智力抢答器电路仿真测试与分析

1 武汉工业学院武汉工业学院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目 设计题目 智力抢答器电路仿真测试与分析智力抢答器电路仿真测试与分析 姓姓 名名 许然成许然成 学学 号号 071203110071203110 院院 系 系 数理科学系数理科学系 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 指导教师指导教师 何雄涛何雄涛 20112011 年年 5 5 月月 2828 日日 2 目目 录录 摘要 2 Abstract 4 引言 5 第一章 Multisim 简介 6 1 1 基本概念 6 1 2Multisim 发展简介 7 1 3EDA 在发达国家的应用状况 7 1 4multisim 9 概述 7 1 4 1 新特点 8 1 4 2Multisim 9 组成 8 1 4 3 仿真的内容 8 1 4 4 电路的构建及仿真 8 1 4 5 美国 NI 公司提出的理念 9 1 5Multisim 9 使用简介 9 1 5 1Multisim 概貌 9 1 5 2 Multisim 对元器件的管理 10 1 5 3 输入并编辑电路 11 1 5 4 虚拟仪器及其使用 12 1 5 5Multisim 9 安装 13 1 6Multisim 9 特点 13 第二章 智力抢答器相关知识介绍 16 2 1 74LS175 芯片简介 16 2 2 集成电路 20 2 3 触发器 20 2 3 1 边沿 D 触发器 20 2 3 2 电路结构 21 2 3 3 工作原理 21 2 4 译码器 21 2 4 1 概述 22 2 4 2 分类 22 2 4 3 译码器工作原理 22 第三章 设计任务 24 第四章 工作原理 25 第五章 锁存器电路的设计 26 第六章 测试方法说明及测试结果分析 28 结束语 29 谢辞 30 参考文献 32 3 摘要摘要 抢答器广泛应用于各个场所 一般抢答器功能简单 而功能越多电路越复杂 价格越 高 本文利用中规模集成电路设计了功能齐全且实用的智能抢答器 其价格低廉 便于 实现 性能可靠 由于采用了层次电路设计方法 其连线美观 便于理解各单元电路功能 整 机电路功能也一目了然 关键词 抢答器 层次电路 设计 仿真 7 4 Abstract ResponderResponder isis widelywidely usedused inin variousvarious places places thethe generalgeneral ResponderResponder featurefeature simple simple butbut thethe moremore functionsfunctions thethe moremore complexcomplex circuits circuits leadingleading toto higherprices higherprices InIn thisthis paper paper TheThe fullyfully functionalfunctional andand usefuluseful SmartSmart ResponderResponder isis designeddesigned usedused byby mediumscalemediumscale integratedintegrated circuits circuits itsits lowlow cost cost easyeasy toto achieveachieve reliablereliable performance performance AsAs a a resultresult ofof thethe hierarchicalhierarchical circuitcircuit designdesign methods methods itsits connectionconnection beautiful beautiful easyeasy toto understandunderstand eacheach unitunit circuitcircuit functions functions thethe wholewhole circuitcircuit functionalityfunctionality atat a a glance glance KeyKey words words Responder Responder hierarchicalhierarchical circuit circuit design design SimulationSimulation 5 引言引言 无论是学校 企业 军队还是益智性电视节目 都会举办各种各样的智力竞赛 都会 用到抢答器 目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器 但绝大多数是早期设计的 以 模拟电路 数字电路或者模拟电路与数字电路相结的产品 功能越多电路越复杂 且成 本也比较高 发生故障的可能性也比较高 显示方式简单 无法判断提前抢按键的行为 本文利用multisim 电路仿真软件强大的仿真功能 采用层次电路设计 将各功能的单位 电路设计成层次电路 这样每个单元电路和整体电路连线一目了然 既美观也便于阅读 还有利于团队设计 