《电子设计自动化》课件第6章

第6章Proteus在数字6.1组合电路的仿真分析6.2触发器的仿真分析6.3时序电路的仿真分析6.4555定时器应用电路的仿真分析6.5数字电路的综合应用仿真分析本章小结

组合电路的特点是电路的输出与该时刻输入变量的取值组合有关，与过去输入变量的取值无关。该电路种类繁多，常用的组合电路均实现了集成化，其中包括编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等。本节介绍常用组合电路的仿真分析过程。6.1组合电路的仿真分析6.1.1编码器仿真分析

1)创建电路

在元器件库中选择编码器74LS148、电阻排RP1、开关、反相器、七段数码管(LED-BCD)、电源等，所创建的编码器仿真电路如图6-1所示。电阻排RP1作上拉电阻用，开关SW1和SW2用来产生高低电平输入信号。因编码器74LS148输出为反码，故在其输出端加反相器可将其变为原码输出。七段数码管用来显示代码。

图6-1编码器仿真电路

2)仿真分析

单击仿真按钮，运行仿真，分析步骤如下：

(1)将开关SW2断开，并切换开关SW1的触点，观察输出代码的变化。

(2)将开关SW2合上，这时输出代码为“7”，体现了编码器的优先编码功能。

6.1.2译码器仿真分析

1)创建电路

在元器件库中选择译码器74LS138、反相器、计数器74160、电源等，所创建的译码器仿真电路如图6-2所示。计数器74160与反相器构成八进制计数器，循环产生代码000～111，作为译码器74LS138的地址代码。该电路的输出可产生顺序负脉冲，由电压探针进行测量。计数器的时钟频率CLK为10Hz。

图6-2译码器仿真电路

2)仿真分析

选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，仿真时间为0～2s，分析的波形为计数时钟、计数器的输出(即译码器的地址代码)、译码器的输出。运行图表仿真，则译码器仿真电路的信号波形如图6-3所示。图6-3译码器仿真电路的信号波形

6.1.3数据选择器仿真分析

数据选择器的功能是从多路输入信号中选择一路送至输出端，由地址代码决定选择哪一路信号。对8选1数据选择器74151(逻辑符号如图6-4所示)来说，输出信号与输入信号之间满足表达式6-1：

本处以数据选择器实现表决器为例，介绍其仿真分析过程。

1)表决器的功能要求

用8选1数据选择器设计一个表决电路。该电路有3个输入逻辑变量A、B、C和一个控制变量M。当M=0时电路实现“意见一致”功能(A、B、C全部同意，表决通过，否则表决不通过)，而当M=1时，电路实现“多数表决”功能，即A、B、C中多数同意时，表决通过，否则表决不通过。

2)表决器的功能分析

(1)分析题意，进行逻辑赋值。

当A、B、C=1时，表示同意；A、B、C=0时，表示不同意。

当Y=1时，表示表决通过；Y=0时，表示表决不通过。

(2)根据逻辑赋值，真值表如表6-1所示。

表6-1表决器电路的真值表

(3)化简，得最简与或表达式，如式(6-2)所示。

Y

=

ABC

+

MAB

+

MAC

+

MBC

(6-2)

(4)将最简表达式写成A、B、C最小项之和的形式，如式(6-3)所示。

(6-3)

3)创建仿真电路

根据表达式6-3设计的数据选择器构成的表决器仿真电路如图6-4所示。计数器74160与反相器构成的八进制计数器循环产生代码000～111，作为数据选择器74151的地址代码。开关SW1产生M信号(0或1)。计数器的时钟频率CLK为10Hz。

图6-4数据选择器构成的表决器仿真电路

4)仿真分析

单击运行按钮，运行仿真，分析步骤如下：

(1)将开关SW1切换至上触点M=1时，实现多数表决功能。A、B、C有两个以上为1，则发光二极管发光。

(2)将开关SW1切换至下触点M=0时，实现一致表决功能。A、B、C全部为1，发光二极管才发光。

(3)选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，仿真时间为0～1s，分析的波形为CLK、M、A、B、C和Y。运行图表仿真，则表决器仿真电路的信号波形如图6-5、6-6所示。从图6-5中可看出，当M=1时，实现了多数表决功能；从图6-6中可看出，当M=0时，实现了一致表决功能。仿真结果符合设计要求。图6-5表决器仿真电路的信号波形(M=1)图6-6表决器仿真电路的信号波形(M=0)6.1.4全加器仿真分析

全加器的功能是实现两个二进制数的全加运算。本处以4位二进制并行加法器74LS83的应用为例，介绍全加器的仿真分析过程。

1)功能要求

利用两片74LS83和必要的门电路，实现两个8421BCD码的加法运算电路。

2)功能分析

当两个8421BCD码相加的和小于或等于9时，相加的结果与两个二进制数相加的结果一样。当两个8421BCD码相加的和大于9(即等于1010～1111)时，则应在按二进制数相加的结果上加6(0110)，这样就可以给出进位信号，同时得到一个小于9的和。

3)创建电路

在元器件库中选择并行加法器74LS83、数据选择器74LS257、或门7432、与门7408、LOGICTOGGLE、电源等，所创建的8421BCD码加法器仿真电路如图6-7所示。LOGICTOGGLE用来产生二进制数据0或1；或门和与门组成译码电路，用来识别1010～1111六个代码，其输出作为数据选择器74LS257的选择信号，选择是否在结果中加6(0110)；结果用两位数码管显示。

图6-78421BCD码加法器仿真电路

4)仿真分析

单击仿真按钮，运行仿真。仿真时，可用鼠标单击LOGICTOGGLE上的箭头选择0或1，进而输入不同的BCD代码，其运算结果可通过数码管显示，如图6-7所示。

5)仿真说明

(1)该电路能实现两个8421BCD码的加法运算，但结果(两数之和)在0～15以内，超过15(如16、17、18)则不行。要实现超过15的加法运算，需对该电路进行调整，读者可思考并完成该功能。

(2)译码电路也可用数值比较器来实现，将加法器(图6-7中的U1)的输出与9(1001)进行比较，也可识别1010～1111六个代码。用户还可用集成译码器(如74LS138)来识别这六个代码。6.1.5数值比较器仿真分析

