基于Multisim的数字抢答器的设计

1、摘 要 计算机仿真技术已成为现代工程设计中一种有效方法,如multisim,pspice,protel等电子仿真软件，进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作效果，元器件选择范围广，参数修改方便。本设计基于计算机仿真的思想和方法，虚拟样机调试的概念，针对电子技术实验，采用multisim2001 EDA软件仿真各种现实仪器和电气元件；虚拟实验电路，在计算机中仿真实验过程，从而分析设计的性能，验证设计的可行性，缩短设计周期，节约设计成本，提高设计效果。我本次毕业设计的就是应用Multisim仿真软件对设计所作的相关实验进行仿真。此次设计的内容是运用Multism对我做的设计内容就行虚拟仿真。仿

2、真的内容有：实验 TTL与非门的测试 ； 实验 编码器、译码器及其应用；实验 数据选择器及其应用；实验 锁存器及其应用 ；实验 555集成定时器及应用；综合设计实验：数字抢答器设计。通过实例说明应用计算机仿真技术进行电子线路课程设计的教学，有助于学生边学边用，从而学以致用，有利于培养学生综合分析能力、开发能力和创新能力。关键词：Multisim 2001，数字电子电路系统，仿真设计目 录 摘 要I1 绪论11.1 Multisim的开发的背景11.2 Multisim11.3 Multisim的主要功能及特点2 2 TTL与非门测试实验52.1概述52.2实验原理及实验电路53编码器73.1编

3、码器概述 73.2编码器分类74数据选择器84.1数据选择器的定义及功能85时序逻辑电路105.1 概述105.2实验原理及实验电路116 译码器136.1 概述136.2实验原理及实验电路147 555定时电路177.1概述178数字抢答器的设计208.1抢答器的总体结构208.2优先判断与编号锁存电路208.3抢答器的单元电路设计238.4抢答器设计中的优先编码电路238.5抢答器设计中的定时电路248.6抢答器设计中的报警电路258.7抢答器中的时序控制电路268.8七段显示译码器与数码管27结论29致谢30参考文献31附录321 绪论1.1 Multisim的发展背景：在科学技术日新月

4、异的背景下，随着教育改革的深入，如何实现教育技术现代化、教学手段现代化已经成为我国教育改革所面临的一个重要课题。目前，在电工电子技术实验教学方面，国内多数高校仍主要采用实物元器件进行硬件连线测试，大多数采用面包板或者各种现成的实验箱。这种传统的实验方式由于受实验室条件的限制，在给学生开设一些扩展型、设计型以及综合型实验时将会遇到困难，特别是新器件，新设备价格昂贵，一般院校的电子学实验室更是无法承受。随着电子和计算机技术的进步，推动了EDA 技术的普及与发展，从而推动了一场新的电子电路设计革命，使得电子工程师大量的设计工作可以通过计算机来完成。传统的电子线路的设计过程要经过设计方案提出、方案验证

5、和修改三个阶段，一般是采用搭接实验电路的方法进行，往往需要经过实验和修改的反复过程，直到设计出正确的电路用EDA工具.Multisim的软件的开发，使得电子工程师可以从概念、方法、协议等开始设计系统，大量工作可以通过计算机来完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出印制板的整个过程在计算机上自动处理完成。随着计算机的发展，Multisim软件经历了长时间的发展已经趋于不断完善，目前Multisim的最新版本是 Multisim9。在前几版的发展基础上进行了改善，使Multisim的软件系统功能更加完善和强大。1.2 Multisim软件的介绍以及发展过程： Multisim9是一款完整

6、的工具设计系统，提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL和Verilog HDL 设计接口和仿真功能、FPGACPLD综合、RF设计能力和处理功能，还可以从原理图到PCB数据包的无缝隙数据传输。它提供单一易用的图形输入接口可以满足设计者的需求。Multisim9提供全部的先进设计功能，满足从设计参数到产品需求Multisim9是加拿 大 Interactive Image Technologies(II T)公司于1988年推出了一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件ElectronicsWorkbench(EWB) ,EWB具有数字、

