打地鼠遊戲邏輯電路設計範例

前言

本電路以非編程方式實現經典打地鼠遊戲。使用邏輯 IC 取代微處理器控制流程，所構成的電路較為複雜，並涉及多個技術難點。是次回歸原始，目的為向大家示範如何運用基本邏輯閘及離散電子元件組合，製作較大型邏輯電路。從電路設計、選購元件到測試階段整個過程曾遇到大小不一的困難與喜悅，在此通過互聯網，冀與電子愛好者相互交流不吝指正、分享經驗。望透過此一有趣範例能吸引更多門外漢增加對電子學的興趣。

打地鼠遊戲說明

目的

遊戲開始後，16 個帶燈按鈕（地鼠）隨機亮起，並相隔特定時間只亮一顆。玩家需要在燈熄滅前及時按下按鈕取分，直至遊戲結束。

遊戲模式

設單關（單獨關卡）及連關（連續關卡）模式。

A. 單關模式

遊戲開始前，用「選擇等級」按鈕選擇等級 0 至 4 其中一級，以第 0 級亮燈頻率最低，第 4 級最高。每局上限隨機亮燈 20 次，擊中可取 1 分。如擊中率少於 50%，即累積打失次數達 11 次，遊戲即時結束，紅色指示燈亮起。如順利完成整個遊戲，遊戲結束後綠色指示燈亮起。

B. 連關模式

遊戲從第 0 級開始，計分方法與單關模式相同。順利完成即可晉級，晉級後累積打失次數將重設為 0。如處於任何一關，其累積打失次數達 11 次，遊戲即時結束，紅色指示燈亮起。玩家若能連續晉級並順利完成第 4 級，遊戲結束後綠色指示燈亮起。累積分數達 100 分者（連關模式下，擊中率達 100%），橙色指示燈不斷閃爍。

遊戲輸入

項目	元件
「開始 / 暫停」按鈕	按鍵開關 x 1
「選擇等級」按鈕	按鍵開關 x 1
「遊戲模式」選擇器	雙刀雙擲（DPDT）開關 x 1
基本出燈速度控制器	可調電阻 x 1
「地鼠」	帶燈按鈕 x 16

遊戲輸出

項目	元件
現時等級	七段共陰數碼管 x 1
累積分數	七段共陰數碼管 x 2
累積打失次數	七段共陰數碼管 x 2
順利完局指示燈	綠色 LED x 1
本局失敗指示燈	紅色 LED x 1
累積分數 100 分指示燈	橙色自閃 LED x 1

遊戲流程簡述

1.   使用 DPDT 開關選擇遊戲模式。

2.   如選擇單關模式，可進一步選擇遊戲級別。

3.   按一下「開始 / 暫停」按鈕開始遊戲。

4.   遊戲進行途中，可隨時按一下「開始 / 暫停」按鈕切換暫停或繼續遊戲。

5.   遊戲結束後方能按一下「開始 / 暫停」按鈕重新遊戲。在任何情況下切換遊戲模式，整個遊戲將重設，並等待新局開始。

參考電路 （可按此下載）

電路設計概略

• 設計電路前，應先規劃遊戲大綱，然後制定規則、主要輸入與輸出數目、流程時序等，以縮減往後電路測試和修改時間。
• 電路設計務求簡潔，選擇 IC 時需特別留意其工作電壓、扇出數及輸出電流，以免因推動力不足影響次級 IC 元件輸入位準或其他元件運作。建議統一採用同族 IC 如 4000 系列 CMOS 或 74HC 高速系列，混合使用可能因兩者特性差異（例如響應頻率），影響電路正常操作。然而，本參考電路出現不同 IC 族混合使用情況，原因是盡量運用手上現有資源，這當然會遇上一定困難。如各位有興趣進行本項目，可自行按需要適量修改電路。
• 為增加電路穩定性，各 IC 電源 VCC 與接地 GND 腳位之間可駁接電容（如 0.1µF），或在電路正負極之間駁接一顆較大電容量的電容代替（以本參考電路為例，可使用 22µF）。
• 電源接上片刻，整體電路處於不明狀態，必需要自動進行一次重設。
• 如使用有 N 個輸入端的邏輯閘，而實際扇入數少於 N 時，空出的輸入端最好按情況全接至 VCC（如 AND 閘）或 GND（如 OR 閘）。
• 留意計數器 IC 屬正緣或是負緣觸發，當兩種不同觸發類型 IC 配合使用時，需小心設計該部分電路，確定可正確計數。