数值比较器的功能是实现两个二进制数的比较运算，经比较运算可给出大于、等于或小于的结果。本处以4位数值比较器74LS85为例，介绍数值比较器的仿真分析过程。

(1)数值比较电路的功能要求。试用两片数值比较器74LS85组成三个数的判断电路。要求能判别三个4位二进制数A(A3A2A1A0)、B(B3B2B1B0)、C(C3C2C1C0)是否相等，A是否最大，A是否最小，并分别给出“三个数相等”、“A最大”、“A最小”的输出信号。可以附加必要的门电路。

(2)数值比较电路的功能分析。将A和B进行比较，再将A和C进行比较，若A=B且A=C，则三者相等；若A<B，A<C，则A为最小；若A>B，A>C，则A为最大。最后将两两比较的结果进行组合，可给出“三个数相等”、“A最大”、“A最小”的输出信号。

(3)创建电路。在元器件库中选择数值比较器74LS85、与门7408、电源等，所创建的数值比较仿真电路如图6-8所示。

图6-8数值比较仿真电路设计电路时，输出端将两个比较器的比较结果通过与门组合在一起，得到“三个数相等”、“A最大”、“A最小”的输出信号，仿真时用三个发光二极管表示。输入端的三个二进制数A(A3A2A1A0=1100)、B(B3B2B1B0=1011)、C(C3C2C1C0=1000)通过电源(VCC)和地(GND)给出。输入端的信号连线通过总线方式进行连接，这样使电路简洁、连线简单。

(4)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。仿真结果如图6-8所示，可看出三个二进制数中，A最大。仿真过程中，改变A、B、C的数值也可判断A、B、C的大小。

触发器是一个有记忆功能的器件。它能存储一位二值信息，是构成时序电路的基本单元。触发器按有无时钟信号分为SR锁存器和时钟触发器，SR锁存器是构成时钟触发器的基础，因此SR锁存器又称为基本触发器。时钟触发器按功能分类有SR触发器、D触发器、T触发器和JK触发器。本节借助Proteus仿真软件对触发器的功能及其应用进行仿真分析，使读者能够更深地了解触发器的特性。6.2触发器的仿真分析6.2.1SR锁存器仿真分析

1)

SR锁存器的功能

SR锁存器又称为直接置位直接复位触发器，可用两个与非门交叉耦合构成，如图6-9所示。SR锁存器的功能表，如表6-2所示。

图6-9

两个与非门交叉耦合构成的SR锁存器电路

表6-2SR锁存器功能表

2)

SR锁存器仿真分析

(1)创建电路。选择与非门7400、LOGICTOGGLE(产生0、1信号)、LOGICPROBE(逻辑状态指示器)，所创建的SR锁存器仿真电路如图6-10所示。

图6-10SR锁存器仿真电路

6.2.2时钟触发器仿真分析

对于时钟触发器，目前已做成集成化产品的有D触发器和JK触发器，Proteus仿真软件也提供了D触发器和JK触发器的仿真模型，本处以D触发器和JK触发器为例，说明时钟触发器的仿真分析过程和方法。

1．D触发器的仿真分析

1)

D触发器的功能

D触发器具有置1和置0功能，即在输入信号的作用下，通过输入端D的状态(1或0)，使输出端置1或置0。D触发器的逻辑符号如图6-11所示。D触发器的的状态转换图如图6-12所示。D触发器的功能表如表6-3所示。

图6-11

D触发器的逻辑符号

图6-12D触发器的状态转换图

表6-3D触发器功能表由表6-3所示的D触发器功能表，可得到D触发器的特性方程为Qn+1 = D。

图6-13D触发器的仿真电路

图6-14PwlinGeneratorProperties对话框

图6-15D触发器的输入输出波形

(4)仿真说明。

对于时钟触发器的仿真分析，输入信号采用分段线性电压源最合适(可预先编辑信号波形)。

当待测信号不多时，也可用示波器测量。

2．JK触发器的仿真分析

1)

JK触发器的功能

JK触发器也属于时钟类触发器，具有保持、置0、置1和翻转4种功能，即在时钟信号的作用下，通过输入端J、K的状态(“1”或“0”)，可使输出端保持、置位、复位或翻转。

JK触发器的逻辑符号如图6-16所示。JK触发器的状态转换图如图6-17所示。JK触发器的功能表如表6-4所示。

图6-16JK触发器的逻辑符号

图6-17JK触发器的状态转换图

表6-4JK触发器功能表

图6-18JK触发器仿真电路

图6-19JK触发器的输入输出波形6.2.3时钟触发器相互转换

目前已经做成集成化产品的只有D触发器和JK触发器，其他功能的触发器可由这两种触发器改造得到，如D触发器经改造可得到JK触发器、JK触发器经改造可得到T触发器等。本处通过实例，介绍触发器相互转换的方法。

1．D触发器转换为触发器

D触发器有置位和复位两种功能，而触发器有翻转功能，设计时将D触发器的输出端反馈至输入端D即可。

(1)创建电路。选择集成D触发器74LS74、脉冲信号源CP(1kHz、高电平为5V)、直流电源等，所创建的D触发器转换为触发器的仿真电路如图6-20所示。将输出接至输入端D，则该电路满足触发器的功能。

图6-20D触发器转换为触发器的仿真电路

(2)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。示波器A、B通道分别测量CP和Q的波形，仿真结果如图6-21所示。在时钟CP的作用下，输出信号Q翻转，符合触发器的特性。

(3)仿真说明。调用脉冲信号源时，其高、低电平的默认设置分别为0V和1V，但一定要将其改为0V和5V，否则不能引起触发器的触发，这应引起读者的注意。图6-21

D触发器转换为触发器的输入输出波形

2．D触发器转换为JK触发器

D触发器有一个输入信号D，JK触发器有两个输入信号J和K。因此，用D触发器转换为JK触发器时，需对D触发器的输入端进行扩展，扩展的依据是D触发器和JK触发器的特性方程。

