基于Multisim軟件的首信號鑒別電路設(shè)計(jì)

李鵬

(煙臺職業(yè)學(xué)院電子工程系，山東煙臺264670)

基于Multisim軟件的首信號鑒別電路設(shè)計(jì)

李鵬

(煙臺職業(yè)學(xué)院電子工程系，山東煙臺264670)

首信號鑒別電路應(yīng)用廣泛，文中給出了一種包括聲光提示、數(shù)碼顯示功能的首信號鑒別電路完整設(shè)計(jì)方案，包括其設(shè)計(jì)框圖，各部分設(shè)計(jì)的原理和仿真，并將整體電路繪制在Multisim10中進(jìn)行仿真運(yùn)行測試，獲得正確的設(shè)計(jì)方案。

首信號;Multisim;JK觸發(fā)器;鑒別;屏蔽;仿真

首信號鑒別電路可以用在需要鑒別第一輸入信號并屏蔽其他后續(xù)輸入信號的場合，如競賽搶答器、反應(yīng)能力測試器、搶跑測試器等。在首信號鑒別電路上，可以附加指示燈、聲響報(bào)警、數(shù)字顯示等功能，使之更具有實(shí)用性。用邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)首信號鑒別電路的主電路，是比較高效的方案。

為便于測試電路的功能，更清楚的闡述其設(shè)計(jì)思路和電路設(shè)計(jì)原理，本設(shè)計(jì)采用Multisim 10這款仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。Multisim 10是美國 NI公司在EWB(Electrical Workbench)這款EDA軟件的基礎(chǔ)上升級而來的功能強(qiáng)大的windows操作系統(tǒng)下的電路設(shè)計(jì)和仿真軟件，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到電子電路的教學(xué)中和電路設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)仿真、測試中［1］。

1 電路設(shè)計(jì)框圖

功能較全面的首信號鑒別電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它包括輸入電路、信號鑒別和屏蔽電路、輸出外圍電路(指示燈、報(bào)警電路、數(shù)碼顯示電路)，其中信號鑒別和屏蔽電路是主電路，功能是接收輸入電路送來的信號并鑒別出第一輸入信號，對之后輸入的信號進(jìn)行屏蔽［2］。輸入電路的形式需要根據(jù)應(yīng)用場合來確定，如智力競賽搶答中，輸入電路可以是按鈕，反應(yīng)能力測試中可以是某種傳感器，也可以是某種按鈕。

圖1 首信號鑒別電路結(jié)構(gòu)框圖

2 各部分電路的設(shè)計(jì)與 Multisim仿真

本設(shè)計(jì)以四人知識競賽搶答器電路為實(shí)例，詳細(xì)說明首信號鑒別電路的設(shè)計(jì)與在Multisim中的實(shí)現(xiàn)。市面上邊沿D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器都很多，所以設(shè)計(jì)中選用二者均可。本文選用帶有異步復(fù)位端的下降沿觸發(fā)的雙JK觸發(fā)器74LS73進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 雙JK觸發(fā)器的基本功能

雙JK觸發(fā)器74LS73的功能表如表1所示，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及引腳排列如圖2所示［3］。

表1 74LS73的功能表

由表1和圖2可以看出:

①74LS73中JK觸發(fā)器的時(shí)鐘端CLK是下降沿有效。

②數(shù)據(jù)清除端CLR是低電平有效的異步清零功能端。

③在CLR為高電平情況下，在時(shí)鐘CLK的下降沿到來時(shí)，如J=K=0，輸出Q保持不變;如J=1，K =0，輸出Q被置位為1;如J=0，K=1，輸出Q被復(fù)位為0;如J=1，K=1，輸出Q將求反。

圖2 74LS73的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及引腳圖

④當(dāng)時(shí)鐘CLK沒有下降沿時(shí)，JK觸發(fā)器將保持不變。

2.2 按鍵輸入部分的設(shè)計(jì)

輸入電路包括主持人按鍵和四個(gè)隊(duì)的搶答鍵，主持人按鍵起到復(fù)位的作用，使得亮起的指示燈滅掉，顯示隊(duì)號的數(shù)碼管顯示0或滅掉。74LS73上的異步復(fù)位端是低電平有效的，所以主持人按鍵常態(tài)是高電平，按下是低電平，如圖3(a)所示。

圖3 首信號鑒別電路輸入部分

搶答鍵按下，會使對應(yīng)的觸發(fā)器置位，并能封鎖其他隊(duì)的按鍵信號和自己隊(duì)再次輸入的信號，避免二次按下引起的報(bào)警現(xiàn)象。首信號識別后，封鎖后續(xù)信號的電路實(shí)現(xiàn)，可從兩個(gè)方面來設(shè)計(jì):一是封鎖信號使觸發(fā)器進(jìn)入保持狀態(tài)，搶答按鍵作為CLK信號使用;二是搶答鍵輸入的信號作為J或K信號，CP信號在主持人復(fù)位之前不再有下降沿，也使觸發(fā)器保持狀態(tài)不變。本設(shè)計(jì)中采用第一種做法，需要在按下?lián)尨疰I時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，常態(tài)也是高電平，如圖3(b)所示。