電路焊接與測試

• 繪製初版電路圖後，應先分多個小部分焊接測試。如不熟悉某種 IC 的特性，更需先查閱數據手冊（DATASHEET），並透過簡單實驗作基本了解。
• 焊接電路後，以萬用電表檢查各焊點是否焊接妥當，沒有短路，架起電路板方開啟電源測試。
• 留意電源電壓不可超出 IC 工作電壓，否則可導致元件銷毀。
• 接線過長或過度堆疊，有機會對電路造成干擾，使運作不穩定，請特別留意。
• 建議規劃電路板上的元件時，加入數個備用 IC 座及插針插座，方便在測試階段時修改電路。

相關影片

以下分別為打地鼠遊戲介紿及示範影片，希望大家進一步了解遊戲設計和製作的心路歷程：

遊戲介紹

遊戲示範

止於至善——經典數位電路：4 位二進制密碼鎖（進階版）

前文提要

上回講述初階版 4 位二進制密碼鎖電路，密碼核對部分以 2 輸入 XNOR 閘和 4 輸入 AND 閘構成。只要輸入正確密碼，LED 便亮著。因電路設計非常簡單，存在不少漏洞，所以不適合應用於實際生活。如此，文末建議將電路加以完善，並設定以下條件：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。預設一組密碼〈P3, P2, P1, P0〉，使用者輸入另一組數值〈U3, U2, U1, U0〉後，按「提交」鍵核對。如兩組數值相符（每個位元對〈Ui, Pi〉的值需相同），綠色    LED 穩定亮著；如不相符，則紅色 LED 亮起後熄滅。系統接受最多連續三次錯誤輸入，之後需按「重置」鍵，以重新接受輸入。（如輸入密碼正確，亦需按「重置」鍵進行下一次核對。）

各位可有想出符合以上條件的電路？事實上，要全以邏輯元件建構電路，當中有一定挑戰性；相反，如轉用編程方法實踐，電路定必大幅簡化，但為熟習邏輯電路設計技術，諸位必須迎難而上、積極思考、夙夜練習。

進階電路剖析

設計電路前，宜先清楚列出電路組成部分：

輸入元件

l   兩組 4 位撥動開關（預設密碼和輸入密碼）

l   「提交」鍵

l   「重置」鍵

輸出元件

l   紅色 LED

l   綠色 LED

詳細執行要求

l   按下「提交」鍵後始進行密碼核對，並出現下列其一情況：

（情況一）之前輸入錯誤次數累計少於 3 次以下，並且現時綠色 LED 未有亮著：

n   如兩組密碼相符，綠色 LED 穩定亮著。

n   如兩組密碼不相符，紅色 LED 短暫亮著，輸入錯誤次數遞增一次。

（情況二）之前輸入錯誤次數累計已達 3 次：

n   不管兩組密碼是否相符，皆沒有燈號提示。

（情況三）之前輸入正確密碼，現時綠色 LED 穩定亮著：

n   必須按下「重置」鍵，始可再次輸入密碼。

l   按下「重置」鍵後，不論先前所輸入的密碼錯誤或正確，所有燈號（如有）將消除，並且將輸入錯誤記錄次數重設為零，準備接受新一次密碼核對。

參考電路

一如慣例，先提供參考電路（可按此下載）。

圖一：4 位二進制密碼鎖（進階版）參考電路

電路操作流程

邏輯電路設計如下棋佈陣，各電路部分環環相扣，比編程更難於有系統地分拆講述，大型邏輯電路設計尤甚。筆者只能嘗試解構當中重點，望諸位見諒。

本參考電路的密碼輸入和核對部分，與初階版電路相若，皆使用 2 輸入 XNOR 閘和 AND 閘組成。初階版電路使用 4 輸入 AND 閘，本電路則需要第 5 個 AND 閘輸入，該輸入直接與「提交」（SUBMIT）鍵相接。由於坊間沒有 5 輸入 AND 閘，是次改用 8 輸入 AND 閘，只要將其中 4 個輸入直接連接，便可當成 5 輸入 AND 閘使用。

