三人搶答系統（初階版）參考電路 / 如何使設計更完善？

上回簡介數位電路和重溫基本邏輯元件 AND、OR 及 NOT 閘的基本概念，就一些應用電路設計，通過實踐不單驗証前人提出邏輯閘的觀念，更對邏輯元件的認識及電路焊接技巧有莫大裨益。     

就上回文章結尾所提出的數位電路簡單應用問題，不知各位能否成功按要求設計電路？問題覆述如下：

數位電路設計：三人搶答系統（初階版）

設現在有一個搶答遊戲，我們需為此設計簡單的搶答系統。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並且一直不放。第一位按下按鈕的參賽者，其燈泡亮起。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。直到所有參賽者放開按鈕，便可進行第二次搶答。換句話說，在任何時間裡三顆燈泡只能最多有一顆亮著。

我們設計邏輯電路前，需確徹了解所有輸入與輸出間的關係、運作流程和執行結果，才能進一步決定電路主要零件和接線方法。把以上問題稍加整理，可列出電路設計的重點：

輸入：

• 三個開關按鈕（SW 1、SW 2 及 SW 3）

輸出：

• 三顆燈泡（LED 1、LED 2 及 LED 3）

執行：

• 如其中一個開關按鈕（設為   SW 1）先按下並且不放開時，對應的   LED 1 亮著。
• 如其中一個開關按鈕（設為   SW 1）先按下並且不放開時，即使其餘兩個開關按鈕（SW 2 及 SW 3）之後按下，對應的   LED 不會亮著。
• 同一時間只能最多一顆 LED 亮著。
• 放開開關按鈕後 LED 熄滅。

電路的重點是「同一時間只能有一顆   LED 亮著」，即對最快按下開關按鈕者的 LED 首先亮著 ，並不理會其他開關按鈕的輸入。我們可從此點加以思考應用什麼邏輯元件完成操作。先參看筆者設計的電路（可按此下載）：

圖一：三人搶答系統（初階版）參考電路

現簡單論述電路運作流程。在未按下任何開關按鈕時，所有 LED 不會亮著，即所有 AND 閘輸出均為「L」。由於各 AND 閘輸出端皆接至兩個 NOR 閘的輸入端，所有 NOR 閘的輸出端為「H」。又因各 NOR 閘輸出端接至對應 AND 閘的其中一個輸入端，所以接至此 AND 閘的輸入端為「H」。假設現在按下開關按鈕 SW 1 不放， AND 閘的兩個個輸入端皆為「H」，最後因 AND 閘輸出「H」，LED 1 亮著。同時，AND 閘輸出「H」導致其餘兩個 NOR 閘輸出「L」，即使按下 SW 2 或 SW 3，對應的 AND 閘輸出均為「L」，LED 2 及   LED 3 也不會亮著。

設計電路不能只單靠基本的電學知識，更要消除令電路不能穩定運作的因素。以圖一參考電路為例，雖然看似簡單，但在設計上有三點需要注意：

1. 避免邏輯閘輸入端出現浮接

各開關按鈕和 AND 閘輸入端之間皆接上電阻 10KΩ，而電阻的另一端則接地。這是為了在不按下開關按鈕時，確保 AND 閘輸入端為「L」。因   AND 閘輸入端內阻極高，如沒有接駁上電阻，則有機會使 AND 閘輸入端因受雜訊感染，令輸入端變成「H」（此為浮接現象），因而產生執行錯誤。

2. 使用退交連電容增加電路穩定性

在一個複雜的電路中，其有源零件包括 IC 、晶體管等大多是接上同一電源，各   VCC 走線及其回路（地線）有不同數值的電阻或電容存在，極容易做成相互干擾，令線路不穩。良好習慣是在各 IC 的   VCC 和接地之間接上一顆電容，以增加操作的穩定性。如果電路走線簡單，零件不多，亦可以單枚電容，接在總電源正負位之間代替如圖一。

3. 使用同一系列 IC

本參考電路使用兩顆 IC ，分別是 4 組二輸入端 AND 閘（quad 2-input AND gate）4081 及 4 組二輸入端 NOR 閘（quad 2-input NOR gate）4001，兩者都是 CMOS 系列 IC。我們亦可使用 TTL 系列 IC 代替，但是不建議 CMOS 和 TTL 系列 IC 混合使用。因為兩者的性能特點不同（如傳輸延遲時間、電壓位準範圍等），混合使用有可能令電路執行時不穩定。

最後我們看看焊接後的電路和執行效果。

圖二：三人搶答系統（初階版）參考實體電路

圖二是根據圖一所焊接的實體電路。各個〈開關，LED〉對以相同英文字母表示。

圖三

圖四

圖五

圖三至圖五：按下其中一個開關按鈕，對應的 LED 亮著。

圖六：按下兩個開關按鈕（A 及 B），只有最先按下的開關按鈕（A）觸發對應的 LED （A）亮著。

各位亦可按以下連結觀看示範影片。

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下回預告

我們已根據要求設計搶答系統的電路圖和製作實體電路。現在，讓我們試改進電路，達到以下新的要求。

數位電路設計：三人搶答系統（進階版）

設現在有一個搶答遊戲，我們需為此設計簡單的搶答系統。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，按鈕釋放後亦復如是。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。

這進階版電路增添一個重置按鈕，更方便主持人操控遊戲過程。大家請先細想一下應如何修改電路，下回與各位分享參考電路。