7、模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力，以界面直观操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，得到了迅速的推广及使用随着技术的发展，EBW 软件也经过了多个版本的衍变。V5以前的版本称为Electronics Workbench，从V6开始改为Multisim。在教育界比较流行的Multisim 2001版属于V6版本，目前Multisim的最新版本是V8。Multisim从V5到V6的功能有很大的扩充，特别是增加了VHDL和Verilog HDL模块，使它成为真正的“数模VHDL Verilog”的混合电路模拟软件。2001年IIT公司又推出了Multisim的最新版本Multisim2001，

8、直至2003年8月，该公司又对Multisim2001进行了较大的改进，升级为Multisim 7，增加了3D元件以及安捷伦的万用表，示波器，函数信号发生器等仿真实物的虚拟仪表，似的虚拟电子工作平台更加接近实际的实验平台。迄今为止，Multisim 软件已升级到Multisim 9版本，相较之各版本功能更强大。1.3：Multisim的主要功能及特点（1）用户界面直观 Multisim9沿袭了EWB界面的特点，提供了一个灵活的、直观的工作界面来创建和定位电路。Multisim9（教育版）考虑到学生的特点，允许教师根据自身需要、课程内容和学生水平设置软件的用户界面，以创建具有个性化的菜单、工具栏

9、和快捷键。还可以使用密码来控制学生所接触的功能、仪器和分析项目。（2）种类繁多的元件和模型 Multisim9提供的元件库拥有13000个元件。尽管元件库很大，但由于元件被分为不同的“系列”，所以可以方便地找到所需要的元件。Multisim9元件库含有所有的标准器件及当今最先进的数字集成电路。数据库中的每一个器件都有具体的符号、仿真模型和封装，用于电路图的建立、仿真和印刷电路板的制作。Multisim9还含有大量的交互元件、指示元件、虚拟元件、额定元件和三维立体元件。交互元件可以在仿真过程中改变元器件的参数，避免为改变元器件参数而停止仿真，节省了时间，也使仿真的结果能直观反映元件参数的变化；指

10、示元件可以通过改变外观来表示电平大小，给用户一个实时视觉反馈；虚拟元件的数值可以任意改变，有利于说明某一概念或理论观点；额定元件通过“熔断”来加强用户对所设计的参数超出标准的理解；3D元件的外观与实际元件非常相似，有助于理解电路原理图与实际电路之间的关系。除了Multisim9软件自带的主元件库外，用户还可以建立“公司元件库”， 有助于一个团队的使用，简化仿真实验室的练习和工程设计。Multisim9与其他软件相比，能提供更多方法向元件库中添加个人建立的元件模型。元件放置迅速和连线简捷方便在虚拟电子工作平台上建立电路的仿真，相对比较费时的步骤是放置元件和连线，Multisim9可以使使用者不需

11、要指导就可以轻易地完成元件的放置。元件的连接也非常简单，只需单击源引脚和目的引脚就可以完成元件的连接。当元件移动和旋转时，Multisim9仍可以保持它们的连接。连线可以任意拖动和微调。进行SPICE仿真对电子电路进行SPICE（SimulationProgramwithIntegrated CircuitEmphasis）仿真可以快速了解电路的功能和性能。Multisim9为模拟、数字以及模拟/数字混合电路提供了快速并且精确的仿真。Multisim9的核心是基于使用带XSPICE扩展的伯克利SPICE的强大的工业标准SPICE引擎来加强数字仿真的。Multisim9的界面对最为陌生的用户来说

12、都是非常直观的。这使用户运用SPICE的功能而不必去担心SPICE复杂的句法。虚拟仪器 Multisim9提供了逻辑分析仪、安捷伦仪器、波特图仪、失真分析仪、频率计数器、函数信号发生器、数字万用表、网络分析仪、频谱分析仪、瓦特表和字信号发生器等18种虚拟仪器，其功能与实际仪表相同。特别是安捷伦的54622D示波器、34401A数字万用表和33120A信号发生器，它们的面板与实际仪表完全相同，各旋钮和按键的功能也与实际一样。通过这些虚拟器件，免去昂贵的仪表费用，用户们可以毫无风险地接触所有仪器，掌握常用仪表的使用。强大的电路分析功能Multisim9除了提供虚拟仪表，为了更好地掌握电路的性能，还

