16路抢答器MULTISIM仿真泰州职业技术学院毕业设计.docx

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十六路抢答器的仿真设计学生姓名常猛猛学号1102040026二级学院信息工程学院专业电子与信息工程技术班级11信息

（2）指导教师段艳艳2013年4月27日摘摘要要随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合要求有快速公正的竞争裁决，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众极大的兴趣。

为了公正，就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。

一般抢答器由很多门电路组成，线路复杂，可靠性低，特别是抢答路数增多时，实现起来更加困难。

本文介绍了一种利于数字电路实现的16路抢答系统，并基于Multisim10.0仿真软件进行仿真，具有很强的实用性。

抢答器具有数据锁存和显示功能，当某一路抢答成功时，放光二极管立即点亮，并在数码管上显示该路的号数，直到主持人按复位开关为止，其他人再抢答无效；该系统具有简单，容易操作等特点。

关键词：

数字电路抢答器仿真设计第一章第一章绪论绪论1.1Multisim的发展背景在科学技术日新月异的背景下，随着教育改革的深入，如何实现教育技术现代化、教学手段现代化已经成为我国教育改革所面临的一个重要课题。

目前，在电工电子技术实验教学方面，国内多数高校仍主要采用实物元器件进行硬件连线测试，大多数采用面包板或者各种现成的实验箱。

这种传统的实验方式由于受实验室条件的限制，在给学生开设一些扩展型、设计型以及综合型实验时将会遇到困难，特别是新器件，新设备价格昂贵，一般院校的电子学实验室更是无法承受。

随着电子和计算机技术的进步，推动了EDA技术的普及与发展，从而推动了一场新的电子电路设计革命，使得电子工程师大量的设计工作可以通过计算机来完成。

传统的电子线路的设计过程要经过设计方案提出、方案验证和修改三个阶段，一般是采用搭接实验电路的方法进行，往往需要经过实验和修改的反复过程，直到设计出正确的电路用EDA工具.Multisim的软件的开发，使得电子工程师可以从概念、方法、协议等开始设计系统，大量工作可以通过计算机来完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出印制板的整个过程在计算机上自动处理完成。

随着计算机的发展，Multisim软件经历了长时间的的发展基础上行进了改善，使Multisim的软件系统功能更加完善和强大。

发展已经趋于不断完善，目前Multisim的最新版本是Multisim9。

在前几版基础上进行了改善，使Multisim的软件系统功能更加完善和强大。

1.2Multisim软件的介绍以及发展过程Multisim9是一款完整的工具设计系统，提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL和VerilogHDL设计接口和仿真功能、FPGACPLD综合、RF设计能力和处理功能，还可以从原理图到PCB数据包的无缝隙数据传输。

它提供单一易用的图形输入接口可以满足设计者的需求。

Multisim9提供全部的先进设计功能，满足从设计参数到产品需求Multisim9是加拿大InteractiveImageTechnologies（IIT）公司于1988年推出了一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件ElectronicsWorkbench（EWB）,EWB具有数字、模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力，以界面直观操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，得到了迅速的推广及使用随着技术的发展，EBW软件也经过了多个版本的衍变。

V5以前的版本称为ElectronicsWorkbench，从V6开始改为Multisim。

在教育界比较流行的Multisim2001版属于V6版本，目前Multisim的最新版本是V8。

Multisim从V5到V6的功能有很大的扩充，特别是增加了VHDL和VerilogHDL模块，使它成为真正的“数模VHDLVerilog”的混合电路模拟软件。

2001年IIT公司又推出了Multisim的最新版本Multisim2001，直至2003年8月，该公司又对Multisim2001进行了较大的改进，升级为Multisim7，增加了3D元件以及安捷伦的万用表，示波器，函数信号发生器等仿真实物的虚拟仪表，似的虚拟电子工作平台更加接近实际的实验平台。

