基于Multisim的四路搶答仿真設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)要求

(1) 四人搶答電路

(2) 具有九秒倒計(jì)時(shí)電路

(3) 設(shè)計(jì)數(shù)字顯示電路

(4) 設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器電路

搶答按鍵：四個(gè)搶答選手可通過(guò)按動(dòng)自己的按鈕將信號(hào)送入74LS148進(jìn)行編碼。

編碼器：選用74LS148編碼器，將搶答按鈕輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼，再將編碼結(jié)果輸入74LS175D觸發(fā)器。

觸發(fā)器：選用74LS175觸發(fā)器，將編碼器編碼信息進(jìn)行鎖存，再送入74LS48譯碼器。

脈沖發(fā)生電路：脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1HZ脈沖，供計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器74ls160對(duì)1HZ脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)即對(duì)秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

譯碼器：選用74LS48譯碼器，將觸發(fā)器所村的按鍵信號(hào)、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行譯碼，譯成相應(yīng)的BCD碼以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示相應(yīng)選手號(hào)碼以及計(jì)時(shí)時(shí)間。

數(shù)碼管：選用共陰極數(shù)碼管。其相應(yīng)端口與譯碼器相連，根據(jù)輸入的BCD碼顯示搶答成功選手的編號(hào)和倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

揚(yáng)聲器報(bào)警電路：當(dāng)四個(gè)搶答者有一個(gè)搶答者搶答成功后啟動(dòng)揚(yáng)聲器電路，由一個(gè)兩個(gè)或門跟蜂鳴器構(gòu)成，當(dāng)有按鍵按下時(shí)觸發(fā)器鎖存住信號(hào)由原來(lái)的0000變?yōu)?-4的某一個(gè)數(shù)使得或門輸出為1，從而蜂鳴器響。

搶答按鍵一端上拉電阻一端接觸發(fā)器輸出后經(jīng)過(guò)四輸入與門的輸出后取反，則當(dāng)有一個(gè)按鍵按下時(shí)與門輸出為低電平，使得按鍵兩端都為高電平，所以當(dāng)有一個(gè)按鍵按時(shí)其他按鍵按下不會(huì)產(chǎn)生電平變化，從而實(shí)現(xiàn)搶答功能。

電路如下所示：

3.2 編碼單元電路設(shè)計(jì)

編碼單元電路由74ls148優(yōu)先編碼器構(gòu)成。其功能表如下所示：

              由其功能表可發(fā)現(xiàn)當(dāng)4、3、2、1輸入為0時(shí)輸出分別為1、2、3、4，分別為搶答者編號(hào)。則將其6個(gè)按鍵輸出接入編碼器6、5、4、3、2、1輸入口，輸出接入觸發(fā)器輸入。電路圖如下所示：

3.3數(shù)據(jù)鎖寸單元電路設(shè)計(jì)

將編碼器的3個(gè)輸出端與D觸發(fā)器3個(gè)輸入端相連，再將8號(hào)按鍵輸入取反接入觸發(fā)器最高位， 8線-3線優(yōu)先編碼器（74LS148）將輸入的低電平有效信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先選擇，并且將選擇出的信號(hào)觸發(fā)器模塊進(jìn)行鎖存。74LS175觸發(fā)器保持時(shí)需要上升沿脈沖，所以用與門對(duì)按下按鍵進(jìn)行判斷從而產(chǎn)生上升沿脈沖。

74ls175功能表：

仿真電路如下：

3.4 脈沖發(fā)生單元電路設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生電路采用555構(gòu)成的多諧振蕩電路。

用 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖所示：圖中電容 C、電阻 R1 和 R2 作 為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。定時(shí)器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥 值輸入端（6 腳）與電容相連；集電極開(kāi)路輸出端（7腳）接 R1、R2 相連處，用以控制電容 C 的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過(guò) 0.01uF 電容接地。

多諧振蕩器的工作波形如圖 6-11(b) 所示： 電路接通電源的瞬間，由于電容 C 來(lái)不及充電， Vc=0v ，所以 555 定時(shí)器狀態(tài)為 1，輸出 Vo 為高電平。同時(shí)，集電極輸出端（7 腳）對(duì)地?cái)嚅_(kāi)，電源 Vcc 對(duì)電容 C 充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài) I，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于 RC 充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時(shí)間，即輸出 Vo 的正向脈沖寬度 T1≈0.7(R1+R 2)C； 暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ的維持時(shí)間，即輸出 Vo 的負(fù)向脈沖寬度 T2≈0.7R 2C。

因此， 振蕩周期 T=T 1+T 2=0.7(R 1+2R 2 )C，振蕩頻率 f=1/T 。正向脈沖寬度 T1 與振蕩周期 T 之比稱矩形波的 占空比Ｄ ，由上述條件可得 D=（R1+R2）/（R1+2R 2），若使 R2>>R 1，則 D≈1/2， 即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。

仿真電路如下：

3.5 倒計(jì)時(shí)單元電路設(shè)計(jì)

倒計(jì)時(shí)即減法計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。本次仿真設(shè)計(jì)采用74ls192可逆計(jì)數(shù)器作為減法計(jì)數(shù)器。

74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù) 等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：

（a）引腳排 列 (b) 邏輯符號(hào) 圖中： PL置數(shù)端，CPu計(jì)數(shù)端， CPd數(shù)端，TCu同步進(jìn)位輸出端，TCd步借位輸出端， P0、P1、P2、P3 為計(jì)數(shù)器輸入端，MR除端， Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。

其功能表如下：

本次設(shè)計(jì)利用置數(shù)端和P0、P1、P2、P3 為計(jì)數(shù)器輸入端進(jìn)行9置數(shù)操作，從而實(shí)現(xiàn)9-0倒計(jì)時(shí)。

              仿真電路圖如下所示：

3.6 譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì)

將觸發(fā)器的輸出信號(hào)和計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)分別送入兩個(gè)74ls48共陰極譯碼器轉(zhuǎn)換成呼叫號(hào)所對(duì)應(yīng)的BCD碼，再將該BCD碼輸入到七段字形譯碼器并由七段陰極數(shù)碼管顯示搶答成功者號(hào)碼以及倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

譯碼顯示模塊設(shè)計(jì)流程圖

電路圖如下：

3.7報(bào)警單元電路設(shè)計(jì)

由一個(gè)四輸入或門，一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成。四輸入或門對(duì)觸發(fā)器輸出進(jìn)行判斷，若不為零則進(jìn)行報(bào)警。

電氣原理圖：

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軟件 Multisim 的學(xué)習(xí)和使用， 進(jìn)一步加深了對(duì)數(shù)字電路的認(rèn)識(shí)。 在仿真過(guò)程中遇到許 多困難，但通過(guò)自己的努力和同學(xué)的幫助都一一克服了。布局的時(shí)候因元件比較多，整體布局比 較困難，因子電路不如原電路直觀，最后在不斷努力下，終于不用子電路布好整個(gè)電路。 調(diào)試時(shí)有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中就無(wú)法看到效果，所以得換不少器件，有時(shí) 無(wú)法找出錯(cuò)誤便更換器件重新接線以使電路正常運(yùn)行。同時(shí)，在最后仿真時(shí)，預(yù)置的頻率一開(kāi)始 用的是 1Hz，結(jié)果仿真結(jié)果反應(yīng)很慢， 后把頻率加大， 這才在短時(shí)間內(nèi)就能看到全部結(jié)果。 總之， 通過(guò)這次對(duì)數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與仿真，為以后的電路設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)，一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，將成 為寶貴的學(xué)習(xí)財(cái)富.

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