13、提供了直流工作点分析、交流分析、敏感度分析、3dB点分析、批处理分析、直流扫描分析、失真分析、傅里叶分析、模型参数扫描分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、噪声系数分析、温度扫描分析、传输函数分析、用户自定义分析和最坏情况分析等19种分析，这些分析在现实中有可能是无法实现的。强大的作图功能 Multisim9提供了强大的作图功能，可将仿真分析结果进行显示、调节、储存、打印和输出。使用作图器还可以对仿真结果进行测量、设置标记、重建坐标系以及添加网格。所有显示的图形都可以被微软Excel、MathsoftMathcad以及LABVIEW等软件调用。后处理器 利用后处理器，可以对仿真结果和波形进行传统的数学

14、和工程运算。如算术运算、三角运算、代数运算、布尔代数运算、矢量运算和复杂的数学函数运算。RF电路的仿真 大多数SPICE模型在进行高频仿真时，SPICE仿真的结果与实际电路测试结果相差较大，因此对射频电路的仿真是不准确的。Multisim9提供了专门用于射频电路仿真的元件模型库和仪表，以此搭建射频电路并进行实验，提高了射频电路仿真的准确性。HDL仿真利用MultiHDL模块（需另外单独安装），Multisim9还可以进行HDL（HardwareDescriptionLanguage，硬件描述语言）仿真。在MultiHDL环境下，可以编写与IEEE标准兼容的VHDL或VerilogHDL程序，该

15、软件环境具有完整的设计入口、高度自动化的项目管理、强大的仿真功能、高级的波形显示和综合调试功能。针对不同用户的需要，Multisim9发行了增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）。各版本的功能和价格也有明显的不同，目前，发展到Multisim9版本，电子仿真软件Multisim的主要功能以及在电路分析、模拟电子线路、脉冲与数字电路、高频电子线路等电子技术课程中的应用。 2 TTL与非门测试实验2.1概述：2.1.1 门电路的概念和分类：所谓门电路

16、，是指实现一些基本逻辑功能的电子电路。门电路分为分立元件门电路和集成门电路。集成门电路种类很多，最常用的有 TTL和 CMOS 两人系列。分立元件门电路结构简单，功能较差，目前在数字电路中已很少使用，但它可以说明一些基本概念和分析方法。集成门电路种类较多，功能较强，使用广泛。 2.1.2 门电路的性能：门电路的性能包括两方面的内容：一是作为基本逻辑单元的逻辑功能，另一是作为电路器件的电气特性。所谓逻辑功能，是指在一定的逻辑定义下电路输出信号的高、低电平与输入信号高、低电平之间的相互逻辑关系（例如与、或、非、与非、或非、异或等）。所谓电气特性，是指电路输入和输出电压、电流之间的关系。电气特性包括

17、静态特性和动态特性。静态特性是指电路在稳态时，电压电流间的关系。它包括电压传输特性、输入特性和输出特性；动态特性是指电 路在状态转换过程中电压电流问的关系，它包括传输时间和动态尖峰电流等。 TTL集成门电路在数字电路中占有非常重要的地位，它是实现逻辑运算的实际电路，是用电路解决逻辑问题的最简单电路对它的理解掌握关系到数字电路实现逻辑问题由抽象到实际的转变门电路一般有：与门、或门、非门、与非门、或非门等。各种门电路有着不同的功能，即针对不同的输入数值给出输出数值（比如或门要求两个输入值中有一个或以上为1时输出1；与门在两个输入值都为1是输出1，否则输出0；非门只有一个输入，而输出与输入反相），就

18、像数学上简单的方程式；不同种类的门就像不同的方程式；大量的各种门可以描述更为复杂的方程式。 2.2实验原理及实验电路：表2.1 与非门真值表输入输出011010100111图2-1 TTL与非门实验电路如图2-1是与非门的逻辑功能：当与非门的输入端至少有一个输入端接低电平时，其输出为高电平。只有当输入端全接高电平时，其输出才为低电平 。 用仿真软件验证与非门的逻辑功能： 由电路图可知，开关与接地相连时，输入接低电平；开关与电源相连时，输入接高电平。启动仿真，J1、J2共有四种输入状态分别是：J1接电源，J2接地，观察输出X1的变化，X1灭，输出为低电平；J1、J2全接电源，观察输出X1的变化，

