基于Multisim10的電子搖號器設(shè)計與仿真

趙家松，黃榮華，嚴偉榆

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)村政策發(fā)展研究中心，云南 昆明 650201）

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子設(shè)計已進入電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）時代。 EDA 技術(shù)涉及電路設(shè)計、電路仿真和系統(tǒng)分析3方面內(nèi)容，其設(shè)計過程大部分工作都是由計算機完成的。這種先進的方法已成為當(dāng)前學(xué)習(xí)電子技術(shù)的重要輔助手段，更代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的時代潮流[1]。掌握EDA技術(shù)首先得學(xué)習(xí)和運用EDA軟件。 目前， 常用的 EDA軟件有 Pspice，MaxplusⅡ，Protel，Orcad和Multisim。利用這些軟件對電子電路進行仿真設(shè)計，不消耗實際的元器件，電路修改調(diào)試方便，提高了電子電路設(shè)計的效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

Multisim10軟件的前身是加拿大圖像交互技術(shù)（Interactive Image Technologies，IIT）公司推出的電子工作臺（Electronics Workbench，EWB） 軟件，2005 年美國國家儀器（National Instruments，NI） 公司收購加拿大 IIT 公司，2007年美國NI公司推出的NI Circuit Design Suit 10軟件，Multisim10是其中的一個重要組成部分。該軟件具有以下特點：直觀的圖形界面、龐大的元器件庫、豐富的測試儀器、完備的分析工具、強大的仿真能力，廣泛應(yīng)用于電子電路的教學(xué)[2-3]、設(shè)計[4-5]和科研[6]中 。

1 設(shè)計要求與任務(wù)分析

1.1 設(shè)計要求

設(shè)計一個電子搖號器，要求：通過一個按鍵開關(guān)隨機抽取0到9中的一個數(shù)字。

1.2 任務(wù)分析

根據(jù)任務(wù)要求，數(shù)字0到9可由十進制計數(shù)器狀態(tài)輸出獲取，經(jīng)譯碼后用七段數(shù)碼管直觀地顯示數(shù)字。由于計數(shù)器狀態(tài)輸出是周期性變化的，因此，數(shù)字0到9均等地出現(xiàn)。計數(shù)脈沖由多諧振蕩器產(chǎn)生，其頻率可設(shè)定為10 kHz。在確定初態(tài)的情況下，按鍵頻率要達到10 kHz才能預(yù)知下一狀態(tài)。操作人員是遠遠達不到如此高的按鍵頻率，這樣就保證了搖號的公正性。2個開關(guān)（用變量J1和J2表示）控制搖號器的工作狀態(tài)，變量取值為0、1分別表示開關(guān)斷開和閉合。電子搖號器的功能如表1所示。

表1 電子搖號器功能Tab.1 Function of electronic numerical selection generator

根據(jù)上述任務(wù)分析與功能表，確定設(shè)計方案，整個電路由開關(guān)控制電路等5個模塊組成，如圖1所示。

圖1 電子搖號器原理框圖Fig.1 Schematic diagram of electronic numerical selection generator

2 電路設(shè)計與仿真

2.1 開關(guān)控制電路設(shè)計

由表1所示電路功能，開關(guān)J1用于控制十進制計數(shù)器置數(shù)和計數(shù)，則J1與十進制計數(shù)器的置數(shù)控制端LOAD相連。初始狀態(tài)J1斷開，計數(shù)器的置數(shù)控制端LOAD=0，使得計數(shù)器工作于置數(shù)狀態(tài)；J1閉合，計數(shù)器的置數(shù)控制端LOAD=1，使得計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)，其輸出循環(huán)產(chǎn)生0～9。J2用于搖號操作，可與寄存器時鐘控制端CLK相連。為方便用鍵盤進行搖號，設(shè)置開關(guān)J2的控制鍵為“空格”鍵，即Key=Space。如此，每按一下“空格”鍵，寄存器時鐘控制端CLK處就產(chǎn)生一個上升沿脈沖。開關(guān)控制電路如圖2所示。

圖2 開關(guān)控制電路Fig.2 Circuit of switch control

2.2 振蕩電路設(shè)計

振蕩電路用于產(chǎn)生計數(shù)器所需的時鐘脈沖信號。由于精度要求不高，時鐘脈沖可由555定時器與RC組成的多諧振蕩器產(chǎn)生[7]，如圖3所示，其振蕩頻率取R3=1.3 kΩ，R4=6.5 kΩ，C3=10 nF，在圖 3中輸出端 OUT 處接入虛擬示波器測量輸出時鐘信號的頻率，有f理論≈f實測≈10 kHz。如前分析，10 kHz時鐘脈沖可保證搖號的公正性。

圖3 時鐘脈沖發(fā)生器Fig.3 Clock pulse generator

2.3 計數(shù)與寄存器設(shè)計

選用集成十進制同步加法計數(shù)器74LS160及4D邊沿觸發(fā)器74LS175構(gòu)成計數(shù)及寄存器。由于數(shù)字0也是搖號備選號碼，則計數(shù)器74LS160及寄存器74LS175皆不能作清零操作，以避免數(shù)字0出現(xiàn)次數(shù)過多，影響搖號的隨機性。因此，計數(shù)器74LS160及寄存器74LS175的清零控制端無效，即CLR=1。 74LS160的置數(shù)輸入端 A＝B＝C＝D＝1， 狀態(tài)輸出端QA～QD分別接74LS175的輸入端1D～4D。