因每一层次电路为一独立电路 便于独立设计和修改 该抢答器在保 留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一些的实用功能并简化了电路结构 6 第一章 第一章 Multisim 简介简介 Multisim 是美国国家仪器 NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具 适用 于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路硬件描 述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 15 1 1 基本概念 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图 并对电路进行仿真 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容 这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进 行捕获 仿真和分析新的设计 这也使其更适合电子学教育 通过 Multisim 和虚拟仪 器技术 PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到 原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程 图 1 7 1 2Multisim 发展简介 13 加拿大 EWB Electrical Workbench EWB4 0 EWB5 0 EWB6 0 Multisim2001 Multisim 7 Multisim 8 美国国家仪器 NI 有限公司 Multisim 9 Multisim 10 Multisim 11 目前在各高校教学中普遍使用Multisim10 0 网上最为普遍的是Multisim 10 0 NI于 2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件 NI Multisim v 10作为其中一个组成部 分包含于其中 1 3EDA 在发达国家的应用状况 EDA 就是 Electronic Design Automation 的缩写技术已经在电子设计领域 得到广泛应用 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计 一台电子产 品的设计过程 从概念的确立 到包括电路原理 PCB 版图 单片机程序 机内结 构 FPGA 的构建及仿真 外观界面 热稳定分析 电磁兼容分析在内的物理级设计 再到 PCB 钻孔图 自动贴片 焊膏漏印 元器件清单 总装配图等生产所需资料等 等全部在计算机上完成 EDA 技术借助计算机存储量大 运行速度快的特点 可对 设计方案进行人工难以完成的模拟评估 设计检验 设计优化和数据处理等工作 EDA 已经成为集成电路 印制电路板 电子整机系统设计的主要技术手段 美国 NI 公司 美国国家仪器公司 的 Multisim 9 软件就是这方面很好的一个工具 而 且 Multisim 9 计算机仿真与虚拟仪器技术 LABVIEW 8 也是美国 NI 公司的 可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题 学员可以很好 地 很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来 并且可以用虚 拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表 极大地提高了学员的学习热情和积极性 真正的做到了变被动学习为主动学习 这些在教学活动中已经得到了很好的体现 还有很重要的一点就是 计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高 和促进 理论教学 计算机仿真 实验环节 8 1 4multisim 9 概述 Multisim 被美国 NI 公司收购以后 其性能得到了极大的提升 最大的改变就是 Multisim 9 与 LABVIEW 8 的完美结合 1 4 1 新特点 1 可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器 2 所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上 3 所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析 1 4 2Multisim 9 组成 1 构建仿真电路 2 仿真电路环境 3 multi mcu 单片机仿真 4 FPGA PLD CPLD 等仿真 5 FPGA PLD CPLD 等仿真 6 通信系统分析与设计的模块 7 PCB 设计模块 直观 层板 32 层 快速自动布线 强制向量和密度 直方图 8 自动布线模块 1 4 3 仿真的内容 1 器件建模及仿真 2 电路的构建及仿真 3 系统的组成及仿真 4 仪表仪器原理及制造仿真 器件建模及仿真 可以建模及仿真的器件 模拟器件 二极管 三极管 功率管等 数字器件 74 系列 COMS 系列 PLD CPLD 等 FPGA 器件 1 4 4 电路的构建及仿真 单元电路 功能电路 