基于MultismProtel的数字抢答器

PAGE22基于Multism/Protel的数字抢答器内容摘要：竞赛抢答器系统是工厂、学校和电视台等单位举办各种智力竞赛等娱乐活动中经常使用的重要基础设备之一。本文介绍了数字抢答器的基本原理以及工作流程，现代电子工程设计中一种常用的有效方法就是计算机仿真技术，如multisim9，protel等。Multisim软件解决了多数任采用实物元器件进行连线测试，这种传统的实验方法受到了许多限制，而用multisim软件进行仿真模拟实验，实验过程和结果非常接近实际操作效果，参数方便修改，元器件选择范围也非常广泛。本文采用的是multisim9，在前几版的发展基础上进行不断的改善，使multisim9更加完美和强大。关键词：数字抢答器multisim9仿真设计

BasedMultism/ProteldigitalResponderAbstract:Contestforsystemfactories,schoolsandtelevisionstationsandotherunitsorganizevariousquizzesandotherrecreationalactivitiesareoftenanimportantfoundationforoneofthedevicesused.Thisarticledescribesthebasicprinciplesofdigitalansweringdeviceandworkflow,modernelectronicengineeringdesignacommon,efficientwayofcomputersimulationtechnology,suchasmultisim9,protelandsoon.Multisimsoftwaretosolvethemajorityofphysicalcomponentsusedtoconnecttoanytest,thistraditionalexperimentalmethodsbymanyrestrictions,butwithmultisimsoftwaresimulationexperimentprocessandtheresultsareveryclosetotheactualoperatingresults,easytomodifyparameters,Yuandeviceselectionrangeisalsoveryextensive.Thisarticleusesmultisim9,thefirstfewversionsofthedevelopmentonthebasisofcontinuousimprovement,sothatmultisim9moreperfectandpowerful.Keywords:DigitalRespondermultisim9SimulationDesignpicture基于Multisim/Protel的数字抢答器前言数字抢答器系统是工厂、学校和电视台等单位举办各种智力竞赛等娱乐活动中经常使用的重要基础设备之一。数字抢答器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。1Multisim9软件1.1Multisim的发展背景随着电子技术和计算机技术的进步，促进技术EDA技术的普及和发展，促进了革命性的新的电子电路设计，电子工程师做很多的设计工作可以通过计算家里做。传统的电子电路，通过三个阶段的方案设计，验证和修改进行设计，搭接电路所需的实验方法，往往要经过反复实验的Multisim软件，品牌的过程多的工作可以通过对计算机来完成。在整个设计过程中，可以通过电脑来完成所有的电子产品。随着计算机软件的开发，Multisim软件已经越来越完善，使用更广泛的Multisim9。在以前版本的开发建立了一些改进，Multisim软件使系统更加健壮。1.2Multisim软件的简单介绍Multisim9是一个全面的工具，用于系统提供巨大的元件数据库，它提供了所有先进的设计功能，以满足需求的产品从设计参数的数据库设计。IITMultisim9推出专为电子电路仿真和设计于1988年的EDA软件工具。在Windows环境下，软件环境Multisim9有一个完整的集成设计，测试和分析，将创建原理图，电路图显示所有结果在一个窗口中的集成电路。构建实际电路之前，采用虚拟仿真软件Multisim9测试，实验方法和工具，使现代实验的产能扩张，以提高实验效率，节省了大量的实验资源。其基本步骤设计仿真软件是Multisim9：原理图设计，以创造一个模拟，部署选项电路原理图，使用模拟设备，设置模拟分析;Multisim9开始跳水。本文介绍了作为一个平台，Muitisim9一个应答过程复用器的设计。1.3Multisim的主要功能和特点Multisim软件提供图书馆有13,000元素。尽管元件库很大，但由于元件被分为不同的“系列”，就可以很容易地找到所需的元件。Multisim9元件库包含标准的设备和最先进的数字集成电路。每个数据库的设备具有独特的符号，模型模拟和包装，打造出电路图仿真和印刷电路板制造。Multisim9还含有多种交互元素，指示元件，虚拟组件，组件和三维立体元件。交互元件可以在仿真过程组件改变的参数，来改变部分，以避免为了节省时间停止仿真参数，而且模拟的结果可以直接反映变化的元素的参数，表示该元素通过电平的外形尺寸差来表示，给用户提供了实时的视觉反馈;虚拟数字元素是可以改变的，有利于一个概念或描述的理论观点;评为“灯芯”，以提高组件的参数包括用户无法理解的标准;3D元素的外观非常相似，实际要素，了解电路原理图和实际电路之间的关系。除了自带Multisim9软件自带的主元件库外，用户可以创建“公司元件库”将有助于用来方便的模拟实验练习和工程设计团队。Multisim9与其他方案相比。可以提供更个性化的方式来增加组件模型来建库。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，Multisim