迄今为止，Multisim软件已升级到Multisim9版本，相较之各版本功能更强大。

1.3Multisim的主要功能及特点

（1）用户界面直观Multisim9沿袭了EWB界面的特点，提供了一个灵活的、直观的工作界面来创建和定位电路。

Multisim9（教育版）考虑到学生的特点，允许教师根据自身需要、课程内容和学生水平设置软件的用户界面，以创建具有个性化的菜单、工具栏和快捷键。

还可以使用密码来控制学生所接触的功能、仪器和分析项目。

（2）种类繁多的元件和模型Multisim9提供的元件库拥有13000个元件。

尽管元件库很大，但由于元件被分为不同的“系列”，所以可以方便地找到所需要的元件。

Multisim9元件库含有所有的标准器件及当今最先进的数字集成电路。

数据库中的每一个器件都有具体的符号、仿真模型和封装，用于电路图的建立、仿真和印刷电路板的制作。

Multisim9还含有大量的交互元件、指示元件、虚拟元件、额定元件和三维立体元件。

交互元件可以在仿真过程中改变元器件的参数，避免为改变元器件参数而停止仿真，节省了时间，也使仿真的结果能直观反映元件参数的变化；指示元件可以通过改变外观来表示电平大小，给用户一个实时视觉反馈；虚拟元件的数值可以任意改变，有利于说明某一概念或理论观点；额定元件通过“熔断”来加强用户对所设计的参数超出标准的理解；3D元件的外观与实际元件非常相似，有助于理解电路原理图与实际电路之间的关系。

除了Multisim9软件自带的主元件库外，用户还可以建立“公司元件库”，有助于一个团队的使用，简化仿真实验室的练习和工程设计。

Multisim9与其他软件相比，能提供更多方法向元件库中添加个人建立的元件模型。

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，Multisim9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，Multisim9仍可以保持它们的连接。

连线可以任意拖动和微调。

进行SPICE仿真对电子电路进行SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）仿真可以快速了解电路的功能和性能。

Multisim9为模拟、数字以及模拟/数字混合电路提供了快速并且精确的仿真。

Multisim9的核心是基于使用带XSPICE扩展的伯克利SPICE的强大的工业标准SPICE引擎来加强数字仿真的。

Multisim9的界面对最为陌生的用户来说都是非常直观的。

这使用户运用SPICE的功能而不必去担心SPICE复杂的句法。

虚拟仪器Multisim9提供了逻辑分析仪、安捷伦仪器、波特图仪、失真分析仪、频率计数器、函数信号发生器、数字万用表、网络分析仪、频谱分析仪、瓦特表和字信号发生器等18种虚拟仪器，其功能与实际仪表相同。

特别是安捷伦的54622D示波器、34401A数字万用表和33120A信号发生器，它们的面板与实际仪表完全相同，各旋钮和按键的功能也与实际一样。

通过这些虚拟器件，免去昂贵的仪表费用，用户们可以毫无风险地接触所有仪器，掌握常用仪表的使用。

强大的电路分析功能Multisim9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Multisim9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、MathsoftMathcad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。

Multisim9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。

第二章第二章16路抢答的设计要求及设计方案路抢答的设计要求及设计方案2.1设计要求2.1.1仿真设计基本要求仿真设计基本要求

（1）设计一个竞赛抢答器，可同时供十六名选手或代表队参加比赛；

（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始；（3）抢答器具有数据锁存和显示功能，当某一路抢答成功时，放光二极管立即点亮，并在数码管上显示该路的号数，直到主持人按复位开关为止，其他人再抢答无效；2.1.2仿真设计扩展功能仿真设计扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答时间可以由主持人设定（如97s）。

当节目按下“开始”按钮后，要求定时器立即倒计时，并在显示器上显示，同时“滴”的声响

（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；（3）如果定时器的时间已到，却没有选手回答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答，时间显示器上显示00。