单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真 9 系统的组成及仿真 Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件 它很适用 于如 信号与系统 通信 网络 等课程 难度适合从一般介绍到高级 使学 生学的更快并且掌握的更多 Commsim 含有 200 多个通用通信和数学模块 包含工业中的大部分编码器 调 制器 滤波器 信号源 信道等 Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致 这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术 要观察仿真的结果 你可以有多种选择 时域 频域 XY 图 对数坐标 比 特误码率 眼图和功率谱 仪表仪器的原理及制造仿真 可以任意制造出属于自己的虚拟仪器 仪表 并 在计算机仿真环境和实际环境中进行使用 PCB 的设计及制作 产品级版图的设计及制作 1 4 5 美国 NI 公司提出的理念 把实验室装进 PC 机中 软件就是仪器 1 5Multisim 9 使用简介 Multisim是Interactive Image Technologies Electronics Workbench 公司推出的以 Windows为基础的仿真工具 适用于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路 原理图的图形输入 电路硬件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 为适应不 同的应用场合 Multisim推出了许多版本 用户可以根据自己的需要加以选择 在本书 中将以教育版为演示软件 结合教学的实际需要 简要地介绍该软件的概况和使用方法 并给出几个应用实例 1 5 1Multisim 概貌 软件以图形界面为主 采用菜单 工具栏和热键相结合的方式 具有一般 Windows 应用软件的界面风格 用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用 一 Multisim 的主窗口界面 启动 Multisim 2001 后 将出现如图 1 所示的界面 界面由多个区域构成 菜单栏 各种工具栏 电路输入窗口 状态条 列表框 等 通过对各部分的操作可以实现电路图的输入 编辑 并根据需要对电路进行相 应的观测和分析 用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容 二 菜单栏 菜单栏位于界面的上方 通过菜单可以对Multisim 的所有功能进行操作 10 不难看出菜单中有一些与大多数 Windows 平台上的应用软件一致的功能选 项 如 File Edit View Options Help 此外 还有一些 EDA 软件专用的选项 如 Place Simulation Transfer 以及 Tool 等 三 工具栏 Multisim 2001 提供了多种工具栏 并以层次化的模式加以管理 用户可以通 过 View 菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭 再通过顶层工具栏中的按 钮来管理和控制下层的工具栏 通过工具栏 用户可以方便直接地使用软件的各项 功能 顶层的工具栏有 Standard 工具栏 Design 工具栏 Zoom 工具栏 Simulation 工具栏 1 Standard 工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作 如下图所示 2 Design 工具栏作为设计工具栏是 Multisim 的核心工具栏 通过对该工作栏 按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作 其中的按钮可以直接开关下 层的工具栏 Component 中的 Multisim Master 工具栏 Instrument 工具栏 1 作为元器件 Component 工具栏中的一项 可以在 Design 工具栏中通 过按钮来开关 Multisim Master 工具栏 该工具栏有 14 个按钮 每个每一个按钮 都对应一类元器件 其分类方式和Multisim 元器件数据库中的分类相对应 通过 按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型 具体的内容可以从Multisim 的在线 文档中获取 这个工具栏作为元器件的顶层工具栏 每一个按钮又可以开关下层的工具栏 下层工具栏是对该类元器件更细致的分类工具栏 以第一个按钮 为例 通过这个 按钮可以开关电源和信号源类的 Sources 工具栏如下图所示 2 Instruments 工具栏集中了 Multisim 为用户提供的所有虚拟仪器仪表 用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测 3 用户可以通过 Zoom 工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小 4 Simulation工具栏可以控制电路仿真的开始 结束和暂停 1 5 2 Multisim 对元器件的管理 EDA 