19、X1亮，输出为高电平；J1、J2全接地，观察输出X1的变化，X1亮，输出为高电平；J1接地，J2接电源，观察输出X1的变化，X1灭，输出为低电平。据此验证了与非门的逻辑功能。 3编码器3.1编码器概述 ：编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”

20、，通过“”和“”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。3.2编码器分类：按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。74ls148是一个八线-三线优先级编码器4数据选择器4.1数据选择器的定义及功能: 数据选择是指经过选择，把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上去。实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器1。它的作用相当于多个输入的单刀多掷

21、开关，其示意图如图4-1所示。图4-1 数据选择器功能示意图下面以4选1数据选择器为例，说明工作原理及基本功能。其逻辑图6如图4-2所示：图4-2 数据选择器逻辑图表4-1 数据选择器功能表输入输出使能地址GBAY10000001101010D0D1D2D3为了对个数据源进行选择，使用两位地址码BA产生个地址信号。由BA等于00、01、10、11分别控制四个与门的开闭。显然，任何时候BA只有一种可能的取值，所以只有一个与门打开，使对应的那一路数据通过，送达端。输入使能端是低电平有效，当时，所有与门都被封锁，无论地址码是什么，总是等于；当时，封锁解除，由地址码决定哪一个与门打开。同样原理，可以构

22、成更多输入通道的数据选择器。被选数据源越多，所需地址码的位数也越多，若地址输入端为，可选输入通道数为2n。5时序逻辑电路5.1 概述：5.1.1 定义：数字电路根据逻辑功能的不同特点，可以分成两大类：一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类叫做时序逻辑电路（简称时序电路）。时序逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关。因此，在电路结构上，时序逻辑电路包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路必不可少。5.1.2 电路构成及分类：存储电路（主要是触发器，且必不可少）+组合逻辑电路（可选）。时序逻辑电路的状态是

23、由存储电路来记忆和表示的。根据电路状态转换情况的不同分为：1同步时序逻辑电路：所有触发器的时钟输入端CP都连在一起，在同一个时钟脉冲 CP作用下，凡具备翻转条件的触发器在同一时刻状态翻转。触发器状态的更新和时钟脉冲CP是同步的。2异步时序逻辑电路时钟脉冲CP只接部分触发器的时钟输入端，其余触发器则由电路内部信号触发。因此，凡具备翻转条件的触发器状态的翻转有先有后，并不都和时钟脉冲CP同步。计数器中，时钟脉冲CP又称为计数脉冲。5.1.3 时序逻辑电路的分析方法：根据给定的电路，写出它的方程、列出状态转换真值表、画出状态转换图和时序图，而后分析出它的功能。基本分析步骤1写方程式（1）输出方程。时

24、序逻辑电路的输出逻辑表达式，它通常为现态的函数。（2）驱动方程。各触发器输入端的逻辑表达式。（3）状态方程。将驱动方程代入相应触发器的特性方程中，便得到该触发器的次态方程。时序逻辑电路的状态方程由各触发器次态的逻辑表达式组成。2列状态转换真值表将外输入信号和现态作为输入，次态和输出作为输出，列出状态转换真值表。3逻辑功能的说明根据状态转换真值表来说明电路的逻辑功能。4画状态转换图和时序图 状态转换图：电路由现态转换到次态的示意图。时序图：在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。5.2实验原理及实验电路：5.2.1 五进制计数器：十进制计数器原理74LS90计数器是一种中规模二一五-十进

25、制计数器， R0(1),R0(2)是清零端，R9（1），R9(2)是置9端，CPA和QA可组成一个二进制计数器，CPB和QBQCQD组成五进制计数器；若把QA和CPB相连，脉冲从CPA输入，则构成8421BCD码十进制计数器。5.2.1.2功能表：表5-1 7490功能表复位输入输出R1 R2S1 S2 QDQC QB QA HHLLLLLHHLLLLLHHHLLHLL计 数LL计 数LL计 数LL计 数A将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器；B将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器；5.2.1.3 工作方式74LS90具有如下的五种基本工作方式：（1）五分频：即由F

26、D、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。（2）十分频（8421码）：将QA与CK2连接，可构成8421码十分频电路。（3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 （4）九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。（5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分