9可以使使用者不需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，Multisim

9仍可以保持它们的连接。连线可以任意拖动和微调。强大的电路分析功能

Multisim

9除了提供虚拟仪表，为了更好地掌握电路的性能，还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

Multisim

9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、Mathsoft

Mathcad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。Multisim

9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。2TTL与非门测试实验2.1门电路2.1.1门电路的概念与分类所谓门电路，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。使用分立元件门电路，集成电路可以被做，但在实际应用中是集成的。由于品种单一与非门可以包括各种复杂的数字逻辑电路，以及品种单一的设备，备件，调试带来极大的方便，它没有集成工业和门或门，以及供应与非门。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。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。实验原理和实验电路表2.1.输入输出011010100111图2.1.23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，前者称为码盘，后者称为码尺。根据编码器的读出模式可分为接触式和非接触式两种，根据本原理，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，再转换为电信号脉冲计数位移的大小是指用脉冲数。绝对式编码器确定每个位置对应一个数字代码，那只能说明在开始测量值和端部位置，但不能用于测量中间过程。3.2编码器分类编码器可分为以下几类：●增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号(也有发正余弦信号，然后对其进行细分，斩波出频率更高的脉冲)，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。●绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。●按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。●以编码器机械安装形式分类▲有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。▲轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。●以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式。4数据选择器的定义和功能在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。工作原理是你给A1A0一组信号比如10那么就相当于给了他一个2进制数字2也就相当于选通了D2这个输入端，这个时候输出Y输出的就是D2的信号，D2是什么Y就输出什么。数据选择器(MUX)的逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一路数据作为输出信号。图4.1-1数据选择器功能示意图图4.1-2数据选择器逻辑图表4.1-1数据选择器功能表输入输出使能地址GBAY1××0000D0001D1010D2011D35时序逻辑电路5.1定义数字电路根据逻辑功能的不同特点，可分为两类，称为组合逻辑电路（简称组合电路），而另一个被称为时序逻辑电路（简称时序电路）。组合逻辑电路的特征是输出的逻辑功能在任何时间仅依赖于时间的数据，而不管该电路的原始状态。特性和时序逻辑电路是在任何时候输出逻辑函数不仅依赖于输入信号的时间，也取决于原始电路的状态，甚至和前面的输入有关。5.2电路构成及分类在数字电路中通常分为组合逻辑和时序逻辑电路分为两大类，组合逻辑电路的特点是输入的变化直接反映了输出的变化，以及输入和输出无关的原始状态，并且时序电路是一种输出不仅与当前的输入有关，而且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输入端加上了一个反馈输入，在其电路中有一个存储电路，其可以将输出的状态保持住。5.3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：★写方程式●输出方程。时序逻辑电路的输出逻辑表达式，它通常为现态的函数。●驱动方程。各触发器输入端的逻辑表达式。●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个触发器次态的逻辑表达式组成。★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。★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。★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。5.4实验原理及实验电路五进制计数器原理74LS90计数器是一种中规模二一五-十进制计数器，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。