D触发器的特性方程：Qn+1

=

D

图6-22D触发器转换为JK触发器的仿真电路

(2)仿真分析。选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，分析时间设置为0～10ms，分析波形从上至下依次为CP、J、K、Q、，则D触发器转换为JK触发器的输入输出波形如图6-23所示。图6-23

D触发器转换为JK触发器的输入输出波形

3．JK触发器转换为T触发器

JK触发器有保持、置位、复位和翻转四种功能，若将JK触发器的输入端J和K连接在一起，则只有保持和翻转两种功能，从而实现T触发器的功能。

(1)创建电路。选择集成JK触发器74LS113、脉冲信号源CP(1kHz、高电平为5V)、直流电源等，所创建的JK触发器转换为T触发器的仿真电路如图6-24所示。将JK触发器的输入端J和K连接在一起作为输入信号T，则该电路满足T触发器的功能。

图6-24

JK触发器转换为T触发器的仿真电路

(2)仿真分析。选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，分析时间设置为0～10ms，分析波形从上至下依次为CP、T、Q、 ，则JK触发器转换为T触发器的输入输出波形如图6-25所示。

当输入信号T

=

0时，输出状态保持；当输入信号T

=

1时，在CP的触发(下降沿触发)作用下翻转，从而实现了T触发器的功能。图6-25JK触发器转换为T触发器的输入输出波形6.2.4触发器的应用

触发器是构成时序电路的基础，本处以D触发器构成的序列信号检测电路为例，介绍触发器应用电路的仿真分析过程。

1)创建电路

选择集成D触发器74LS74、脉冲信号源CP(1kHz、高电平为5V)、门电路、直流电源等，所创建的D触发器构成的序列信号检测器的仿真电路如图6-26所示。电路的输入信号为X(由分段线性电压源产生输入序列信号)，电路的输出为Y。图6-26D触发器构成的序列信号检测器的仿真电路

表6-5序列信号检测器的状态转换表分析状态转换表，可得出电路的功能。第一至第四行说明，只要输入信号X=0，无论现态是什么，次态均为00，可看出状态00(Q2Q1

=

00)为初始状态；第五行，次态“01”表示在初始状态的基础上输入一个“1”；第六行，次态“10”表示在初始状态的基础上连续输入两个“1”；第七行，次态“11”表示在初始状态的基础上连续输入三个“1”；第八行，次态“11”，同时Y

=

1，表示在初始状态的基础上连续输入四个“1”。

由此可看出，该电路的功能为“1111……”序列信号检测器，即连续输入信号X超过四个1时，则输出Y

=

1。

(3)状态转换图。根据表6-5，可画出序列信号检测器的状态转换图，如图6-27所示。从状态图可看出上述分析的功能。图6-27序列信号检测器的状态图

3)仿真分析

选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，分析时间设置为0～10ms，分析波形从上至下依次为CP、X、Q2、Q1、Y，则D触发器构成序列信号检测器的输入输出波形如图6-28所示。当输入信号X等于0时，电路的状态为00，输出Y等于0；当X输入连续4个时钟周期的高电平时，电路的状态从00开始，依次为01、10、11。当电路的状态为11时，Y等于1，说明检测到连续4个“1”。仿真结果与功能分析一致。图6-28D触发器构成序列信号检测器的输入输出波形

时序电路的特点是电路的输出不仅与该时刻输入变量的取值有关，且与过去输入变量的取值有关。从电路结构来看，若由组合电路和存储电路构成，则其中中存储电路必不可少。时序电路的基本单元是触发器。时序电路的种类很多，常用的时序电路有寄存器、计数器、序列信号发生器、序列信号检测器等，且大多数已实现了集成化。本节介绍常用时序电路的仿真分析过程。6.3时序电路的仿真分析6.3.1寄存器仿真分析

寄存器的基本功能是存储二进制数据，而移位寄存器除存储数据外，还有移位功能，基于这一点，可用移位寄存器作控制器，实现简单的控制应用电路。本处以集成移位寄存器74LS194的应用为例，介绍其仿真分析方法。

1．74LS194的功能

74LS194为四位双向移位可预置数集成寄存器，具有双向移位、清零、置数和保持等功能。该寄存器的逻辑符号如图6-29所示。其功能表如表6-6所示。图6-2974LS194的逻辑符号

表6-674LS194的功能表2．74LS194的应用示例

(1)应用要求。用74LS194设计一个流水灯控制电路，流水灯的变化规律如图6-30所示。

(2)功能分析。由图6-30中灯的亮、灭规律可以看出，在4个指示灯全部点亮前，74LS194应工作于右移模式，且右移数据的输入端SR接高电平“1”；当4个指示灯全部点亮后，74LS194应工作于左移模式，且左移数据的输入端SL接低电平“0”。本例中，工作模式的转换利用JK触发器74LS73自动完成，74LS73的两个互补输出端分别接到74LS194的工作模式控制端S1、S0上。当高电平“1”右移至Q3时，图6-30流水灯的变化规律产生下降沿的触发脉冲，JK触发器翻转，由右移模式变为左移模式；当低电平“0”左移至Q0时，产生下降沿的触发脉冲，JK触发器翻转，又由左移模式变为右移模式，以此类推，循环往复。

图中门电路组成译码电路。其中与非门74LS00用来识别代码“1111”，即74LS194输出端为“1111”时，与非门输出低电平，进而产生下降沿，导致JK触发器翻转；或门74LS32用来识别代码“0000”，即74LS194输出端为“0000”时，或门输出低电平，进而产生下降沿，导致JK触发器翻转。

(3)创建电路。根据以上分析并结合相关功能，创建74LS194控制的流水灯控制电路，如图6-31所示。脉冲信号源为CP(1Hz、高电平为5V)。

(4)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。可看出在移位脉冲CP的作用下，4个指示灯(发光二极管)按图6-30所示的规律变化，循环往复，设计结果符合功能要求。

图6-3174LS194控制的流水灯电路

(5)仿真说明。由于发光二极管接成拉电流形式，因此在接译码电路的两个管脚时，需要接限流电阻。否则在发光二极管导通时，会将高电平电压拉低(2V左右)，导致译码电路不能正常识别代码“1111”，进而使整个控制进程受阻。读者在做仿真时不妨一试。6.3.2计数器仿真分析