27、频时，R1、R2端亦必须有一端接地。 图5-1 计数器的实验电路如图5-1用仿真软件验证计数器的逻辑功能：由电路图可知，开关闭合时，输入为低电平；开关打开时，输入为高电平。采用7段数码显示器进行结果显示。启动仿真，依次控制各个开关的开通情况。有真值表可知只要控制R1或R2及S1或S2中每组有一个为低电平，74LS90便开始计数。本电路实现的是五进制计数，根据电压型脉冲发生器所提供的脉冲，显示器依次显示：1、3、5、7、9。6 译码器6.1 概述：6.1.1 定义：译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码

28、器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。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。6.1.2 分类：译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类。前者又分为变量译码器和代码变换译码器。代码转换译码器，是从一种编码转换为另一种编

29、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。变量译码器（又称二进制译码器），用以表示输入变量的状态，如2线4线、3线8线和4线16线译码器。若有n个输入变量，则有2n个不同的组合状态，就有2n个输出端供其使用。而每一个输出所代表的函数对应于n个输入变量的最小项。二进制译码器实际上是负脉冲输出的脉冲分配器，而且还能方便地实现逻辑函数。典型的变量译码器有3线8线译码器74LS138。数码显示译码器除了译码功能外，还可作数码管的驱动器。常用的是BCD码七段译码驱动器。6.1.3译码器电路结构：由与门电路构成的2输入译码器，其输出共有22个（即4），

30、可以每个其输出对应于一个最小项。在电路中当输入BA的取值为10，即对应于十进制数的2时，其F2输出为高电平,其余的输出为0。主要使用了与非门构成的2输入的译码器，其每个输出对应于一个最小项 的非。在这电路中，当输入BA的取值为10时，其输出F2不再为1,而是输出为0，其余的输出为1。上面列出的为2输入的情况，对于输入为2个以上的情况也与此相同，同样可以有输出高电平有效的，也有输出低电平有效的。6.1.4用译码器实现逻辑功能：由于任何一组合逻辑电路都可以写成最小项表达式的形式，而译码器电路的输出列出了该电路的所有最小项表达式（或最小项的非表达式），故可以用译码器电路实现各种组合逻辑电路。用74L

31、S138实现函数须注意两点：1.74LS138的输出是低电平有效，故实现逻辑功能时，输出端不可接或门及或非门（因为每次仅一个为低电平，其余皆为高电平）；2.74138与前面不同的是，其有使能端，故使能端必须加以处理，否则无法实现需要的逻辑功能。6.1.5使能输入端：在中规模集成电路中经常会碰到使能端（Enable Pin），使能端可以是输入，也可以是输出，其是用来扩展中规模集成电路功能的输入、输出端，当一个2输入译码器上加上一个输入E，由于输入端E的加入，其功能发生了变化,当E=0时,其输出全部为0,而该译码器在没有加上E端时,其为高电平有效,这时其输出端没有一个处于有效工作状态，可以理解为E

32、=0时，该译码器不工作；当E=1时，译码器可以正常工作，这种输入端在E=1时能正常工作的使能端叫做高电平有效。6.2实验原理及实验电路：6.2.1 译码器的工作原理： 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控制输入端，又成为片选端，用来控制允许译码或禁止译码。74LS138是一种3线8线译码器，三个输入端CBA共有8种状态组合（000111），可译出8个输出信号Y0Y7。这种译码器设有三个使能输入端，当G2A与G2B均为0，且G1为1时，译码器处于工作状态，输出低电平。当译码器被禁止时，输出高

33、电平。检测74LS138译码器时间波形的电路，使用的虚拟仪器为数字信号发生器和逻辑分析仪。数字信号发生器在一个周期内按顺序送出两组000111的方波信号。在图4中，7442为二十进制译码器，具有4个输入端和10个输出端。输入信号采用8421BCD码，二进制数00001001与十进制数09对应。当输入 超过这个范围是无效，10个输出端均为高电平。7442电路没有使能端，因此只要输入在规定范围内，就会有一个输出端为低电平。74LS139跟74LS138类似,区别在于139内部是2个独立的2-4译码器。6.2.2 74139译码器的工作方式:内部包括两个相同的24线译码器，每个译码器有3个输入端：G