软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该 EDA 软件的质量和易用性 Multisim 为用户提供了丰富的元器件 并以开放的形式 管理元器件 使得用户能够自己添加所需要的元器件 Multisim 以库的形式管理元器件 通过菜单Tools Database Management 打 开 Database Management 数据库管理 窗口 如下图所示 对元器件库进行管 理 在 Database Management 窗口中的 Daltabase 列表中有两个数据库 Multisim Master 和 User 其中 Multisim Master 库中存放的是软件为用户提供的 元器件 User 是为用户自建元器件准备的数据库 用户对Multisim Master 数据 库中的元器件和表示方式没有编辑权 当选中Multisim Master 时 窗口中对库的 11 编辑按钮全部失效而变成灰色 如下图所 示 但用户可以通过这个对话窗口中的 Button in Toolbar 显示框 查找库中不 同类别器件在工具栏中的表示方法 据此用户可以通过选择 User 数据库 进而对自建元器件进行编辑管理 在 Multisim Master 中有实际元器件和虚拟元器件 它们之间根本差别在于 一种是与实际元器件的型号 参数值以及封装都相对应的元器件 在设计中选用此 类器件 不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性 还可以直接将设计导出 到 Ultiboard 中进行 PCB 的设计 另一种器件的参数值是该类器件的典型值 不与 实际器件对应 用户可以根据需要改变器件模型的参数值 只能用于仿真 这类器 件称为虚拟器件 它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同 在元器件工具栏 中 虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同 但虚拟器件 的按钮有底色 而实际器件没有 如下图所示 从图中可以看到 相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列 并非 所有的是元器件都设有虚拟类的器件 1 5 3 输入并编辑电路 输入电路图是分析和设计工作的第一步 用户从元器件库中选择需要的元器件放 置在电路图中并连接起来 为分析和仿真做准备 一 设置 Multisim 的通用环境变量 为了适应不同的需求和用户习惯 用户可以用菜单Option Preferences 打开 Preferences 对话窗口 如下图所示 通过该窗口的 6 个标签选项 用户可以就编辑界面颜色 电路尺寸 缩放比例 自动存储时间等内容作相应的设置 在这个对话窗口中有 3 个分项 1 Show 可以设置是否显示网格 页边界以及标题框 2 Sheet size 设置电路图页面大小 3 Zoom level 设置缩放比例 其余的标签选项在此不再详述 二 取用元器件 取用元器件的方法有两种 从工具栏取用或从菜单取用 下面将以74LS00 为 例说明两种方法 1 从工具栏取用 Design 工具栏Multisim Master 工具栏TTL 工 具栏74LS 按钮 从 TTL 工具栏中选择 74LS 按钮打开这类器件的 Component Browser 窗口 如 下图所示 其中包含的字段有 Database name 元器件数据库 Component Family 元器件类型列表 Component Name List 元器件名细表 Manufacture Names 生产厂家 Model Level ID 模型层次 等内容 2 从菜单取用 通过 Place Place Component 命令打开 Component Browser 窗口 该窗口与上图一样 12 3 选中相应的元器件 在 Component Family Name 中选择 74LS 系列 在 Component Name List 中选 择 74LS00 单击 OK 按钮就可以选中 74LS00 出现如下备选窗口 7400 是四 二输 入与非门 在窗口种的 Section A B C D 分别代表其中的一个与非门 用鼠标选中 其中的一个放置在电路图编辑窗口中 如左图所示 器件在电路图中显示的图形符 号 用户可以在上面的 Component Browser 中的 Symbol 选项框中预览到 当器件 放置到电路编辑窗口中后 用户就可以进行移动 复制 粘贴等编辑工作了 在此 不再详述 三 将元器件连接成电路 在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后 用鼠标就可以方便地将器件连接 起来 方法是 用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点 在 Multisim 中连线 的起点和终点不能悬空 1 5 4 虚拟仪器及其使用 对电路进行仿真运行 通过对运行结果的分析 判断设计是否正确合理 是 EDA 软件的一项主要功能 为此 Multisim 为用户提供了类型丰富的虚拟仪器 可 以从 Design 工具栏Instruments 工具栏 或用菜单命令 Simulation instrument 选用这 11 种仪表 如下图所示 在选用后 各种虚拟仪表都以面板的 方式显示在电路中 下面将 11 