1.1.4边沿触发器

为了进一步提高触发器的抗干扰能力和可靠性，我们希望触发器的输出仅仅取决于CP上沿或下沿时刻的输入，而在此前和此后的输入状态对触发器无任何影响，具有此特性的触发器就是边沿触发器。

边沿触发器的动作特点：只能在CP上升（或下降沿）时刻接受输入信号。因此，电路状态只能在CP上升沿（或下降沿）时刻翻转，这种触发方式称为边沿触发式。

1.2集成触发器的原理及其功能

1.2.1集成JK触发器

（1）引脚排列和逻辑符号

常用的集成芯片型号有74LS112（下降边沿触发的双JK触发器）、CC4027（上升边沿触发器的双JK 触发器）和74LS276四JK触发器（共用置1、置0端）等。下面介绍的74LS112双JK触发器每片集成芯片包含两个具有复位端单位下降沿触发器的JK触发器，通常用于缓冲触发器、计数器和移位寄存器电路中。74LS112双JK触发器的引脚排列和逻辑符号如图1.2.1所示。其中J和K为信号输入端，是触发器状态更新的依据；Q、Q为输出端；CP为始终脉冲信号输入端，逻辑符号图中CP阴线上端的“Λ”符号表示边沿触发，无此“Λ”符号表示电位触发；CP脉冲引线端既有“Λ”符号又有小圆圈时，表示触发器状态变化发生在时钟脉冲下降沿到来时刻；只有“Λ”符号没有小圆圈时，表示触发器状态

变化发生在时钟脉冲上升沿时刻；S 为直接置1端、 R 为直接置0端，S 和 R 引线端处的小圆圈表示低电平有效。

图1.2.1 双JK 触发器的引脚图和逻辑符号图

（2）逻辑功能

JK 触发器是功能最完备的触发器，具有保持、置0、置1、翻转功能。表10.3为74LS112双JK 触发器功能真值表。

输 入

输 出

功能说明

R S CP J K 1+n Q

1

+n Q

0 1 X X X 0 1 直接置0 1 0 X X X 1

0 直接置1 0 0 X X X 不定

状态不定

1 1 1 0 0 n

Q

n

Q

状态保持不变

1 1 1 1 0 1 0 置1 1 1 1 0 1 0

1 置0 1 1 1 1 1 n

Q

n Q

状态反转 1

1

1

X

X

n Q

n

Q

状态保持不变

表1.2.1 JK 触发器（74LS112）功能表

JK 触发器的特性方程为：n

n n Q K Q J Q +=+1

1.2.2集成D 触发器

（1）引脚排列和逻辑符号

目前国内生产的集成D触发器主要是维持阻塞型。这种D触发器都是在时钟脉冲的上升沿触发翻转。常用的集成电路有74LS74双D触发器、74LS75四D触发器和74LS76六D触发器等。74LS74双D触发

器的引脚排列和逻辑符号如图10.6所示。其中D为信号输入端，是触发器状态更新的依据；

n Q、

n

Q为输出端；CP为时钟脉冲信号输入端，逻辑符号图中CP引线上端只有“Λ”符号没有小圆圈，表示74LS74双D触发器状态变化在时钟脉冲上升沿时刻；R为直接置1端，S为直接置0端，R和S引线端处得小圆圈表示低电平有效。

图1.2.2 74LS双D触发器的引脚图和逻辑符号图

（1）逻辑功能

D触发器具有保持、置0和值1功能。表10.4为74LS74触发器功能真值表。

输入输出功能说明

R S CP D 1+n

Q

0 1 X X 0 直接置0

1 0 X X 1 直接置1

0 0 X X 不定状态不定

1 1 1 1 1 置1

1 1 1 0 0 置0

1 1 1 X n

Q状态保持不变

表1.2.2 74LS74触发器功能真值表

D触发器特性方程为：

D

Q n=

+1

74LS175四D触发器每片芯片集成包含4个上升沿触发的D触发器，其逻辑功能与74LS74一样，引脚排列图如图1.2.3所示。CR为清零端，低电平有效。

图1.2.3 74LS175引脚排列图

第二章 NE555集成定时器的组成和工作原理

NE555原理图

我们知道，555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。

在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变的更加复杂。为了便

于我们分析和识别电路，更好的理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分为3大类、8种、共18个单元电路。每个电路除画出它的标准图型，指出他们的结构特点或识别方法外，还给出了计算公式和他们的用途。方便大家识别、分析555电路。下面将分别介绍这3类电路。

2.1单稳类电路

单稳工作方式，它可分为3种。见图示1。

第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1和1.1.2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第2种（图2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都