34、输入允许；B、A地址数据输入。G=0时允许译码，A、B为不同数据时，对应的输出端为低电平。表6-1 真值表输入输出GBAY3Y2Y1Y0111110001110001110101010110110111图6-1 译码器的实验电路如图6-1用仿真软件验证译码器的逻辑功能：由电路图可知，开关闭合时，输入为低电平；开关打开时，输入为高电平。采用灯的亮灭进行结果显示。X1、X2、X3、X4分别对应Y1、Y2、Y3、Y4。启动仿真，依次控制各个开关的开通情况。由真值表表6-1可知首先要控制G为高电平，便可控制译码输出。X1、X2闭合时，Y1、Y2、Y3点亮，Y0灭；X1闭合，X2打开时，Y0、Y2、Y3

35、点亮，Y1灭；X1打开，X2闭合时，Y0、Y1、Y3点亮，Y2灭；X1、X2打开时， Y0、Y1、Y2点亮，Y3灭。据此验证了译码器的逻辑功能。7 555定时电路7.1概述:7.1.1 定义：集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。7.1.2 分类:其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引

36、脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC+5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3+18V。7.1.3 555时基电路的特点:555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较

37、器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。7.1.4 555电路的工作原理9：555电路的内部电路方框图如图71所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只 5K的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1 的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时

38、放电开关管截止。 是复位端（4脚），当0，555输出低电平。平时 端开路或接VCC 。 VC是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1 的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，

39、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。图7-1 555定时器组成框图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极

40、相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表71示。表7-1 555定时器逻辑功能清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零1VccVcc0导通置01VccVcc1截止置11VccQn不变保持 8数字抢答器的设计8.1抢答器的总体结构：如图8-1所示为总体方框图。按通电源后，后台工作人员将检测开关S置“检测”状态，数码管在正常清除下，显示“” ；当后台工作人员将检测开关S置“抢答”状态，主持人按系统清除按键，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人松开宣布“开始”，抢答器工作。选手按动抢答

41、按键，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮答题之后，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。如果再次抢答必须由主持人再次按动系统清除按键。 图8-1 抢答器8.2优先判断与编号锁存电路：优先判断与编号锁存电路如图8-2所示。电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出按键的先后顺序，并锁存优先抢答的编号；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：系统清除按键按动时，74LS279的四个RS触发的置0端均为0，使四个触发器均被置0。1Q为0，使74LS148的使能端=0 74LS148处于允许编码的状态，同时1Q为0

42、，使74LS148的灭灯输入端=0，数码管无显示。这时抢答器处于准备抢答状态。当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输入为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100。亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出为0，使1Q=1，即=1，74LS148处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的=1,74LS148处于禁止状态，从而封锁了其它按键的输入。此处，当优先抢答者的编号按键松开在按下时，由于1Q=1，使=1,74LS14

43、8仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。（74LS148为8线-3线优先编码器，表8-1为其真值表，图8-3为逻辑图；74LS297为四个R-S锁存器，表8-2为其真值表，图8-4为逻辑图。）图8-2 优先判断与编号锁存电路表8-1 74LS148真值表InputsOutputsE101234567A2A1A0GSE0HHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLLLLLLHLLHLLHLHLLHHLHLLHLLHHHHLLLHLLHHHHHLLLHLLHHHHHHLHLHLLHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHLLH图8-3 74LS148逻辑图表8-2

44、 74LS279真值表InputsOutputsSRQHHQ0LHHHLLLLNot sure图8-4 74LS279逻辑图8.3抢答器的单元电路设计：简易逻辑数字抢答器14由主体电路和扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。现在介绍抢答器设计中的优先编码电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、七段显示数码器及译码管电路。8.4抢答器设计中的优先编码电路：参考电路如图8-5所示，该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键

45、的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编码；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于“清除”端时，RS触发器的端均为0，4个触发器输出值为0，使74LS148的=0，使之处于工作状态。当开关S置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时如S5，74LS148的输入=010，=0，经RS锁存后，1Q=1，=1，74LS148处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外1Q=1，时=1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。但第一个按键的选手松开时，74LS148还是以上的状态因此仍然禁止其他输入，保证了强大者的优先性。如果再次抢答需要主持人奖S开

