數(shù)字跑表的Multisim模塊設計與仿真

吳玉新 曹玉萍

1.山東女子學院信息技術學院,山東 濟南 250300

2.齊魯工業(yè)大學理學院,山東 濟南 250300

引言

數(shù)字跑表是一種采用數(shù)字電路技術實現(xiàn)“分”、“秒”、“百分秒”數(shù)字顯示的現(xiàn)代計時裝置，與傳統(tǒng)的機械式秒表相比，它具有精度高、顯示直觀、可靠性強、無機械磨損等優(yōu)點[1]，因而廣泛應用于日常生活、工作、體育運動等方面。目前，數(shù)字跑表的功能越來越強大，其組成也由過去的純硬件逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）等可編程器件[2]。筆者在數(shù)字電路教學中主要采用計數(shù)器等中規(guī)模集成電路來組成數(shù)字跑表，由于所用集成器件多而導致總體電路結構不清晰，連線雜亂導致電路調試和閱讀不方便?；贛ultisim仿真軟件的層次塊功能[1]，本文采用模塊設計法，將數(shù)字跑表各單元電路設計成模塊電路，再將各模塊連線成總電路[2]，不僅使其結構變得清晰明了，而且各模塊間的連線也變得簡潔，既美觀又便于閱讀；與此同時，由于各模塊電路自成一體，可以獨立設計、調試和仿真，不僅提高了調試和仿真效率，還有助于團隊分工協(xié)作設計，對于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力具有十分重要的意義。

1 設計任務

（1）能數(shù)字顯示百分秒、秒、分鐘，最大計時為59分59.99秒；

（2）具有暫停/繼續(xù)功能；

（3）具有清零/啟動功能。

2 系統(tǒng)框圖

數(shù)字跑表由百分秒信號產(chǎn)生模塊、分、秒、百分秒計數(shù)模塊、顯示部分和控制部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，百分秒信號由555定時器組成的多諧振蕩器[3]產(chǎn)生；百分秒是100進制，故由100進制的計數(shù)器組成，而秒和分都是60進制，由60進制的計數(shù)器組成；顯示部分由6個數(shù)碼管構成，分別顯示分、秒和百分秒；控制部分用來實現(xiàn)數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計時、清零/啟動計時功能。

圖1 數(shù)字跑表的系統(tǒng)框圖

3 各單元電路的設計

3.1 百分秒信號產(chǎn)生模塊

振蕩器用來產(chǎn)生百分秒信號，是數(shù)字跑表計時的核心，其頻率精度和穩(wěn)定度決定了計時的準確度，通常選用石英晶體振蕩器，若計時精度要求不高，可采用555定時器組成的多諧振蕩器[3]。本文采用555定時器組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生百分秒信號。

圖2 百分秒信號產(chǎn)生模塊

圖3 百分秒信號產(chǎn)生模塊內(nèi)部電路圖

在設計百分秒信號產(chǎn)生模塊電路時，可設置0個輸入端和1個輸出端，如圖2所示。雙擊百分秒信號產(chǎn)生模塊，在彈出的窗口中點擊編輯 HB/SC[1]就可對該模塊進行內(nèi)部電路設計，如圖3所示。根據(jù)555定時器組成的多諧振蕩器的周期公式T≈ln2(R1+2R2)C[3]，可知，若T=0.01s，若令C=1μF，R2=4kΩ，則R1=6.4kΩ，取一個固定電阻5 kΩ與一個可調電阻2 kΩ串聯(lián)代替電阻R1。

在仿真調試電路時，用虛擬示波器來觀測百分秒信號輸出，調節(jié)可調電阻，使其周期為0.01s，如圖4所示。

圖4 百分秒信號產(chǎn)生模塊仿真結果

3.2 分、秒、百分秒計數(shù)模塊

分和秒都采用60進制計數(shù)器，而百分秒采用100進制計數(shù)器，它們都有8個BCD碼輸出，1個進位輸出，1個時鐘脈沖輸入，1個清零端輸入。在設計分、秒、百分秒計數(shù)模塊電路時，都設置2個輸入端和9個輸出端。

60進制計數(shù)模塊和100進制計數(shù)模塊都選用中規(guī)模集成電路74LS160[4]來實現(xiàn)，其中100進制計數(shù)模塊由兩級10進制計數(shù)器構成，通過2片74LS160直接級聯(lián)實現(xiàn)，如圖5所示，U16是個位計數(shù)器，其輸出RCO作為十位計數(shù)器U17的進位信號，兩者級聯(lián)實現(xiàn)了100進制計數(shù)。

圖5 100進制計數(shù)模塊內(nèi)部電路圖

而60進制計數(shù)模塊則是由一級10進制計數(shù)器和一級6進制計數(shù)器連接構成，通過2片74LS160串接實現(xiàn)，如圖6所示，U5為個位計數(shù)器，其輸出RCO作為十位計數(shù)器的進位信號，采用反饋置數(shù)法[5]將U7和與非門組成6進制計數(shù)器，兩者串聯(lián)實現(xiàn)60進制計數(shù)。