种虚拟仪器的名称及表示方法总结如下表 菜单上的表示方法 对应按钮 仪器名称 电路中的仪器符号 Multimeter 万用表 Function Generator 波形发生器 Wattermeter 瓦特表 Oscilloscape 示波器 Bode Plotter 波特图图示仪 Word Generator 字元发生器 Logic Analyzer 逻辑分析仪 Logic Converter 13 逻辑转换仪 Distortion Analyzer 失真度分析仪 Spectrum Analyzer 频谱仪 Network Analyzer 网络分析仪 注 1 该软件中用 代替 表示反变量 例如 注 2 该软件没有异或符号 处理方式是将异或运算写成 1 5 5Multisim 9 安装 1 下载软件可以到官方下载完全试用版 2 ftp 3 输入安装序列号 完成安装 4 导入许可文件 完成软件安装 a 安装 Multisim b 进入开始 所有程序 National Instruments NI License Manager c 选项 安装许可证文件 装入许可文件 完成完全安装 d 安装Multisim的操作系统中的用户文件夹名不能是中文 否则会导致 Multisim无法正常运行 1 6Multisim 9 特点 NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 NI Multisim 是一个完整的集成化设计 环境 NI Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动 手实验相脱节的这一问题 学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真 真实的再现出来 并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表 NI Multisim 软件绝对是电子学教学的首选软件工具 直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台 绘制电路所需的元器件和仿真所需的 测试仪器均可直接拖放到屏幕上 轻点鼠标可用导线将它们连接起来 软件仪器的 控制面板和操作方式都与实物相似 测量数据 波形和特性曲线如同在真实仪器上 看到的 丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过17000 多种元件 同时能方便的对元件各种 参数进行编辑修改 能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能 创建自己的 元器件 14 强大的仿真能力 以 SPICE3F5 和 Xspice 的内核作为仿真的引擎 通过 Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化 包括SPICE 仿真 RF 仿真 MCU 仿真 VHDL 仿真 电路向导等功能 丰富的测试仪器 提供了 22 种虚拟仪器进行电路动作的测量 Multimeter 万用表 Function Generatoer 函数信号发生器 Wattmeter 瓦特表 Oscilloscope 示波器 Bode Plotter 波特仪 Word Generator 字符发生器 Logic Analyzer 逻辑分析仪 Logic Converter 逻辑转换仪 Distortion Analyer 失真度仪 Spectrum Analyzer 频谱仪 Network Analyzer 网络分析仪 Measurement Pribe 测量探针 Four Channel Oscilloscope 四踪示波器 Frequency Counter 频率计数器 IV Analyzer 伏安特性分析仪 Agilent Simulated Instruments 安捷伦仿真仪器 Agilent Oscilloscope 安捷伦示波器 Tektronix Simulated Oscilloscope 泰克仿真示波器 Voltmeter 伏特表 Ammeter 安培表 Current Probe 电流探针 Lab VIEW Instrument Lab VIEW 仪器 这些仪器的设置和使用与真实的一样 动态互交显示 除了Multisim 提供的 默认的仪器外 还可以创建 LabVIEW 的自定义仪器 使得图形环境中可以灵活地可 升级地测试 测量及控制应用程序的仪器 完备的分析手段 Multisimt 提供了许多分析功能 DC Operating Point Analysis 直流工作点分析 AC Analysis 交流分析 Transient Analysis 瞬态分析 Fourier Analysis 傅里叶分析 Noise Analysis 噪声分析 Distortion Analysis 失真度分析 DC Sweep Analysis 直流扫描分析 15 DC and AC Sensitvity Analysis 直流和交流灵敏度分析 Parameter Sweep Analysis 参数扫描分析 Temperature Sweep Analysis 温度扫描分析 Transfer Function Analysis 传输函数分析 Worst Case Analysis 最差情况分析 Pole Zero Analysis 零级分析 Monte