2.3 首信號鑒別和屏蔽電路設(shè)計(jì)與仿真

首信號鑒別和屏蔽電路設(shè)計(jì)的基本思路是:在主持人按復(fù)位鍵后觸發(fā)器被復(fù)位變成0，要識別輸入的搶答信號，觸發(fā)器就得翻轉(zhuǎn)為輸出1，前面已經(jīng)確定搶答信號作為CLK使用，搶答按鍵送來的下降沿使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器的輸入應(yīng)該是J=K=1。當(dāng)有人第一個(gè)按下?lián)尨鸢粹o后，觸發(fā)器要變成保持狀態(tài)，則J=K=0屏蔽再次輸入的搶答信號。所以J和K不應(yīng)該是恒定的1或者0，應(yīng)該是受到屏蔽電路的控制的，并且屏蔽電路的輸出應(yīng)該和觸發(fā)器的輸出有關(guān)，這樣可以用Q或作為屏蔽電路的輸入，屏蔽電路的輸出再送到J和K上。在搶答前，觸發(fā)器輸入端J=K=1，輸出端Q=0，=1，有人搶答后，Q=1=0，輸入變成J=K=0，因此可以使用Q作為屏蔽電路的輸入。本設(shè)計(jì)中有四個(gè)輸入，需要四個(gè)觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器的工作原理是相同的，所以可將四個(gè)觸發(fā)器的相與送至J和K上，如圖4所示，是在Multisim 10中繪制的電路設(shè)計(jì)原理圖，仿真測試的結(jié)果完全符合要求。

圖4 首信號鑒別電路(四路搶答器)的設(shè)計(jì)圖

在圖4中，用四輸入與門74LS21實(shí)現(xiàn)屏蔽電路，其輸出屏蔽信號的表達(dá)式是:

搶答前，與門的四個(gè)輸入來自四個(gè)觸發(fā)器的Q =1，與門輸出1送至四個(gè)觸發(fā)器的J和K端;在搶答后，例如J1先搶答，給第一個(gè)觸發(fā)器U1A的CLK一個(gè)下降沿，使得U1A的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)=0，則與門輸出Y=0，將四個(gè)觸發(fā)器的輸入J、K都變成0，即便再有CLK下降沿輸入，觸發(fā)器輸出端也是保持不變。

2.4 指示燈部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中用LED充當(dāng)指示燈，如圖4中每個(gè)LED的陽極串接500Ω限流電阻后接5V電源正極，陰極接觸發(fā)器的，當(dāng)=1時(shí)，燈不亮，當(dāng)=0時(shí)，燈亮。例如在J1首先搶答后，U1A觸發(fā)器的=0，對應(yīng)的LED1亮，其他觸發(fā)器保持不變，燈不亮。由此，可以通過LED燈的指示清楚獲得第一信號的來源。

2.5 聲音報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中用蜂鳴器作為發(fā)聲元件，如圖5所示。用JK觸發(fā)器輸出端控制三極管BC848基極，搶答時(shí)給基極500HZ的脈沖信號驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。所以基極的控制信號表達(dá)式如下式:

與式①比較可得:

圖5中電路是按照式②實(shí)現(xiàn)的，圖中與門U3B和圖4中的U3A在同一個(gè)集成塊上，不必再增加兩輸入端的與門。實(shí)踐中也可以按照式③來實(shí)現(xiàn)，將Y送入非門求反后和500HZ脈沖信號送入與門U3B，兩種做法在實(shí)踐中可以靈活選用。

圖5 發(fā)聲電路原理圖

2.6 數(shù)碼顯示電路

在首信號鑒別電路中可以加入數(shù)碼顯示電路，當(dāng)鑒別出第一信號之后，能顯示出第一信號的來源，在搶答器電路中，可以顯示出第一搶答的隊(duì)號。為此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)由JK觸發(fā)器的輸出端邏輯狀態(tài)到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。為表述方便，用A、B、C、D分別表示，用Y3、Y2、 Y1、Y0分別代表8421BCD碼的四位，可以畫出轉(zhuǎn)換電路的真值表如表2所示。顯然，在四人搶答器電路中只會出現(xiàn)5種情況，其他不出現(xiàn)的作為無關(guān)項(xiàng)來處理，采用卡諾圖進(jìn)行化簡。圖6是Y0的卡諾圖。

表2 數(shù)碼顯示電路真值表

圖6 Y0的卡諾圖

由式④畫出代碼轉(zhuǎn)化電路如圖7所示。

圖7 數(shù)碼顯示部分電路

3 完整電路與結(jié)論

以四人競賽搶答器為實(shí)例的首信號鑒別電路的完整電路設(shè)計(jì)如圖8所示。該電路在Multisim中進(jìn)行功能仿真，各項(xiàng)功能完全正常，電路工作中電路參數(shù)穩(wěn)定，原理設(shè)計(jì)完全正確。

圖8 完整的首信號鑒別電路圖

［1］summao.Multisim10的使用教程［EB/OL］.2010－06－07，http://wenku.baidu.com/link url=SX-qOEuZo4Ey0fQ2eXSQId0QHKbEZAgpfLrd_BT2－gH9jpWcG4BbFM－tkS7VsVjbV2ewE6N4T439lGwaLT H93F－h(huán)4cbNvfahyrDhq_xvQWEC.

［2］鄭景華.CMOS電路的第一信號鑒別器［J］.河南大學(xué)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995(1).

［3］楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

(責(zé)任編輯 侯中巖)

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1673－5382(2014)02－0071－05

2014－03－20

李鵬(1974－)，男，山東平邑縣人，煙臺職業(yè)學(xué)院講師，碩士.