圖6 60進制計數(shù)模塊內(nèi)部電路圖

在調試計數(shù)模塊時，為了加快仿真速度，將虛擬的函數(shù)信號發(fā)生器連接到計數(shù)模塊的時鐘信號輸入端I01，并盡量調高矩形波信號的頻率，如1000Hz，再將清零輸入端I02接高電平，輸出端I03～I010連接到兩個4輸入數(shù)碼管上，構成計數(shù)模塊仿真電路。經(jīng)過仿真測試，100進制和60進制計數(shù)模塊的仿真結果符合設計要求，調試結果可參見圖7。

3.3 顯示部分

顯示部分采用6個7段顯示數(shù)碼管，2個一組，分別顯示分、秒和百分秒的個位數(shù)和十位數(shù)，若用74LS48譯碼器，則對應的是共陰極7段顯示數(shù)碼管[6]。本文采用4輸入的BCD解碼的7段顯示數(shù)碼管[7]，如圖7所示，最大可以顯示59分59.99秒。

3.4 控制部分

控制部分主要由2個單刀開關和1個電阻構成，用來實現(xiàn)數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計時、清零/啟動計時功能，如圖7所示。其中開關J1若斷開，則百分秒計數(shù)模塊無時鐘信號輸入，數(shù)字跑表暫停計時，而J1閉合后，時鐘信號重新輸入，數(shù)字跑表繼續(xù)計時；其中開關J2若閉合，相當于分、秒、百分秒計數(shù)模塊的清零端接地有效，則數(shù)字跑表的6個數(shù)碼管全部清零，而J2斷開，計數(shù)模塊清零端無效，則數(shù)字跑表重新啟動計時。

仿真調試控制部分時，可在上述計數(shù)模塊仿真電路的基礎上添加開關和電阻即可組成仿真電路，在仿真過程中，斷開或閉合開關J1，看是否實現(xiàn)了數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計時功能，斷開或閉合開關J2，是否實現(xiàn)了數(shù)字跑表的清零/啟動計時功能，仿真結果表明控制部分符合數(shù)字跑表的設計要求。

4 總電路的仿真調試

上述各單元電路功能仿真調試成功后，即可將各模塊連線成總電路：先將虛擬的函數(shù)信號發(fā)生器接入百分秒計數(shù)模塊的時鐘輸入端；再將百分秒、秒和分計數(shù)模塊級聯(lián)，從而實現(xiàn)百分秒、秒、分的依次進位；然后將各計數(shù)模塊的輸出信號分別接至6個數(shù)碼管，實現(xiàn)分、秒和百分秒的數(shù)字顯示；最后將控制部分接好，以實現(xiàn)暫停和清零功能，這樣就構成了數(shù)字跑表的整體電路，如圖7所示。這里需要說明的是，在總電路仿真調試時，先用虛擬的函數(shù)信號發(fā)生器代替百分秒信號產(chǎn)生模塊，以加快仿真速度，在總電路調試成功后再將百分秒信號產(chǎn)生模塊接入即可?？傠娐愤B好線后，運行仿真測試，結果表明滿足數(shù)字跑表的設計指標要求。

圖7 數(shù)字跑表總電路調試仿真圖

5 結束語

利用Multisim的層次塊功能，對數(shù)字跑表進行了模塊設計，并較好地完成了該電路的設計指標要求。數(shù)字跑表的模塊設計，不僅使總電路結構清晰化，連線美觀化，而且有效地提高了電路的設計和仿真調試效率。在數(shù)字電子技術及數(shù)字電路課程設計中都涉及較復雜的電路設計，而模塊設計法巧妙地將看似復雜的總設計任務分解為多個簡單的子任務，減弱了學生初次面對數(shù)字電路課程設計時的畏懼心理。同時，由于模塊電路可獨立設計、調試和仿真，還便于團隊分工協(xié)作設計，對于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力也具有重要的意義。

[1]羅映祥. 基于Multisim 9的數(shù)字電子鐘設計與仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術，2010, 320(9):184-186.

[2]程勇.實例講解Multisim 10 電路仿真[M].第1版.北京 :人民郵電出版社, 2010:228-241.

[3]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分[M].第5版.北京:高等教育出版社,2006:421-423.

[4]師亞莉，陳東.數(shù)字邏輯課程設計實訓教程[M].第1版. 北京:人民郵電出版社,2013:187-213.

[5]萬琰, 謝海良.基于Multisim 10的任意計數(shù)器的設計與仿真[J].世界科技研究與仿真，2008, 30(4):452-454.

[6]董玉冰.基于Multisim 9.0簡易數(shù)字頻率計的設計與仿真[J].長春大學學報，2009,19(6):6-8.

[7]周來秀.基于Multisim的出租車計費器仿真研究[J].中國科技信息，2011, 5:124-126.