未按「提交」鍵時，第 5 個 AND 閘輸入「L」；按下「提交」鍵後，第 5 個 AND 閘輸入的位準取決於 NOR 閘（標示名稱：U3B）輸出。只有兩個 NOR 閘輸入為「L」，輸出才會為「H」。進一步觀察電路，兩個輸入皆為「L」的條件為：

1.          現時紅色 LED（R LED）不亮著；

2.          現時沒按下「重置」鍵（RESET）不放；

3.          現時綠色 LED（G LED）不亮著；及

4.          現時密碼輸入錯誤的次數未達 3 次

符合以上條件並按下「提交」鍵後，第 5 個 AND 閘輸入的位準為「H」，表示有效的提交。讓我們分開以下兩種情形講述電路的連鎖反應：

(1)   輸人密碼正確

8 輸入 AND 閘將輸出「H」，即 AND 閘（U5C）第 8 腳位為「H」。留意按下「提交」鍵前及連續輸入錯誤次數少於 3 次，令 AND 閘（U5B）第 4 腳已輸出「H」，因接至 AND 閘（U5C）第 9 腳，該輸入端同為「H」，最後令綠色 LED 亮著。AND 閘（U5C）輸出接回第 8 腳，產生閂鎖功能（參閱文章：《簡單？不簡單！：三人搶答系統（進階版）電路探討》），如「重置」鍵不按下，LED 保持長亮。

留意接至「提交」鍵的 NOR 閘（U3B）變成輸出「L」（請各位嘗試推敲原因），即不接受下一次提交密碼，直至按下「重置」鍵。

(2)   輸人密碼錯誤

8 輸入 AND 閘將輸出「L」，令 AND 閘（U5A）第 1 腳位為「H」。留意，按下「提交」鍵一剎（未復位時），亦令 AND 閘第 2 腳位為「H」，最後因輸出「H」而使紅色 LED 亮起。然而紅色 LED 亮起後短時間內會熄滅，亮著所維持的時間取決於接至該 AND 閘第 2 腳位的電容和電阻值。注意，當紅色 LED 仍然亮著時，不接受新一次密碼核對，你知道是什麼原因嗎？

AND 閘（U5A）輸出「H」亦令十進制計數器 IC 4017 加一，即密碼輸入錯誤次數累加一次。如錯誤次數少於上限，仍可繼續接受新一次密碼核對。否則當 4017 的 Q3 輸出「H」，表示錯誤次數已達上限，最後令 NOR 閘（U3B）輸出「L」，直至按下「重置」鍵，方可再有 3 次機會核對密碼。

電路設計要點

物盡其用

參考電路圖上的邏輯元件可進一步簡化，例如 NOR 閘（U3A）與 NOT 閘（U4A）可直接使用 OR 閘取代，又或兩個相連的 NOT 閘（U4C 和 U4D）可改成一個緩衝（Buffer）閘。但電路設計在大多數情況下，應以精簡為原則，例如 4069 IC 包含 6 個 NOT 閘，我們不妨物盡其用，使用當中 4 個 NOT 閘。相較另加一個緩衝 IC，更能節省電路成本和縮減電路尺寸。

二極管的使用

參考電路上有 3 顆二極管 IN4148，相隔電路前後部分，令兩者不互相影響，避免操作錯誤或引致短路。

緩衝閘的作用

邏輯閘輸出端接駁至下一級邏輯閘輸入端的數量是有限制的，我們稱之為扇出數。以 TTL 為例大概扇出 10 左右，所以使用邏輯閘輸出端接駁不同的負載（如指示燈、繼電器或大量邏輯閘輸入閘等），導致輸出產生壓降，令推動下一級邏輯閘輸入端的位準電壓降低，使工作產生錯誤。此時可使用一個或多個緩衝閘負擔部份負載輸出。以本電路為例，若在紅色 LED 前不接駁緩衝閘，LED 不能點亮。

