《电子电路仿真》-第四章

第4章电子电路Multisim2001

综合设计实践

［技能目标］1.学会分析芯片引脚的功能；2.学会设计校时、校分电路；3.进一步熟悉计数器的设计；4.进一步熟悉子电路的生成过程；5.学会复杂综合电路的设计、组装和调试方法。［知识目标］1.掌握译码器的工作原理；2.掌握主控制器的设计思路；3.掌握二十四进制计数器、六十进制计数器的工作原理；4.掌握555多谐振荡器的工作原理。下一页返回第4章电子电路Multisim2001

综合设计实践

［教学建议］1.先分模块完成译码器、计数器、时钟信号发生器、主控制器、信号灯译码驱动电路的设计，再综合成一个整体。2.先分模块完成由振荡器、分频器、计数器、译码器和显示器这5部分，再综合成一个整体，进而设计校分、校时电路。上一页返回4.1交通灯控制电路4.1.1实例引入1.设计要求(1)主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。(2)每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s，此时原红灯不变。(3)用数字显示放行及等待时间。2.设计的基本方法及基本原理十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全通行。有一个主干道和支干道的十字路口，每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行、绿灯亮表示可以通行、在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便停车线外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆较多，所以主干道放行时间较长。下一页返回4.1交通灯控制电路4.1.2设计实现要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成，整个电路的原理框图如图4−1所示。（1）主控制器。十字路口车辆运行情况只有4种可能：①设开始时主干道通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s；②30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s；上一页下一页返回4.1交通灯控制电路③5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s；④20s后主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制器有4种状态。其电路如总电路图4−1中的主控制器部分。（2）计数器。计数器有两个作用：一是根据主干道和支干道车辆运行时及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、5s这3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路计数器的工作状态为：计数器在主控制器进入状态00时开始30s计数；30s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态01，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态02，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态03，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态00，开始新一轮循环。（3）控制信号灯的译码电路。主控制器的4种状态要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表如表4−1所示。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路由真值表分别写出各个灯的逻辑表达式：（4）控制电路总图（如图4−2所示）。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路（5）组装和调试要点。按各单元电路分别搭接主控制器、计数器、信号灯译码器、数字显示译码器和秒脉冲信号发生器，然后按照以下步骤进行调试。秒脉冲信号发生器的调试，可按照数字电子钟的方法设计。将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否按照00，01，10，11，00…的规律变化。将秒脉冲信号送入计数器和CP端，接入主控制器和状态信号X1，X0，并把主控制器和状态转换信号送入主控制器的CP端，观察计数器是否按30s，5s，20s，5s，30s…循环计数。把主控制器和状态信号X1和X0接至信号灯译码电路，观察灯泡是否按设计要求发光。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路实训及思考题实训：电子密码锁报警器电路设计1.实验目的（1）熟练掌握EDA软件的使用。（2）进一步提高电路的设计和调试能力。2.功能简介（1）输入正确的密码，电子锁就能打开，锁打开后延迟3s，输入的数据自动清零。（2）可以做电子门铃使用。（3）电子锁有防盗功能，如输入错误的密码则报警，并将输入数据自动清零。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路3.设计要求框图如图4−3所示。（1）自制触摸按钮，作为电子锁的输入元件。其中一个供门铃专用，另外10个按钮均为电子锁输入按钮0～9。（2）用压电陶瓷蜂鸣片作为发声元件，作为门铃或报警之用。（3）门铃或报警电路共用一个555振荡器。（4）用继电器代替电磁作为输出元件。上一页下一页返回4.1交通灯控制电路（5）开锁密码2468，并按此设计电路。