Carlo Analysis 蒙特卡罗分析 Trace Width Analysis 线宽分析 Nested Sweep Analysis 嵌套扫描分析 Batched Analysis 批处理分析 User Defined Analysis 用户自定义分析 它们利用仿真产生的数据执行分析 分析范围很广 从基本的到极端的到不常 见的都有 并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行 集成LabVIEW 和 Signalexpress 快速进行原型开发和测试设计 具有符合行业标准的交互式测量 和分析功能 独特的射频 RF 模块 提供基本射频电路的设计 分析和仿真 射频模块由RF specific 射频特殊 元件 包括自定义的 RF SPICE 模型 用于创建用户自定义的 RF 模型的模型生成 器 两个 RF specific 仪器 Spectrum Analyzer 频谱分析仪和 Network Analyzer 网络分析仪 一些 RF specific 分析 电路特性 匹配网络单元 噪声 系数 等组成 强大的 MCU 模块 支持 4 种类型的单片机芯片 支持对外部 RAM 外部 ROM 键盘和 LCD 等外围 设备的仿真 分别对 4 种类型芯片提供汇编和编译支持 所建项目支持C 代码 汇编代码以及 16 进制代码 并兼容第三方工具源代码 包含设置断点 单步运行 查看和编辑内部 RAM 特殊功能寄存器等高级调试功能 完善的后处理 对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算 三角运算 指数运行 对 数运算 复合运算 向量运算和逻辑运算等 详细的报告 能够呈现材料清单 元件详细报告 网络报表 原理图统计报告 多余门电路 报告 模型数据报告 交叉报表 7 种报告 兼容性好的信息转换 提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法 可以输出原理图到PCB布 线 如Ultiboard OrCAD PADS Layout2005 P CAD和Protel 输出仿真结果到 MathCAD Excel或LabVIEW 输出网络表文件 向前和返回注 提供 Internet Design Sharing 互联网共享文件 12 16 第二章 智力抢答器相关知识介绍第二章 智力抢答器相关知识介绍 2 1 74LS175 芯片简介 2 四上升沿 D 触发器 有公共清除端 逻辑符号 图2 图3 简要说明 175 为 四上 升 沿 D 触 发器 共 有 54175 74175 54S175 74S175 54LS175 74LS175 三种线路结构形式 其主 要电特性的典型值如下 表1 型号 fmP D54163 74163 35MHz150mW 54S163 74S163110MHz300mW 54LS163 74LS16340MHz55mW 17 当清除端 CR 为低电平时 输出端 Q 为低电平 在时钟 CP 上升沿作用下 Q 与数据端 D 相一致 当 CP 为高电平或低电平时 D 对 Q 没有影响 引出端符号 CP时钟输入端 上升沿有效 CR清除端 低电平有效 1D 4D数据输入端 1Q 4Q输出端 1 Q 4 Q 互补输出端 极限值 电源电压7V 输入电压 54 74175 54 74S1755 5V 54 74LS1757V 工作环境温度 54 55 125 74 0 70 储存温度 65 150 功能表 表2 H 高电平 L 低电平 低到高跳变X 任意 Z 高阻 Q0 规定的稳态输入条件建立前 Q 的电平 表3 54 7417554 74S17554 74LS175 单位 最小 额定 最大 最小 额定最大最小 额定 最大 544 555 54 555 5 4 554 5 电源电压VCC 744 7555 254 7555 254 7555 25 V 输入高电平电压ViH 222V 540 80 8 0 7 输入低 电 平 电 压 ViL 740 80 8 0 8 V 输出高电平电流IOH 800 1000 400uA 5416304 输出低电平电 流IOL 7416308 mA 时钟频率 fcp 025075030MH z脉冲宽度 TW C P 20725ns 18 CR 201020ns D20520ns 建 立 时 间 tset CR 无效 态 25520ns 保持时间 tH 530ns 逻辑图 图4 表4 175 S175 LS175单位 参数测 试 条 件 最小最大最小最大最小最大 Iik 12mA 1 5 VIK输入嵌位电压Vcc 最小 Iik 18mA 1 2 1 5 V 542 42 52 5 VOH输出高电平电压 Vcc 最小VIH 2V VIL 最大 IOH 最大 742 42 72 7 V 540 40 50 4 VOL输出低电平电压 Vcc 最小 VIH 2V VIL 最大 IOL 最大 740 40 50 5 V VI 5 5V11II 最大输入电 压时输入 电 流 Vcc 最大 VI 7V0 1 mA VIH 2 4V 40 IIH输入高电平电流 Vcc 最大 VIH 2 7V 5020 A VIL 0 4V 1 6 0 4 IIL输入低电平电流Vcc 最大 VIL 0 5V 2 mA 54 20 57 40 100 20 100 IOS输出短路电流Vcc 最大 74 18 57 40 100 20 100 