计数器是最常用的时序电路，它可实现计数、定时、分频、产生节拍脉冲、产生序列信号等功能。计数器按计数结果的编码方式可分为二进制计数器、十进制计数器以及任意进制计数器；计数器按计数结果的增减可分为加计数器和减计数器。本节以十进制减计数器74LS192为例，介绍计数器的仿真分析方法。

1．74LS192的功能

74LS192是十进制可预置数加减可逆计数器，它的功能表如表6-7所示。74LS192的逻辑符号如图6-32所示。图6-3274LS192的逻辑符号

表6-7十进制加减计数器74LS192的功能表逻辑符号引脚说明：

UP：加计数时钟输入端，上升沿有效；

DOWN：减计数时钟输入端，上升沿有效；

MR：清零复位输入端，异步方式，高电平有效；

2．74LS192应用示例

(1)应用要求。用74LS192构成41进制减计数器，并用数码管显示计数结果。

(2)功能分析。74LS192为集成十进制计数器，要构成41进制计数器需要两片74LS192。设计时可用两片74LS192进行串接得到100进制计数器，在100个状态中取41个状态

(40→39→…→00→40构成循环)，即得到41进制计数器。译码电路为两输入端与非门，可对代码“99”的特征进行识别(因计数状态“00”的下一个状态为“99”)，当译码电路识别出代码“99”后，可通过异步置数控制端将初始值40装入计数器。

(3)创建电路。根据以上分析，结合74LS192的功能，可创建74LS192控制的41进制计数器电路，如图6-33所示。脉冲信号源为CP(1Hz、高电平为5V)，LED数码管选用共阴极数码管。

(4)仿真分析。单击仿真按钮，运行仿真。可看出在计数脉冲CP的作用下，从初值40开始减计数，减计数至00以后，又装入初值，循环往复，设计结果符合功能要求。

图6-3374LS192构成的41进制计数器电路6.3.3序列信号发生器仿真分析

序列信号(串行数字信号)发生器在数字信号的传输和数字系统的测试中应用广泛。通常我们将这种能产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列信号发生器的构成方法有多种，可采用触发器和门电路构成，也可采用计数器和数据选择器等构成。本节以后者为例，介绍序列信号发生器的电路设计、原理分析与仿真方法。

(1)功能要求。试设计“11001110”8位序列信号发生器电路。

图6-34计数器74LS161与数据选择器74151构成的序列信号发生器电路

(3)原理分析。在图6-34中的计数时钟CP作用下，74LS161工作在计数状态，计数结果从Q2、Q1、Q0输出，从000→001→…→111共8个状态，则数据选择器74151的地址代码也按000→001→…→111变化并循环，同时输出端Y按地址码分别输出X0、X1、…、X7的值并循环，这样就得到所需要的序列信号(串行数字信号)“11001110”。该序列信号发生器的状态转换表如表6-8所示。

表6-8序列信号发生器的状态转换表(4)仿真分析。选择数字分析图表(DIGITALANALYSIS)，分析时间设置为0～20ms，分析波形从上至下依次为CP、Q2、Q1、Q0、Y，则序列信号发生器的输入输出波形如图6-35所示。若需产生其它序列信号，只要改变数据选择器输入信号(X0～X7)的值即可。图6-35序列信号发生器的输入输出波形

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路芯片，只需外接几个阻容元件就可构成各种不同用途的功能电路。由于使用灵活、方便，555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、通信等许多领域得到广泛应用。本节将借助Proteus仿真平台，介绍555定时器的功能特点、应用设计及仿真分析方法。6.4555定时器应用电路的仿真分析6.4.1555定时器的功能特点

555定时器又称3个“5”电路，由三个高精度的5kΩ分压电阻、两个比较器、一个SR锁存器和一个晶体管组成，封装在一个8脚芯片中。NE555定时器的功能表如表6-9所示，其逻辑符号如图6-36所示。

图6-36NE555定时器的逻辑符号

表6-9NE555定时器功能表逻辑符号引脚说明：

TR：低触发输入端，该端电位低于下限触发点(1/3)VCC时引起触发；

TH：高触发输入端，该端电位高于上限触发点(2/3)VCC时引起触发；

R

：复位输入端，异步方式，低电平有效；

CV：电压控制输入端，改变该端外接电压的大小可以改变上、下限触发点；

DC：放电输出端，为集电极开路输出；

Q：输出端，电路产生或变换的波形由该端输出。6.4.2555定时器构成施密特触发器

施密特触发器的特点是电压传输有滞回特性，当输入电压由低往高变化或由高往低变化时，对应的输出电压不在一个地方翻转。施密特触发器可分为施密特同相器和施密特反相器，用555定时器可方便构成施密特反相器。图6-37555定时器构成的施密特反相器电路

(2)仿真分析。输入波形VI为分段线性电压源，设置为三角波(500Hz、5V)，如图6-38所示。选择瞬态分析图表(TRANSIENTANALYSIS)，分析时间设置为0～10ms，则施密特反相器的输入输出波形如图6-39所示。图6-38通过分段线性电压源设置的VI波形图6-39施密特反相器的输入输出波形从图6-39可看出，当输入信号上升到(2/3)VCC时，输出翻转为低电平；当输入信号下降到(1/3)VCC时，输出翻转为高电平，所以(1/3)VCC和(2/3)VCC分别是施密特反相器的下限和上限触发点。施密特触发器具有滞回特性，滞回电压的大小等于上限触发点和下限触发点电压之差。利用滞回特性，可对输入信号进行整形和变换(本处将输入的三角波转换为矩形波)。6.4.3555定时器构成多谐振荡器