密码一定要按设计的顺序输入，否则电子锁就不工作，输入错误密码就报警（频率600Hz）。（6）数据锁存及密码判别采用D触发器设计。（7）按门铃键时，蜂鸣片发声（频率1kHz），用时电子锁数据清零。（8）逻辑关系的调试可以用指示灯，也可使用逻辑分析仪。上一页返回4.2数字时钟4.2.1实例引入数字时钟是用数字集成电路构成、用数码管显示的一种现代化计数器，它由振荡器、分频器、校时校分电路、计数器、译码器和显示器6部分组成。振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统，通过校时校分电路实现对时、分的校准。由于采用纯数字硬件设计制作，与传统机械表相比，它具有走时准确，显示直观，无机械传动装置等特点。其基本原理的逻辑框图如图4−4所示。下一页返回4.2数字时钟由图4−4中可看出，石英晶体振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。其中晶体振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器、译码器、显示器构成，“分”、“秒”的数字显示分别由六十进制计数器、译码器、显示器构成。下面介绍每一部分的设计过程。上一页下一页返回4.2数字时钟4.2.2计数器电路的设计根据图4−4数字电子钟的逻辑方框图可知，显示“时”、“分”、“秒”共需要6片中规模计数器。其中，“秒”、“分”计时均为六十进制计数器，“时”计时为二十四进制计数器。六十进制计数器和二十四进制计数器都选用7490N集成块来实现。1.六十进制计数器“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成，如图4−5所示，是采用两片中规模集成电路7490N串接起来构成的“秒”、“分”计数器。上一页下一页返回4.2数字时钟由图4−5可知，U1是十进制计数器，U1的QD作为十进制的进位信号，7490N计数器是十进制异步计数器，当R01和R02都为1时，计数器清零。U1是在CP信号的下降沿翻转计数，U2的QB和QC相与后的下降沿，作为“分（时）”计数器的输入信号。U2的输出0110高电平1送到R01、R02端清零，7490N内部的R01和R02与非后使计数器归零，完成六进制计数。由此可见，U1和U2串联实现六十进制计数。2.六十进制计数器子电路的创建其具体的操作如下：①在Multisim平台上按住鼠标左键，拉出一个长方形，把用来组成子电路的那一部分全部选定。上一页下一页返回4.2数字时钟②启动Place菜单中的“ReplacebySubcircuit”，打开如图4−6所示的对话框。在其编辑栏内输入子电路名称，如60C，单击【OK】按钮得到如图4−7所示的子电路。3.二十四进制计数器时计数电路是由U1和U2组成的二十四进制计数电路，如图4−8所示。上一页下一页返回4.2数字时钟由图4−8可看出，当“时”个位U2计数输入端等到第10个触发信号时，U2计数器归零，进位端QD向U1“时”十位计数器输出进位信号。当第24个“时”（来自“分”计数器输出的进位信号）脉冲到达时，U2计数器的状态为“0100”，U1计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的QC和“时”十位计数器的QB输出都为“1”。把它们分别送到U1和U2计数器的清零端R01和R02，通过7490内部的R01和R02与非后清零，计数器归零，完成二十四进制计数。子电路的创建方法与六十进制计数器子电路的创建方法相同，其电路如图4−9所示。上一页下一页返回4.2数字时钟4.其他组成部分（1）显示器。用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器和共阴极显示器。74LS48译码器对应的显示器是共阴极（接地）显示器。在本设计中采用的是解码七段排列显示器。（2）555多谐振荡器电路（见第3章）。上一页下一页返回4.2数字时钟（3）校分、校时电路。当接通电源或计时出现误差时需要对数字钟进行校正。本例只对“时”和“分”计时电路进行校正。校正电路通过K1校正时钟上，通过K2校正分钟。K1是单刀双掷开关，每按下一次A字母，时钟就增加一次，到23后就归零。上一页下一页返回4.2数字时钟（4）7490N功能介绍。7490N是二五十进制计数器，它有两个时钟输入端INA和INB，其中INA对应的输出端为QA（二进制），INB对应的输出端为QB、QC、QD（五进制）。如果将二进制的输出端QA与五进制的输入端相连，则整个构成十进制计数器。R01和R02为清零端（高电平有效），即当R01和R02都为1时，计数器清零。R91和R92为置9端（高电平有效），即当R91和R92都为1时，计数器进数码管显示9，与输入的秒脉冲没关系。7490N芯片如图4−10所示。上一页下一页返回4.2数字时钟5.数字钟系统的组成利用六十进制和二十四进制递增计数器子电路构成的数字钟系统如图4−11所示。从图4−11可知，在数字钟电路中，由两个六十进制同步递增计数器完成秒、分计数，由二十四进制同步递增计数器实现小时计数。秒、分、时计数器之间采用同步级联方式。开关K1控制小时的二十四进制方式选择，开关K2控制分的六十进制方式选择。按下A和B键，可控制开关K1和K2将秒脉冲直接引入时、分计数器，从而实现校时。上一页下一页返回4.2数字时钟实训及思考题实训题目：电子摇奖机电路设计1.实验目的（1）熟练掌握EDA软件的使用；（2）进一步提高电路的设计和调试能力。2.功能简介该电路采用1MHz左右的高频振荡器，能随机摇出0～9中的某个数字。3.设计要求电路框图如图4−12所示。（1）采用4011构成多谐振荡器，工作频率在1MHz左右；（2）采用4518设计计数器；上一页下一页返回4.2数字时钟（3）采用4511作为BCD七段锁存译码/驱动器；（4）采用两个按钮开关作为复位按钮和摇奖机按钮；（5）采用LED作为工作状态指示。4.参考电路参考电路如图4−13所示。上一页返回图4-1整