mA ICC电源电流 Vcc 最大 CP 瞬时接地后接 4 5V 所有D 和CR 接4 5V 459618mA 19 1 测试条件中的 最小 和 最大 用推荐工作条件中的相应值 表5 动态特性 TA 25 174 S174 LS174参数 2 测 试 条 件 最小最大最小最大最小最大 单位 fmax257530MHz tPLH251530ns tPHL CR 任一 Q 352230ns tPLH301225 tPHL CP 任一 Q Vcc 5V CL 15Pf RL 400 S175 为280 LS175 为 2K 351725 ns 2 fmax 最大时钟频率 tPLH输出由低电平到高电平传输延迟时间tPHL输出由高 电平到低电平传输延迟时间 2 2 集成电路 TTL 电路是晶体管 晶体管逻辑电路 的英文缩写 Transister Transister Logic 是数字集成电路 的一大门类 它采用双极型工艺制造 具有高速度和品种多等特 点 从六十年代开发 图 5 成功第一代产品以来现有以下几代产品 第一代 TTL 包括 SN54 74 系列 其中 54 系列工作温度为 55 125 74 系列工作温度为 0 75 低功耗系列简称 lttl 高速系列简称 HTTL 第二代 TTL 包括肖特基箝位系列 STTL 和低功耗肖特基系列 LSTTL 第三代为采 用等平面工艺制造的先进的 STTL ASTTL 和先进的低功耗 STTL ALSTTL 由于 LSTTL 和 ALSTTL 的电路延时功耗积较小 STTL 和 ASTTL 速度很快 因此获得了广 泛的应用 TTL 电路分类 门电路 译码器 驱动器 触发器 计数器 移位寄存器 单稳 双稳电路和多谐振荡器 加法器 乘法器 奇偶校验器 码制转换器 线驱动 器 线接收器 多路开关 存储器等等 14 20 2 3 触发器 4 5 2 3 1 边沿 D 触发器 电平触发的主从触发器工作时 必须在正跳沿前加入输入信号 如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号 那么就有可能使触发器的状态出错 而边沿触发 器允许在 CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号 这样 输入端受干扰的时间大大 缩短 受干扰的可能性就降低了 边沿D 触发器也称为维持 阻塞边沿 D 触发器 2 3 2 电路结构 该触发器由 6 个与非门组成 其中 G1 和 G2 构成基本 RS 触发器 2 3 3工作原理 SD 和 RD 接至基本 RS 触发器的输入端 它们分别是预置和清零端 低电平 有效 当 SD 0 且 RD 1 时 不论输入端 D 为何种状态 都会使 Q 1 Q 非 0 即 触发器置 1 当 SD 1 且 RD 0 时 触发器的状态为 0 SD 和 RD 通常又称为直接置 1 和置 0 端 我们设它们均已加入了高电平 不影响电路的工作 工作过程如下 1 CP 0 时 与非门 G3 和 G4 封锁 其输出 Q3 Q4 1 触发器的状态不变 同 时 由于 Q3 至 Q5 和 Q4 至 Q6 的反馈信号将这两个门打开 因此可接收输入信号 D Q5 D 非 Q6 Q5 非 D 图 6 D 触发器原理 2 当 CP 由 0 变 1 时触发器翻转 这时 G3 和 G4 打开 它们的输入 Q3 和 Q4 的 状态由 G5 和 G6 的输出状态决定 Q3 Q5 非 D Q4 Q6 非 D 非 由基本 RS 触 发器的逻辑功能可知 Q Q3 D 3 触发器翻转后 在 CP 1 时输入信号被封锁 这是因为 G3 和 G4 打开后 它们的 输出 Q3 和 Q4 的状态是互补的 即必定有一个是 0 若 Q3 为 0 则经 G3 输出至 G5 输 入的反馈线将 G5 封锁 即封锁了 D 通往基本 RS 触发器的路径 该反馈线起到了使触 发器维持在 0 状态和阻止触发器变为 1 状态的作用 故该反馈线称为置 0 维持线 置 1 阻 塞线 Q4 为 0 时 将 G3 和 G6 封锁 D 端通往基本 RS 触发器的路径也被封锁 Q4 输 出端至 G6 反馈线起到使触发器维持在 1 状态的作用 称作置 1 维持线 Q4 输出至 G3 输入的反馈线起到阻止触发器置 0 的作用 称为置 0 阻塞线 因此 该触发器常称为维 持 阻塞触发器 总之 该触发器是在 CP 正跳沿前接受输入信号 正跳沿时触发翻转 正跳沿后输入即被封锁 三步都是在正跳沿后完成 所以有边沿触发器之称 与主从触 发器相比 同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度 21 2 4 译码器 4 5 译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件 其可以分为 变量译码和显示译码两类 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件 一般分为 2n 译码和 8421BCD 码译 码两类 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十 或十六进制数的转换功能 一 般其可分为驱动 LED 和驱动 LCD 两类 2 4 1 概述 译码是编码的逆过程 在编码时 每一种二进制代码 都赋予了特定的含义 即 都表示了一个确定的信号或者对象 把代码状态的特定含义 翻译 出来的过程叫做译码 