實際操作問題

完成電路焊接後，接上電源嘗試操作，你或許發現電路出現不正常狀況，例如綠色 LED 無故亮起，又或按下「提交」鍵後，LED 全沒反應。出現這個狀況，在於接上電源後，輸入各 IC 的工作電壓慢慢浮升，但因特性差異，未能同步正式工作，故此在初始階段處於不明狀態，可能令某些邏輯元件產生錯誤輸出、計數器初值不是零等。只要在每次開機後，按下「重置」鍵便回復正常操作。追求完美的你或認為這種動作帶來不便，此時我們可修改電路，強制電路在開機後自動重置，徹底解決問題。修改部分較為複雜，在此省略，如有興趣請自行研究。

圖二：設有「開機後自動重置」功能的參考實體電路

最後送上圖二的電路示範影片，以茲參考：

經典數位電路：4 位二進制密碼鎖（初階版）

筆者小廣告：喜愛電子製作的同好，本人誠意推介以下電子時鐘套件。套件為筆者與團隊共同開發，屬本地原創，外型與硬件設計以簡約為本，基本功能完善，性價比高。內附詳細焊接及使用說明書，並有YouTube影片作操作示範。要求套件及成品均可，歡迎零售或批發。

*註：套件不附外殼

https://elec-mischief.blogspot.com/2020/01/clock.html

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前文討論如何建構搶答電路，藉此實踐邏輯元件的使用技巧。今回與大家分享密碼鎖電路，這是極為經典的數位電路應用實例，讓我們先從最基本的設計開始。要求如下：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。如輸入的數值〈U₃, U₂, U₁, U₀〉與預設的一組密碼〈P₃, P₂, P₁, P₀〉相符（每個位元對〈U_i, P_i〉的值需相同），LED 亮著。如不相符，LED 則不亮著。

為進一步簡化電路，初階版不設「提交」鍵，故此在電源開啟後，任何時間均在核對兩組數字。

以下為參考電路（可按此下載）：

圖一：4 位二進制密碼鎖（初階版）參考電路

電路設計較為簡單，當中使用兩個 4 位撥動開關設定預設密碼和輸入密碼。每個 XNOR 閘比較兩個二進制數字的相同位元，如兩個數值相同，輸出為「H」。因為密碼是 4 位數，所以 4 個 XNOR 閘輸出需同為「H」，才表示輸入密碼正確，令 LED 亮著。使用一個 4 輸入的 AND 閘，即能控制 LED 亮著或熄滅。

將電路圖化為實體電路後如下：

圖二：4 位二進制密碼鎖（初階版）參考實體電路

圖三：兩組密碼不符，LED 不會亮著。

圖四：兩組密碼相符，LED 亮著。

如各位有興趣，可進一步觀看示範影片：

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初階版密碼鎖電路的設計簡單，亦不具實用性，漏洞頗多。4 位二進制共有 2⁴ = 16 個組合，因不設輸入次數上限，只要最多嘗試輸入 16 次，便能破解密碼。現實生活上，密碼鎖通常具防止暴力攻擊（brute-force attack）的特點。讓我們重新思考一個更合常理的密碼鎖設計要求，如下所述：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。預設一組密碼〈P₃, P₂, P₁, P₀〉，使用者輸入另一組數值〈U₃, U₂, U₁, U₀〉後，按「提交」鍵核對。如兩組數值相符（每個位元對〈U_i, P_i〉的值需相同），綠色 LED 穩定亮著；如不相符，則紅色 LED 亮起後熄滅。系統接受最多連續三次錯誤輸入，之後需按「重置」鍵，以重新接受輸入。（如輸入密碼正確，亦需按「重置」鍵進行下一次核對。）

這個進階版密碼鎖電路，更為貼近實際需要。輸入密碼錯誤次數超出上限，將鎖著系統，需通知系統管理人員解鎖才可再次輸入，增加安全性。功能增加令電路設計難免稍加複雜，系統需正確執行外，更要考慮穩定性。雖然我們可改用編程設計複雜的電路，但為本著熟習應用邏輯元件的初衷，參考電路將主要以數位 IC 構成，且待下回分解。