46、关重新置于“清除”然后在进行下一轮抢答。(74LS148为8线-3线优先编码器，表8-1为其真值表.) 图8-5 优先编码电路8.5抢答器设计中的定时电路：由主持人请答题的难易程度，设定一次抢答时间，通过设置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路图如图8-6所示。本设计是以555定时器构成震荡电路，由74LS192来充当计数器，构成抢答器的倒计时电路。该电路简单，无需用到晶振，芯片在市场上容易买到。设计功能完善，能实现直接清零、启动。图8-6 定时电路8.6抢答器设计中的报警电路：由555定时器和三极

47、管构成的报警电路如图8-7所示。其中555定时器构成多谐振荡器，震荡频率f0=1.43【(R1+2R2)C】,其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停震。 图8-7 报警电路8.7抢答器中的时序控制电路：时序控制电路10是抢答器设计的关键，它主要有以下三种功能：1）主持人控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。3）当设定的抢答时间到时，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。图8-8 时序控制电路根据上面的功能要求，设计

48、的时序控制电路如图8-8所示。图中，门G1的作用是控制时钟信号GP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。图4-3的工作原理：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于图4-1中的74LS279的输入1Q=0，经G3反相，A=1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进入递减计时。同时在定时时间未到时，则“定时信号”为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现1的要求。当选手定时时间内按动抢答键时，1Q=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；门G2的输出=1,74LS148处于禁止状态，从而

49、实现2的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，=1，74LS148处于禁止状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关闭状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现3的功能。集成但稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声电路。8.8七段显示译码器与数码管：七段显示译码器7与数码管如下图8-9所示。七段显示译码74LS48将锁存器74LS279的信号译码，输出给数码管。当后台工作人员将S置于GND，=0，使灯测试输入端（图中3号=1），这是数码管工作情况；当后台工作人员将S置于Vcc，=1，使灯测试输入端（图中3号=1），这是正常译码。图8-9 7段显示译码器与数码管图8-1

50、0 74LS48逻辑图图8-11 八路数字抢答器实验原理图 图8-11是我此次毕业设计的综合原理图，是基于Multisim的仿真原理图，通过此原理图验证了我的设计的正确性，即有选手先按下开关后经优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出，而且此设计还可以在有选手第一时间按下的时候阻止其他选手使其操作无效，因而保障了首先抢答选手的能够优先发言答题的权利。结 论我此次设计的题目是基于Multisim的数字电子实验电路的设计，就是要对相关的实验运用Multisim仿真软件进行虚拟的仿真，验证实验的功能及设计的可行性。通过此次毕业设计我学到了很多知识如在TTL与非门的测试实验中，我

51、的具体的了解了各种门电路。门电路的性能是一是作为基本逻辑单元的逻辑功能，另一是作为电路器件的电气特性。门电路的分类门电路一般有：与门、或门、非门、与非门、或非门等。各种门电路有着不同的功能，即针对不同的输入数值给出输出数值（比如或门要求两个输入值中有一个或以上为1时输出1；与门在两个输入值都为1是输出1，否则输出0；非门只有一个输入，而输出与输入反相），就像数学上简单的方程式；不同种类的门就像不同的方程式；大量的各种门可以描述更为复杂的方程式。TTL与非门的功能是当与非门的输入端至少有一个输入端接低电平时，其输出为高电平。只有当输入端全接高电平时，其输出才为低电平 ；通过本次设计我基本上掌握了

52、编码器、译码器、数据选择器、锁存器、计数器、555定时器的逻辑功能及其应用。此次毕业设计的综合设计实验是设计出八位数字抢答器，通过此次设计我掌握了数字抢答器的基本组成，各功能电路图及各电路图的原理。通过此次设计我学会运用了Multisim仿真软件，学到了大量的知识，锻炼了自己动手的能力。致谢本设计经过两个月的工作，终于能够顺利完成。通过本次毕业设计，我对Multisim、数字电子电路中的各个元器件及各个实验有了更深的认识，可以熟练的进行电路图的绘制，以及设置并修改的元件参数，对于理论和实践相结合的重要性有了更深刻的体会，也使自身独立解决问题的能力进一步提高。在此要衷心感谢我的指导教师耿立明老师，本设计是在耿老师的悉心指导下完成的。在整个设计阶段，耿老师除了给我提出方案外，也留给我主动解决问题的空间，是我在