2.4 譯碼顯示電路設(shè)計

為直觀地觀察搖號結(jié)果，采用共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。譯碼電路采用74LS48，其輸入端A～D接寄存器74LS175的輸出端1Q～4Q；七路輸出都接同樣大小的限流電阻R，譯碼顯示電路如圖4所示。雙擊數(shù)碼管U5，查看其參數(shù)，On Current（Ion）=5 mA，F(xiàn)orward Voltage Drop（Vf）=1.66 V，則限流電阻

圖4 譯碼顯示電路Fig.4 Decoder and display circuit

2.5 總體電路設(shè)計與仿真

在Muhisim10主界面內(nèi)，將上述各單元電路組合起來，按各自對應(yīng)的關(guān)系相互連接構(gòu)成電子搖號器仿真電路，如圖5所示。為使總體電路布線清晰、簡單明了，采用層次電路設(shè)計方法，執(zhí)行Place/Hierarchical Block from File命令，由存盤位置找到圖3電路文件10 kHz時鐘脈沖后打開，即是圖5中的層次塊電路X1。

2.5.1 電路功能仿真

圖5 電子搖號器仿真電路Fig.5 Simulation circuit of electronic numerical selection

點擊Multisim10軟件的 “Simulate／Run”按鈕或直接按“F5”鍵，便可以進行電子搖號器的仿真。設(shè)2個開關(guān)初始狀態(tài)均為斷開，電路功能測試如下：

1）滅燈 開關(guān)J1斷開，74LS160置數(shù)端有效，輸出QA QB QC QD=1111，送入74LS175的輸入端，即有1D2D3D4D=1111。按下開關(guān)J2，74LS175的時鐘控制端CLK產(chǎn)生一個上升沿脈沖，其輸出1Q2Q3Q4Q=1111，使 74LS48的七路輸出全為0，則七段數(shù)碼管U5顯示為滅燈狀態(tài)。

2）保持 開關(guān)J1閉合，74LS160工作于計數(shù)狀態(tài)。J2斷開，74LS175的時鐘控制端CLK=0，輸出保持，則七段數(shù)碼管U5顯示狀態(tài)也保持。

3）搖號 開關(guān)J1閉合，74LS160工作于計數(shù)狀態(tài)。按下開關(guān)J2，74LS175的時鐘控制端CLK產(chǎn)生一個上升沿脈沖，其輸出1Q～4Q為該時刻計數(shù)器的輸出QA～QD，通過74LS48譯碼后，七段數(shù)碼管U5顯示相應(yīng)的十進制數(shù)作為搖號的結(jié)果。由于計數(shù)器時鐘CLK頻率為10 kHz，則搖號輸出是隨機的。

2.5.2 搖號隨機性測試

按上述方法進行搖號仿真，每產(chǎn)生100個數(shù)碼作為1組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計產(chǎn)生的數(shù)碼0～9的次數(shù)。重復(fù)10次操作，產(chǎn)生10組數(shù)據(jù)，對其平均后，作出產(chǎn)生數(shù)碼次數(shù)的柱狀圖，如圖6所示。

圖6 數(shù)碼次數(shù)Fig.6 Times of numeral

如圖6所示，電子搖號器仿真產(chǎn)生的數(shù)碼次數(shù)近似服從均勻分布。每按下一次開關(guān)J2，將隨機產(chǎn)生0到9之間的一個數(shù)碼，結(jié)果是無法預(yù)知的。

2.5.3 電子搖號器功能擴展

1）搖號備選數(shù)碼為0～N-1共N個時。當(dāng)N<10時，直接采用歸零法修改十進制計數(shù)器為N進制計數(shù)器，其他電路模塊不變，就可實現(xiàn)通過按鍵開關(guān)J2在0～N-1中選取數(shù)碼的功能。當(dāng)N>10時，首先得擴展計數(shù)容量，再采用歸零法設(shè)計N進制計數(shù)器，并擴充相應(yīng)的寄存器及譯碼顯示電路，方可實現(xiàn)通過按鍵開關(guān)J2在0～N-1中選取數(shù)碼的功能。

2）搖號備選數(shù)碼為1～N共N個時。當(dāng)N<10時，采用置數(shù)法修改十進制計數(shù)器為N進制計數(shù)器，此時74LS160的置數(shù)輸入端DCBA＝0001，置數(shù)控制端不由開關(guān)J1控制，而是由計數(shù)器的最大狀態(tài)N控制。開關(guān)J1可連接寄存器74LS175的清零端，有別于圖5中數(shù)碼管滅燈表示復(fù)位狀態(tài)，開關(guān)J1控制寄存器74LS175清零，數(shù)碼管顯示0可表示復(fù)位狀態(tài)。其他電路模塊不變，就可實現(xiàn)通過按鍵開關(guān)J2在1～N中選取數(shù)碼的功能。當(dāng)N>10時，首先得擴展計數(shù)容量，再采用置數(shù)法設(shè)計N進制計數(shù)器，并擴充相應(yīng)的寄存器及譯碼顯示電路，方可實現(xiàn)通過按鍵開關(guān)J2在0～N中選取數(shù)碼的功能。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的電子搖號器，結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，易于實現(xiàn)。應(yīng)用Multisim 10進行電子電路設(shè)計和仿真，可用大量豐富的元器件庫和實用的虛擬儀器，操作簡單，搭建電路方便、快捷，并且修改電路方便。對于較復(fù)雜的電路設(shè)計，采用層次電路設(shè)計方法，既便于對電路的理解，也便于團隊協(xié)作，共同完成設(shè)計任務(wù)。在電路設(shè)計仿真完成之后，再構(gòu)建實際電路，從而降低了成本，大大提高了電路設(shè)計的效率。

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