是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的

形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。

第3种（图3）是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1.3.1；使用晶体管、

运放放大器等辅助器件的电路为1.3.2。图中列出了2个常用电路。

2.2双稳类电路

这里我们将对555双稳电路工作方式进行总结、归纳。555双稳电路可分成2种。

第一种（见图1）是触发电路，有双端输入（2.1.1）和单端输入（2.1.2）2个单元。单端比较器（2.1.2）可以是6端固定，2段输入；也可是2端固定，6端输入。

第2种（见图2）是施密特触发电路，有最简单形式的（2.2.1）和输入端电阻调整偏置或在控制端（5）加控制电压VCT以改变阀值电压的（2.2.2）共2个单元电路。

双稳电路的输入端的输入电压端一般没有定时电阻和定时电容。这是双稳工作方式的结构特点。2.2.2单元电路中的C1只起耦合作用，R1和R2起直流偏置作用。

第三章 抢答器的原理及其功能

3.1抢答器的逻辑功能和电路组成

3.1.1逻辑要求

由集成触发器构成的抢答器中，S 1、S 2、S 3、S 4为抢答操作按钮。任何一个人先将某一按钮按下，

则与其对应的发光二极管（指示灯）被点亮，表示此人抢答成功；而紧随其后的其他开关再被按下，与其对应的发光二极管则不亮。

3.1.2电路组成

实训电路如图3.1.1所示，该电路由触发器74LS175、蜂鸣发声器、时钟脉冲NE555、与非门74LS20、与非门74LS00及脉冲触发电路等组成。其中S 1、S 2、S 3、S 4为抢答按钮，S 5为主持人复位按钮。74LS175为四D 触发器，其内部具有4个独立的D 触发器，4个触发器的输入端分别为D 1、D 2、D 3、D 4，输出端为Q 1、1Q ；Q 2、2Q ；Q 3、3Q ；Q 4、4Q 。四D 触发器具有共同的时钟端（CP ）和共同的清零端（CR ）。74LS20为双4输入与非门，74LS00为四2输入与非门。

图3.1抢答器电路图

图3.1.1 抢答器整体电路图

3.2电路的工作过程

当无人抢答时，41~S S 均未被按下，41~D D 均为低电平，在555定时器电路产生的时钟脉冲作用下，74LS175的输出端41~Q Q 均为低电平，LED 发光二极管不亮，74LS20输出为低电平，也不发声。当有人抢答时，例如，1S 被按下时，1D 输入端变为高电平，在时钟脉冲的作用下，1Q 立即变为高电平，对应的发光二极管发光。同时01 Q ，使74LS20输出为1，蜂鸣器发声。74LS 输出经74LS00反向后变为0，将NE555定时器的时钟脉冲封锁，此时74LS175的输出不再变化，其他抢答者再按下按钮也不起作用，从而实现了抢答。若要清零，则由主持人按5S 按钮（清零）完成，并为下一次抢答做好准备。

结论

本文研究与设计的抢答器采用了通用的电子元器件，利用触发器及外围接口实现抢答系统，利用555定时器和简单与非门的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行工作，同时使蜂鸣器能够正确地发声。设计时，首先通过查阅资料，整理所学知识，然后请教指导老师，最终自己独立完成设计。

本设计中，利用常规的触发器和与非门。通过电路测试研究得出。

整个设计通过了电子电路硬件的设计。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。对于抢答器的设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决电路如何实现的问题。而电路实现是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在设计上面的。电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个元件才是关键的问题所在，这需要对触发器的结构很熟悉。因此可以说抢答器的设计是电子元件和电路实现的结合，二者是密不可分的。

但是，通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的专业知识还需要学习提高。

参考文献

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[6] 刘孙刚等.数学电路应用基础.北京：电子科技大学出版社，1993 [7] 阎石主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1985 [8] 吴建强.数字集成电路基础.北京：航空工业出版社，1995

[9] 蒋德川主编.电工学（卷一）电工技术.北京：高等教育出版社，1990 [10] 周鑫霞.电子技术.武汉：华中理工大学出版社，1998

附录

型号或大小 数目 芯片

74LS175 74LS20 74LS00

1 1 3 电容

22uf 0.1uf 0.01uf

1 1 1 电阻

510Ω 1ΩK 10ΩK

9 1 1 其他

发光二极管 4 按钮 5 蜂鸣器 1 电路板 1 导线等

若干

组长 燕文 ：主要负责查阅书籍以及相关资料完成整体版式的设计。

组员 娄亚翔 ：根据课本所学知识以及相关资料整理第一章：触发器的基本原理及功能。

赵儒桐 ：根据查阅的相关资料设计完成第二章： NE555集成定时器的组成和工作原理。 贾元明 ：在查阅相关资料以及根据课本的所学知识，完成第三章：抢答器的原理及其功能。