多谐振荡器的特点是输出无稳态，即输出状态为两个暂稳态，可在施密特反相器的基础上增加RC积分电路得到，利用电容的充放电产生振荡，电路无外加输入信号。

1)创建电路

用555定时器构成的多谐振荡器如图6-40所示。电路中，电阻R1可理解为内部放电管(集电极开路输出)的上拉电阻，电容C2上的电压VC接至TR和TH。当输出VO为高电平时，电源VCC经R1、R2给电容C2充电，当充电至上限触发点时，输出VO变为低电平；此时，内部放电管处于导通状态，电容C2经R2、内部放电管放电，当放电至下限触发点时，输出变为高电平。随着电容C2充、放电的持续进行，输出VO产生矩形波输出。图6-40555定时器构成的多谐振荡器

2)仿真分析

选择模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析时间设置为0～20ms，则多谐振荡器的电容电压和输出波形如图6-41所示。图6-41多谐振荡器的电容电压和输出波形

3)仿真说明

(1)如图6-40所示，因电容C2的充电时间大于放电时间(充电时间常数为(R1+R2)C2、放电时间常数为R2C2)，所以输出波形VO的高电平宽度大于低电平宽度，即占空比大于50%。要使输出波形的占空比小于等于50%，可通过二极管改变电容C2的充、放电回路实现。

(2)输出矩形波的频率可通过改变元器件参数调节，如电阻R1、R2增大，充放电时间变长，则输出矩形波的频率减小；反之则增加。

(3)

555定时器的电压控制端(CV)若接控制电压，则555定时器的上、下限触发点由控制电压确定，这样可构成压控振荡器。当控制电压增加时，电容C2的充放电时间增加，输出矩形波频率减小；反之，则输出矩形波频率增加。图6-42555定时器构成的单稳态触发器6.4.4555定时器构成单稳态触发器

单稳态触发器的特点是输出状态为一个稳态、一个暂稳态。从稳态过渡至暂稳态需外加触发信号，而从暂稳态至稳态是自动返回的。因此，单稳态触发器有外输入信号。

(1)创建电路。若以555定时器的TR端作为单稳态触发器的输入端，接入正弦交流信号，而以电阻R1、R2和C2组成充放电回路，就构成了单稳态触发器电路。充电时，由电压源VCC经电阻R1、R2给电容C2充电；放电时，电容C2经R2及内部的放电管对地放电。555定时器构成的单稳态触发器如图6-42所示。

(2)仿真分析。将正弦信号源设置为：幅值为2.5V、直流偏置电压为2.5V、频率为1kHz；选择模拟分析图表(ANALOGUEANALYSIS)，分析时间设置为0～5ms，则单稳态触发器的输入VI、电容电压VC、输出波形VO如图6-43所示。图6-43单稳态触发器的输入输出波形仿真开始输出VO为低电平，是稳态；随着输入信号VI的下降，当降低到555定时器的下限触发点((1/3)VCC)时，输出VO由低电平翻转为高电平，为暂稳态；在暂稳态停留的时间由电容充电的快慢决定，当输出为高电平时电容开始充电。当电容电压上升到555定时器的上限触发点((2/3)VCC)时，输出由高电平自动翻转为低电平，也即由暂稳态回到稳态。输入信号的下一次触发到来后，电路又从稳态过渡到暂稳态，当电容充电至上限触发电压时，又从暂稳态回到稳态，周而复始，循环往复。由以上分析可看出，电路从稳态到暂稳态时需要外触发信号，而从暂稳态过渡到稳态则不需要外触发信号，停留一段时间后会自动回到稳态，而这正是单稳态触发器的特点。

6.5.1交通管理系统设计

1．交通管理系统的设计要求

1)红绿灯管理要求

(1)当东西方向的绿灯亮时(表示允许东西方向车辆直行或左转弯通过十字路口)，南北方向应亮红灯；反之，当南北方向的亮绿灯时，东西方向应亮红灯。6.5数字电路的综合应用仿真分析

(2)设有“自动/手动”开关对信号灯进行控制，当开关位置在“自动”时，东西方向或南北方向的红绿灯信号应能每隔一定时间交替地显示，红绿信号灯显示时间相等，且显示时间能在20～60秒范围内按10秒间隔由人工设定。在交替之前，从第五秒开始黄灯以2Hz频率闪动至交替时结束。当开关位置在“手动”时，应能手动控制两个方向的红绿灯的交替显示(交替前不要求黄灯闪动)。为简化设计，由“手动”转入“自动”时，红灯信号或绿灯信号先转至何方向无要求。也可增加以下要求：

(3)*(2)中，开关位置在“自动”时，要求任一方向的红、绿信号灯显示时间可以不等，且能在20～60秒范围内按10秒间隔由人工设定。

(4)*(2)中，要求由“手动”转入“自动”时，绿信号灯先转至东西方向还是南北方向应能随意选择。

(5)*

当各方向均无车辆通过时，可以通过“灭灯”开关将所有信号灯熄灭。

(6)*

当紧急车辆(如消防车、救护车或警车)出现时，可由“紧急”开关控制，使东、西、南、北各方向均亮红灯(禁止各方向的一般车辆通过)，并当紧急车辆通过后，绿信号灯先转于东西方向还是南北方向应能随意选择。

注：红绿灯管理中，(3)*、(4)*、(5)*、(6)*项为选做内容。

2)时间牌管理

(1)当“自动/手动”开关由“手动”转向“自动”时，时间牌应从设定值开始，按秒倒计时显示时间。

(2)当“自动/手动”开关打在“手动”位置、“紧急”开关或“灭灯”开关有效时，时间牌数码管应熄灭。

3)给定条件

(1)东、西、南、北四个方向的红、黄、绿信号灯分别用红、黄、绿发光二极管代替(东西南北各方向共用两只红色和两只绿色发光管，四个方向共用一只黄色发光管)。

(2)用一个时间显示牌代表四个方向的时间显示牌(因各方向显示的内容均相同)，并用半导体数码管代替时间显示牌。

2．交通管理系统的工作原理

分析交通管理系统的设计要求，要实现的功能有两个：一个是红绿灯和黄灯管理，红绿灯和黄灯管理主要是控制其“亮”和“灭”；另一个是时间牌管理，它是按照设计要求控制其显示时间。因此，交通管理系统属于数字系统，其关键部分是控制器的选择。数字系统中的控制器用于控制系统各部分协调工作，其控制器通常有移位型控制器、计数型控制器、微程序控制器以及PLC型控制器。本处选用计数器作控制器。