实现译码操作的电路称为译码器 或者说 译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译 成输出信号 以表示其原来含义的电路 根据需要 输出信号可以是脉冲 也可以是高电平或者低电平 2 4 2 分类 译码器的种类很多 但它们的工作原理和分析设计方法大同小异 其中二进制译 码器 二 十进制译码器和显示译码器是三种最典型 使用十分广泛的译码电路 译码器是典型的组合 数字电路 译码器是将一种编码转换为另一种编 图 7 译码器 码的逻辑电路 学习译码器必须与各种编码打交道 从广义的角度看 译码器有四 类 二进制码译码器 也称最小项译码器 N 中取一译码器 最小项译码器一般是 将二进制码译为十进制码 代码转换译码器 是从一种编码转换为另一种编码 显示译码器 一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码 并通过显示器件 将译码器的状态显示出来 编码器 一般是将十进制码转换为相应的其它编码 其实质与代码转换译码器 一样 编码是译码的反过程 2 4 3 译码器工作原理 译码器是一种具有 翻译 功能的逻辑电路 这种电路能将输入二进制代码的 各种状态 按照其原意翻译成对应的输出信号 有一些译码器设有一个和多个使能 22 控制输入端 又成为片选端 用来控制允 许译码或禁止译码 编码与译码的过程刚好相反 通过编码器可对一个有效输入信号生成一组二进 制代码 有的编码器设有使能端 用来控制允许编码或禁止编码 优先编码器的功能是允许同时在几个输入端有输入信号 编码器按输入信号排定 优先顺序 只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个进行编码 23 第三章 设计任务第三章 设计任务 1 抢答器可供4名参赛选手使用 编号为1 4号 各队分别用一个按钮 分别为 S1 S4 控制 并设置一个系统清零和抢答器控制开关S 该开关由主持人控制 2 抢答器具有数据锁存功能 并将锁存数据用LED数码管显示出来 同时蜂鸣器发 出间歇式声响 主持人清零后声音停止 3 抢答先后的分辨率为1MS 4 抢答器在主持人启动后开始抢答 输入抢答信号由抢答按钮开关S1 S4实现 5 若主持人尚未启动 选手若抢答 显示抢答的组别号码 此时再按其他任何一个抢 答器开关无效 指示灯依旧 保持 第一个开关按下时对应的状态不变 8 24 第四章 工作原理第四章 工作原理 设计的数显抢答器通常用 TTL 集成电路制作 由触发器 显示译码器 清零电路等组成 用二极管显示抢答器组别号码 有人抢答后自动闭锁 其他各路输入 使其他组再按开关时失去作用 设计重点是考虑如何在 第一个人按下按键后封锁其他人的信号传送 本设计中采用控制 D 触发 器时钟信号的方法实现 只要有人按下按键就会触发判断电路输出 0 封 锁时钟信号到 D 触发器的通道 导致其他信号无法传送 3 25 第五章 锁存器电路的设计第五章 锁存器电路的设计 锁存器电路采用以 74ls175 为中心的锁存器系统 当 4 个抢答输入端中出现低电平 输 入时信号时 锁存器立即锁存 禁止抢答 其原本为 4 个高电平的输出端也变高一 可以利用一个 4 输入与非门将其与非 再接一个非门后 可以与 74ls175 的时钟信 号 相与非 使得 CLK 端的输入信号为底电平 从而阻止其余选手的抢答 从而达到锁 存 的目的 74ls175 的真值表如下 3 表 6 1 26 锁存器的单元电路设计如下 图 8 电路元件清单 表 7 1 名称及标号型号及大小封装形式数量 锁存器 74ls175DIP16 1 个 4 与非门 74ls21DIP14 1 个 2 与非门 74ls00DIP14 1 个 电阻 1 0k AXIAL 0 3 5 个 二极管 4 个 蜂鸣器 1 个 27 第六章 测试方法说明及测试结果分析第六章 测试方法说明及测试结果分析 首先按下 S 按键使得 4 个 D 触发器全部清零 4 个二极管全灭 其次开始 J0 J3 4 个人抢答式按下按键 只要有一个人最先按下按钮 相对应的 D 触发 器就会锁存信号并点亮相应的二极管告知对应的组 并且同时由 U3A 与非输出 0 封锁 U2A 使得时钟信号无法到达 U1 芯片 其他 3 路 D 触发器在没有时钟信 号的情况下无法锁存相应的信号 从而达到切断其他通道的目的 3 该电路基本完成设计要求 抢答先后的分辨率为 1MS 抢答器在主持人启动 后开始抢答 输入抢答信号由抢答按钮开关 S1 S4 实现 若主持人尚未启动 选 手若抢答 显示抢答的组别号码 此时再按其他任何一个抢答器开关无效 指示 灯依旧 保持 第一个开关按下时对应的状态不变等等 28 结束语结束语 通过这次毕业设计我学到了很多关于数电 模电方面和实践方面的知识 受益匪浅 更重要的是锻炼了自己的动手能力 通过短暂几天的学习 让我体 会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造 因为实际与 理论有很大的区别 在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握 而且也考验了我们的细心和耐心 这次毕业设计更多的是让我看清楚了自己 明白了凡事都需要耐心 实践 是检验真理的唯一标准 理论知识的不足在这次实习中表现的很明显 这将有 助于我今后的学习 端正自己的学习态度 从而更加努力的学习 同时我认为 我们的工作是一个团队的工作 必须发扬团