2019年2月15日 星期五

簡單?不簡單!:三人搶答系統(進階版)電路探討

上回與各位分享初階版三人搶答系統電路,文末提出應如何進一步完善系統要求,並因而設計出一個既簡單又實用的進階版搶答系統及其電子線路。

現就系統制定作出如下規範及條件:
設現在有一個搶答遊戲,我們需為此設計完善的搶答系統。遊戲有三名參賽者,各人面前有一個按鈕,連接著旁邊代表他的燈泡。當遊戲主持人發問問題後,參賽者鬥快按下搶答按鈕。第一位按下按鈕的參賽者,其燈泡長期亮著,即使放開按鈕亦然。此後即使其他參賽者按下自己的按鈕,代表他的燈泡不會亮著。主持人便藉此知道那一位有回答權。直到主持人按下重置按鈕,燈泡熄滅,即可進行第二次搶答。

此系統與初階版有以下兩點不同之處:
1.          按下按鈕後再放開,燈泡可長期亮著。
2.          設有重置按鈕,每次搶答前需按一次按鈕,方能熄滅原來亮著的燈泡,重新搶答。

以下是筆者所設計的電路(可按此下載),供各位參考:

圖一:三人搶答系統(進階版)參考電路

與初階版電路比對,電路基本結構大至相同,只加入重置(如圖二)及閂鎖(如圖三)電路。每個開關按鈕與相應
LED 之間的子電路,使用的零件和接線方法相同,邏輯元件皆包括一個 OR 閘、一個 4 輸入 AND 閘及兩個 NOT 閘。

圖二:重置電路部分

圖三:閂鎖電路部分

使
LED 亮著的條件為 AND 閘的輸出必需為「H」。未有任何 LED 亮著時,所有 AND 閘輸出「L」。兩個 NOT 閘反相輸出「H」,成為 AND 閘的其中兩個輸入。

未按下重置按鈕時(圖二),接至該按鈕的 NOT 閘輸出「H」。留意這個輸出端接至所有 AND 閘的其中一個輸入端,換句話說,現時各 AND 閘已有三個輸入端為「H」。只要按下其中一個搶答按鈕(SW 1SW 2 SW 3),OR 閘即輸出「H」,AND 閘亦因而輸出「H」,令對應的 LED 亮著。在未曾按下重置按鈕時, AND 閘的輸出位準取決於 OR 閘的輸出位準

放開搶答按鈕後,發現 LED 仍然亮著,亦即 AND 閘輸出維持「H」位準,為什麼呢?原來 AND 閘輸出端接至 OR 閘的一個輸入端(見圖三紅線),當 AND 閘輸出「H」,即令 OR 閘亦輸出「H」,而不管搶答按鈕是否再次按下,宛如擁有記憶,這就是類似閂鎖(latch)電路的結構。

當 AND 閘持續輸出「H」其餘兩個 AND 閘便持續輸出「L」阻止其餘兩顆 LED 亮著這是因 NOT 閘將 AND 閘輸出反相輸入至其餘兩個 AND 閘之故只要按下重置按鈕將所有 AND 閘輸出變成「L」即可重新下一次搶答

實踐比空談理論重要,以下是焊接後的電路和操作示範。

圖四:焊接後的電路

圖五:按下開關按鈕 A,對應的 LED 持續亮著。

圖六:按下其他開關按鈕,亦不改變 LED 狀態。

以下影片展示電路實際操作:




結語

這個三人搶答系統進階版線路設計較為繁複,實際設計可進一步簡化,但為著實踐應用不同邏輯元件原則,此作如是故。當然電路設計五花八門,各位所想像的解決方案或許與筆者相異,歡迎留言交流分享。此搶答系統仍有改進之處,現留下思考空間讓大家繼續討論。未來筆者將提出更多有趣的邏輯電路問題,但畢竟電路從設計到驗證需時,請耐心等候。如在電路設計上遇到其他疑問,請私下聯絡,筆者願盡力為大家解答。

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