(1)交通管理系统方案设计。通过对系统的设计要求和功能分析，系统要控制红绿灯的交替、时间牌显示、黄灯闪动，并有手动和自动控制功能。因此，该系统属于控制类电子电路系统。根据系统要实现的功能，可设计交通管理系统的控制方案组成框图如图6-44所示。图6-44交通管理系统的控制方案组成框图系统控制器是整个系统的关键部件，担负着接收输入信号、经过运算产生控制输出的功能，是交通管理系统的核心模块；输入模块包括时间初值输入、脉冲的产生与分频、手动/自动选择模块和手动输入模块；输出模块包括时间显示和信号灯显示模块。

(2)交通管理系统原理设计。考虑到本系统运行在“自动”时，有多个环节的运作与东西南北方向通行的倒计时(对时钟脉冲作减计数)有关。例如，减计数至小于等于5秒，黄灯闪动；减计数至0秒，红绿灯交替并读入设定值；减计数至当前值，时间牌显示等。因此，选计数型控制器是合适的。具体应选用输出是两位BCD码的减计数器。

减计数至小于等于5秒，黄灯闪动。这意味着，应能将05～01秒从计数结果中识别出来，故应有“5秒译码电路”承担对05～01秒的译码任务，并有“黄灯闪动控制电路”控制黄灯的闪动。减计数至0秒，红绿灯交替。与以上分析类似，应有“00秒译码电路”承担对00秒的译码任务；并有“红绿灯交替控制电路”控制红绿灯的交替。

减计数至0秒，读入设定值，故应利用“00秒译码电路”的输出，使计数器的LD′(置数控制端)有效，以读入设定值。

设定值分20秒～60秒五档，故应有“设定值读入电路”，能根据开关的选位，给出相应的设定值。

时间牌按秒显示，黄灯每秒闪烁2次，故应有“秒脉冲和半秒脉冲发生器”，为计数器和黄灯控制提供所需频率的矩形脉冲。应有“时间显示电路”，承担计数结果的显示任务，包括译码、驱动和高位灭0等。

应有“信号灯驱动电路”，承担驱动信号灯(红、黄、绿灯)发光的任务。

红绿灯的显示有“手动”和“自动”两种控制方式，故应有“手动/自动”选择电路。能根据“手动/自动”开关的选位，选择“自动显示”或“手动显示”信号，去控制红绿灯的显示。当系统在“自动”运行时，交通管理系统信号灯的显示(每组的显示时间为60秒)流程可用图6-45所示的示意图表示。信号灯显示流程分4个阶段。图6-45交通管理系统信号灯显示流程图

Ⅰ阶段：东西红灯(南北绿灯)亮；

Ⅱ阶段：东西红灯(南北绿灯)亮，且黄灯闪；

Ⅲ阶段：东西绿灯(南北红灯)亮；

Ⅳ阶段：东西绿灯(南北红灯)亮，且黄灯闪。

4个阶段按图6-45箭头所示，周而复始，循环下去。

综上考虑，可画出交通管理系统的电路原理控制框图，如图6-46所示。图6-46交通管理系统电路原理控制框图

3．单元电路设计

1)减计数控制器

可考虑选用BCD码输出的减计数器。本处选用两片74LS192构成计数控制器，计数器74LS192的逻辑符号和各引脚功能时序图分别如图6-47、6-48所示。

图6-4774LS192的逻辑符号

图6-4874LS192各引脚功能时序图时序说明：

(1)加计数至9，产生进位输出；减计数至0，产生借位输出。

(2)清除信号(MR)控制预置数和计数输出，也即清除信号(MR)，优先级最高。

(3)预置数信号()为异步置数信号。

(4)做加法计数时，减计数输入端(DN)必须为高电平；做减法计数时，加计数输入端(UP)必须为高电平。依据74LS192的功能时序，可用两片74LS192芯片构成减计数控制器，如图6-49所示。计数器连接时，将低位片的借位信号(TCD)连至高位片的减计数输入端(DN)，低位片的减计数输入端(DN)接时钟信号CP；做减计数时，两片74LS192芯片的加计数输入端均接高电平(VCC)；正常计数时，两片74LS192芯片的清零信号(MR)均接低电平(地)。这样连接后的计数器的计数循环为99→98→97→…→2→1→0→99→98→…，是100进制计数器。在此基础上，进一步可设计为其它进制计数器。

图6-49两片74LS192构成的减计数控制器

2)秒脉冲和半秒脉冲发生器

秒脉冲和半秒脉冲发生器电路如图6-50所示。

图6-50秒脉冲和半秒脉冲发生器电路对于交通管理系统来说，对计数时钟的精度要求不是很高，设计时可选用555定时器构成时钟脉冲产生电路，图中通过设置电阻、电容，可产生2Hz时钟脉冲。选择电阻RV1为电位器，通过调整电位器的阻值，可精确调整输出脉冲的频率。设计时，先确定电容值的大小，再确定电阻RV1、R2的值。图6-50中由JK触发器构成的 起分频作用，将2Hz时钟信号分频为1Hz。这样就得到系统所需要的秒脉冲和半秒脉冲信号。

应说明的是，能产生时钟脉冲的电路很多，例如用晶体振荡器附加适当的门电路也可产生脉冲，但其振荡频率由晶体决定，故振荡频率通常非常高，但调整和分频不太方便。还可用滞回比较器加RC电路产生时钟信号，有兴趣的读者不妨一试。

3)初值设定电路

按设计要求，显示时间能在20～60秒范围内按10秒间隔由人工设定，因此初值设定电路至少要输入5个初始值。设计时将计数器的高位片接初值设定电路，低位片的初值置为0，这样可设定20、30、40、50、60这五个初始值。

(1)直接用开关组成初值设定电路。如图6-51所示。当输入开关合上时，输入为低电平；开关打开时，输入为高电平。开关SW1、SW2、SW3的开关状态和对应的初始值关系如表6-10所示。