表5.4-17490功能表复位输入输出R1R2S1S2QDQCQBQAHHL×LLLLHH×LLLLL××HHHLLH×L×L计数L×L×计数L××L计数×LL×计数●将输出Qa与输入B连接，构成8421BCD码计数器；●将输出Qb与输入A连接，构成5421BCD码计数器；74LS90具有如下的五种基本工作方式：★五分频：即由Fd、Fc和Fb组成的异步五进制计数器工作方式。★十分频（8421码）：将Qa与CK2连接，可构成8421码十分频电路。★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000～101，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”。★九分频：QA→R1、QD→R2，构成原理同六分频。★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，据表5.4-1可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。图5.4-1计数器的实验电路如图图5.4-1用仿真软件验证计数器的逻辑功能：由电路可知，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。由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定义译码器是一类多输入多输出设备的组合逻辑电路，它可分为：变量译码和显示译码两类。变量译码器通常是多了几分的输入输出设备，显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码，一般其可分为驱动LED和驱动LCD解码是编码的逆过程，每个二进制码的编码中，给出了一个特殊的含义，即表示一个特定信号或对象。理解的代码的特殊地位的过程“翻译”称为解码，解码操作被称为解码器电路。或者，是在状态解码器的数据可以被转换成二进制代码在原文的含义的电路的输出信号。6.1.2分类许多类型的解码器，但他们的工作几乎相同的设计和分析，其中的二进制译码器，二-十进制译码器和解码器的屏幕是三种典型的使用非常广泛的解码电路。二进制码译码器，也被称为最小项译码器，N得到一个解码器，该解码器通常是较小的项目将被转换成二进制代码数据的代码;码器解码器是由一个编码到另一种编码转换;显示译码器，编码一般是翻译成一个特殊的代码或代码数据，并通过显示装置显示的解码器的状态。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），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。在这点电路中，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74LS138实现函数须注意两点：■74LS138的输出是低电平有效，故实现逻辑功能时，输出端不可借或门及非门■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使能输入端在集成电路规模经常遇到的使能端（EnablePin），使终端可以是数据可被用来扩大终端集成电路功能的输入/输出的大小的输出，2输入与译码器的输入端，由于添加输入端子功能改变当E=0时，输出全为0，最后译码器的空闲时间，这是积极的高，那么他的结论可没有一个工作状态，我们可以理解E=0，当译码器不能正常工作，当E=1，我们可以看到，它的译码器可以正常工作，我们称此输入为E=1可以正常使用所谓的高电平使能端。6.2实验原理及实验电路译码器是一种具有“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为3线－8线译码器，共有54LS138和74LS138两种线路结构型式。74139译码器的工作方式：内部包括两个相同的2——4线译码器，每个译码器有3个输入端：G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6.2-1真值表输入输出GBAY3Y2Y1Y01××11110001110001110101010110110111图6.2-1译码器的实验电路如图6.2-1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。采用灯的亮度进行结果显示。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6.2-1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。7555定时电路7.1概述7.1.1定义当集成基电路又称为集成或定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，被广泛使用。这是一个延迟时间和各种各样的电路用于产生一个脉冲信号，由于内部的标准电压通过使用三个5K电阻电路555如此命名。7.1.2分类电路的类型有双极型和CMOS两类，类似于2的结构和工作原理。几乎所有的双极模型最后三个数字产品是555或556;所有CMOS型号7555或最后四位数字是7556，正是相同的逻辑功能和引脚排列既方便交流。555和7555顷单一的计时器。556和7556顷两个定时器。电源电压VCC=+5V双极〜15伏，以200mA的最大输出电流，CMOS电压为3〜18V。◆555时的基本电路的特征：555芯片的应用程序启动时，称为555或555定时器电路。但是，发展，这除了延迟的控制程序，同时也为光，恒温，压力，速度，以及其他控制和测量测试音之后。此外，该组合物还可以是脉冲的，单稳态，双稳态，以及脉冲调制电路的交变电流源的信号，功率变换，频率变换，脉冲调制。因为它是可靠，使用方便，价格低廉，被广泛应用于各种电子产品，有几十个555元器件，它是一个分压器，比较器，基本R-S触发器，放电管以及缓冲器等。该电路是比较复杂的，模拟和数字电路的混合。◆555电路的工作原理:电路555的内部电路框图如图7-1所示。它包括两个电压比较器，一个RS锁存基地，一个放电开关T，比较器的参考电压分压器组成的构成只提供5KΩ三个电阻。分别使比较器A1和A2的反相输入端和比较器的参考电平终端的CCV32CCV31反相输入端的底部的高度。A1和A2输出RS状态控制和状态放电开关摇杆。当从6英尺的输入，并且触发输入高电平信号超过参考电平CCV32，触发器被复位，输出端子555的3脚输出低，而放电开关导通;当2英尺下面CCV31的输入信号和输入，锁存输出5553英尺高，而放电开关是关闭的。DR是复位端（4脚）时，RD=0，555输出低电平。VC是控制电压端（5脚）中，比较器A1CCV32通常的输出作为基准电平，当一个电压端子5的外部输入，即，通过改变比较器的参考电平达到另一个命令的输出时，电压没有连接，电容器通常是连接到地一个0.01μF，从消除外部干扰，水平滤波效果参考以确保稳定性。T为放电管，当T导通时，连接销7的电容器提供具有低电阻的放电通路。计时器555主要是电阻性，电容充电和由两个比较器，用于检测电压的电容来确定输出电平，并接通和断开放电开关的电平形成的放电电路。这是很容易的从几微秒建立到数十个延迟电路分钟的很容易被一个单稳态触发器，施密特触发器，作为一个脉冲发生器电路或波形转换。图7.1.4-1555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Vo

2脚：TL低触发端

6脚：TH高触发端

4脚：DR是直接清零端。当DR端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL、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0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，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CC，CCV31,V32的情况下，555时基电路的功能表如表7—1示。表7.1.4-1555定时器逻辑功能清零端高触发端低触发端Q放电管功能0××0导通直接清零10导通置011截止置11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8.1-1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8.1-1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8.2-1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的使能端等于074LS148处于允许编码的状态，同时1Q为0，使74LS148的灭灯输入端等于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=1，74LS148处于译码状态，译码的结果显示为“4”图8.2-1有线判断与编号锁存表8.2-174LS148真值表InputsOutputsE101234567A2A1A0GSE0H××××××××HHHHHL×××××××LLLLLHL××××××LHLLHLHL×××××LHHLHLLHL××××LHHHHLLLHL×××LHHHHHLLLHL××LHHHHHHLHLHL×LHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHLLH图8.2-274LS148逻辑图表8.2-274LS279真值表InputsOutputsSRQHHQLHHHLLLLNotsure图8.2-374LS279逻辑图8.3抢答器的单元电路设计简易逻辑数字抢答器：主要的和扩展电路电路。优先编码器电路，锁定电路队在显示模式下的输入信号进行解码，启动报警电路和控制电路的开关B组成的两个或多个部分的主电路。译码电路由定时电路和所述第二脉冲信号产生和输出，