图6-51直接用开关组成初值设定电路

表6-10开关状态和对应的初始值关系按此接法，图6-51对应的初值设定电路可设定8个初值，能满足设计要求。但此接法在设定初值时较烦琐，要注意开关和初值的对应关系。更简洁的初值设定电路可用单刀多掷开关来实现。

(2)用单刀多掷开关和编码器组成的初值设定电路如图6-52所示。电路由一个单刀五掷开关(SW1)和编码器74LS148实现，因编码器74LS148的输出为反码，故在其输出端加反相器后送计数器置数端。在图6-52中，当开关切换到最上的触点时，对应计数器初值D3D2D1D0=0010，从上到下依次为0010、0011、0100、0101、0110。因此，通过一个开关的切换就可选择所需要的初值。

图6-52单刀多掷开关和编码器组成初值设定电路

4)时间显示电路

时间显示电路用来显示计数器的输出结果，因为显示的时间值为2位，采用2位数码管显示，故数码管前面需加显示译码电路。时间显示电路如图6-53所示。

图6-53时间显示电路

5)

5秒译码和00译码电路

按设计要求，减计数至小于等于5秒，黄灯闪动。这意味着，系统能将05～01秒从计数结果中识别出来，故应有“5秒译码电路”承担对05～01秒的译码任务。减计数至0秒，红绿灯交替，并读入设定值，所以应有“00秒译码电路”承担对00秒的译码任务。

能实现译码的电路很多，如采用比较器译码、用门电路译码、用触发器构成译码电路、用数据选择器构成译码电路、用集成译码器译码等。系统的译码电路承担对05、04、03、02、01、00共6个代码的译码任务，本处选用集成译码器74LS138构成译码电路，能方便实现05～00这6个代码的识别任务。其它译码电路请有兴趣的读者思考实现。5秒译码和00译码电路如图6-54所示。

图6-545秒译码和00译码电路

6)手动/自动选择电路

手动/自动选择电路用于实现手动控制和自动控制的切换。电路可用2选1数据选择器实现。手动/自动选择电路如图6-55所示。

图6-55手动/自动选择电路如图6-55所示，数据选择器选用74LS257(4组2选1数据选择器)，本电路只用了其中一组。SW1为手动/自动选择开关，在手动的情况下，开关SW2的切换可手动控制东西和南北方向的红绿灯翻转；在自动的情况下，数据选择器选择自动输入信号。

7)黄灯闪动控制电路

按设计要求，当计数器减计数至小于等于5秒时，黄灯以2Hz频率闪动，当手动/自动选择开关在手动位置时，黄灯熄灭。因此控制黄灯的信号有三个，分别是5秒译码输出信号、手动/自动控制信号、2Hz脉冲信号。据此可设计黄灯闪动控制电路，如图6-56所示。

图6-56黄灯闪动控制电路电路图6-56由一个3输入端的与非门电路构成。当系统处于手动控制时，手动/自动选择信号为低电平，与非门被封锁，其它信号不能通过门电路，黄灯熄灭；当系统处于自动控制时，手动/自动选择信号为高电平，当减计数到5秒时，5秒译码输出高电平，与门被打开，2Hz频率脉冲信号能通过门电路，这样可驱动黄灯以2Hz频率闪动。

8)信号灯驱动电路

设计实际电路时，信号灯用发光二极管替代，信号灯驱动电路的任务是在控制信号作用下驱动发光二极管的亮和灭。而发光二极管发光有一定的电流要求(一般在5～10mA)，门电路的输出接发光二极管时通常要接成灌电流形式而不能接成拉电流形式，目的是增强门电路的驱动能力。信号灯驱动电路如图6-57所示。

图6-57信号灯驱动电路在图6-57中共4只发光二极管，分为两组，当门电路的输出为高电平时，上面两只发光管发光；当门电路的输出为低电平时，下面两只发光管发光；根据发光二极管的导通压降(红色发光管约为1.6V，绿色发光管约为2.0V)，设定二极管的导通电流为5mA，经计算得到电阻R的取值在250Ω左右。

4.基于Proteus的交通管理系统设计

本处通过用Proteus对交通管理系统的仿真分析，说明复杂电路系统设计的仿真分析步骤和方法，并将设计的各个单元电路组合、封装、连接成一个系统。

1)单元模块电路的设计和封装

用Proteus仿真时，可将交通管理系统的硬件电路分为初值输入模块、计数译码模块和数据选择模块，其它部件如开关、LCD数码管放在父页电路中，以便观察输入和结果。

图6-58初值输入电路模块③创建初值输入电路模块对应的子电路。在初值输入电路模块上，单击鼠标右键，选择右击菜单命令GotoChildSheet，进入子电路编辑区，编辑初值输入电路并添加输入输出引脚，如图6-59所示。图6-59初值输入电路模块对应的子电路

注：在模式选择工具栏，单击终端模式选择按钮“”，在子电路上添加输入输出引脚；引脚名称要与模块上对应的输入输出端口名称相同。

初值输入电路对应的引脚功能如表6-11所示。

表6-11初值输入电路对应的引脚功能表

(2)计数译码模块电路设计。设计步骤同上。

创建计数译码电路模块，如图6-60所示。计数译码电路模块对应的子电路如图6-61所示。计数译码电路对应的引脚功能如表6-12所示。图6-60计数译码电路模块

图6-61计数译码电路模块对应的子电路

表6-12计数译码电路对应的引脚功能表(3)手动/自动选择模块电路设计。设计步骤同上。

创建手动/自动选择模块，如图6-62所示。手动/自动选择电路模块对应的子电路如图6-63所示。图6-62手动/自动选择电路模块

图6-63手动/自动选择电路模块对应的子电路

2)交通管理系统总体电路设计

在父页电路中设计了三个模块电路以后，再放置开关、发光二极管、8421BCD数码管等，所创建的交通管理系统总体电路如图6-64所示。

图6-64交通管理系统总体电路

3)仿真分析和操作说明

(1)仿真运行：单击仿真按钮，进行仿真分析并观察仿真结果。

(2)操作说明：

将开关SW3切换至上触点，输入高电平，系统为自动控制(自动指示灯D6亮)。观察时间牌显示、红绿灯显示和黄灯显示。另外，通过切换初值设定开关SW1，观察时间显示周期的变化。

将开关SW3切换至下触点，输入低电平，系统为手动控制(手动指示灯D7亮)。这时切换开关SW2，可手动控制东西方向和南北方向两组信号灯的切换，同时黄灯熄灭，时间牌显示为零。

4)仿真说明

(1)设计总体电路时，CP1、CP2分别用1Hz、2Hz时钟源代替，这样可简化总体电路设计，在观测仿真结果时可迅速看出信号灯的交替和时间牌的显示。

(2)设计总体电路时，数码显示直接调用元器件库中的8421BCD数码管即可，若选用七段或八段数码管，还需要附加驱动电路。

(3)设计总体电路时，采用总线连接，使设计的电路简单、美观。

(4)驱动电路设计时，应尽量使流过发光二极管的电流大一些，则发光管发光时更亮一些，也即使上拉电阻的阻值小一些。6.5.2多路抢答器的设计

多路抢答器在各种竞赛场合、电视台的娱乐节目中得到了广泛应用，它能根据参赛选手的请求，很好的区分选手抢答的先后顺序并显示选手的编号。

1．设计要求

(1)多路抢答器电路可供不少于8名参赛选手使用。

(2)每名参赛选手各有一个抢答按钮，在主持人用按钮清零并发出抢答指令后，可实行抢答。

(3)电路配有LED数码显示，能显示优先抢答的选手编号，并用发光二极管指示参赛选手的编号，同时配有语音提示电路。数码显示和语音提示可由主持人用清除按钮解除。

(4)电路对参赛选手的动作先后有较强的分辨能力。如分辨率在15ms以内。

2．多路抢答器的工作原理

分析多路抢答器的设计要求，电路实现可采用单片机控制方式、PLC控制方式，也可采用数字电路控制方式。本处选用数字控制方式，并根据设计要求，按单元电路分析多路抢答器的工作原理。

多路抢答器需实现选手的按键抢答功能。其应有开关输入电路，且开关应选用瞬态开关，以备下次继续抢答。为使电路能显示参赛选手的编号，电路应能区分每个选手的输入开关信号。可选用编码器电路实现，并配备LED数码显示电路。

为使电路具有抢答功能，系统应设计封锁电路，一旦检测到有按键输入，立即将其它各路输入封锁。

为使电路的数码显示和语音提示可由主持人用清除按钮解除，系统应设计清除电路，为下一次抢答做准备。

考虑到系统采用数字控制方式，其控制器为时序电路，因此系统应有时钟发生电路，以产生系统所需要的时钟信号。时钟信号的频率可根据系统的分辨率确定。电路还需要语音提示电路和信号指示电路。

按以上分析，可设计多路抢答器的原理框图。多路抢答器的原理框图如图6-65所示。图6-65多路抢答器的原理框图图6-66多路抢答器的控制电路模块在图6-65中，控制电路用来接收抢答输入信号并产生对应的信号灯驱动信号以及语音提示信号；抢答输入的开关信号经编码电路编码后，变成对应的代码，经数码显示电路显示出来；封锁电路通过检测抢答输入信号，将其它输入信号封锁，同时封锁编码电路，以防止编码显示其它输入信号；信号解除电路由主持人通过解除按钮，将数码显示清零并将显示的指示灯熄灭；语音提示电路对所有的抢答输入均起作用，一旦有抢答输入，语音提示电路便通过喇叭发出一定频率的声音；信号灯驱动电路根据控制电路的输出产生对应抢答开关的驱动信号。

3．单元电路设计

Proteus环境中设计的多路抢答器，包括单元电路设计和总体电路设计。单元电路包括控制电路、封锁电路、编码电路、语音提示控制电路和指示灯驱动电路等部分；待单元电路设计完成以后，将单元电路封装连接可得到总体电路；再经调试、仿真可得到多路抢答器。

1)控制电路设计

考虑到当有参赛选手按键输入以后，多路抢答器要通过对应的指示灯显示，而且要保留显示状态，直到主持人清除为止，另外还要将其他选手的输入信号封锁，所以，系统的控制电路选用触发器即可完成上述功能。多路抢答器的控制电路模块如图6-66所示，对应的控制电路如图6-67所示。图6-67多路抢答器的控制电路

触发器的CLK信号接封锁电路的输出，当抢答器有选手抢答输入以后，封锁电路立即将系统的时钟脉冲封锁，此时触发器的CLK信号输入端无时钟输入，从而实现了封锁功能。控制电路的引脚功能如表6-13所示。

表6-13控制电路的引脚功能表

2)封锁电路

封锁电路的功能是在有某路抢答输入时，将其它路的抢答输入信号封锁。抢答器封锁电路模块如图6-68所示，对应的封锁电路如图6-69所示。图6-68抢答器封锁电路模块图6-69抢答器封锁电路由图6-69可知，封锁电路采用与门电路构成，一旦有抢答输入，则I1～I8这8个信号中，有1个为低电平，电路最后的与非门输入为低电平，将时钟信号CP封锁，则封锁电路的输出CLK始终为高电平，这样就封锁了控制电路的时钟输入，使其它抢答信号无法进入。封锁电路的引脚功能如表6-14所示。

表6-14封锁电路的引脚功能表

3)编码电路

编码电路选用优先编码器74LS147，可满足8路抢答信号的编码要求。其输出为反码，经反相器反相后为原码输出，最后接数码管显示。编码电路模块如图6-70所示，编码电路如图6-71所示，编码器74LS147的功能如表6-15所示，编码电路的封装模块引脚功能如表6-16所示。

图6-70编码电路模块

图6-71编码电路

表6-1574LS147的功能表表6-16编码电路的封装模块引脚功能表4)报警译码电路

报警译码电路由门电路构成，电路的功能是将抢答输入的信号变成报警信号。报警译码电路模块如图6-72所示。报警译码电路如图6-73所示，其引脚功能如表6-17所示。

图6-72报警译码电路模块

图6-73报警译码电路一旦有抢答输入，电路的I1～I8这8个输入信号中，只要有一个为低电平，则输出信号ALARM为低电平，该信号