2.2设计原理设计思路（抢答器总体框图）如图2-1：

图2-1抢答器总体框图2.3多路抢答器的工作过程接通电源，当节目主持人按下“复位”按钮时可以设置抢答时间（如97s），此时抢答器处于禁止工作状态，显示选手编号的显示器灭灯，当主持人宣布抢答题目并宣布抢答开始，同时主持人按下“开始抢答”按钮，倒计时开始显示延时时间，报警电路扬声器给出提示音响，抢答器处于工作延时状态，当规定的抢答时间到，却没有选手抢答时，系统给出报警提示，并封锁优先编码器，禁止选手超时抢答。

当选手在规定的时间内按下抢答按钮时，抢答器完成如下工作：

优先编码器立即分辨出抢答者编号，然后译码及显示电路显示选手编号；报警电路扬声器发出声响，提醒节目主持人；由锁存器经延时电路发出控制信号，对显示选手编号的显示器进行锁存，避免其它选手再次抢答；可预置计数器停止计数，显示剩余时间，并保持到主持人将系统清零为止，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统处于禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。

第三章16路抢答器的系统电路设计3.1抢答电路设计由设计要求知，抢答器电路的功能有两个：

一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路使用；二是要能使其它选手的按键操作无效。

本设计选用优选编码器选用74LS148，D触发器选用74LS74，译码器选用CD4511,数码管选用共阴极数码管。

74LS148为8线3线的二进制编码器其作用是将I0-I78个状态编码为8个二进制数码输出。

它有输入使能端ST当ST为低电平时有效。

高电平时锁定148使其输出全部为1。

输出使能端YEX当有输出编码时为0，当没有输出编码的时候为1。

CC4511为带有锁存端的译码器其输入为A0-A3，7个输出，分别对用共阴极数码管上的A-G。

CC4511带有亮屏和黑屏测试端分别为LT和BI，都是低电平有效。

当LT为低电平的时候，数码管显示8，为全亮。

当BI为低电平的时候数码管不亮。

LE为锁存端高电平有效，当LE为高电平时，锁存当前的输出。

抢答电路如图3-1所示，由于有16个选手，因此用2个74ls148优先编码器。

图3-1抢答电路工作过程为：

当主持人将开关处于“清除”位置时，RS锁存器的端为0，5个RS锁存器的输出Q全部置0，使74LS48的，显示器灯灭。

与此同时优先编码器74LS148的选通输入端，使之处于工作状态，此时锁存器不工作。

当主持人将控制开关拨向“开始”时，优先编码器和锁存器同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号输入。

对参加比赛的16名选手从116进行编号，同时需要用到2个显示器，当选手编号大于9时高位显示器显示1，小于等于9时高位显示器显示0。

预置比较器74LS85的字B为8，即输人端B3B2B1B0为1000，当选手编号小于等于9时，即比较器74LS85的字A小于等于8，AB即YAB输出为0；当选手编号大于9时，即比较器74LS85的字A大于8，AB即YAB输出为1，与高位显示器数字一致，所以可以直接用74LS85的YAB脚控制高位显示器的A0，高位显示器的A3，A2，A1全部置0。

再引入3个与门（74LS08）和1个三输入端或门（CD4075），3个与门的一端置011，另一端与比较器的YAB相连，或门的三输入端分别与比较器的YAB，YA-B，YAB=1，加法器的A3A2A1A0为1111，B3B2B1B0为0111，通过加法器加0111，得到2进制数值为“00010110”，两个显示器显示为“16”，与选手实际编号一致。

当选手编号小于等于9时只用到低位显示器，不能加7，如当1号选手优先抢答时，选手编号小于9，比较器的A3A2A1A0为0000，YAB=0，YAB=1，3个与门输出为0，或门输出为1，加法器的A3A2A1A0为0000，B3B2B1B0为0001，通过加法器加0001，得到二进制数值为“00000001”，两个显示器显示为“01”，与选手实际编号一致。

当选手按下的键松开后，74LS148的为高电平，但由于端维持高电平不变，所以74LS148仍然处于“禁止”工作状态，其他按键的输入信号不会被接受，这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。

如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”，使抢答电路复位，然后再进行下一轮抢答。

3.2计时模块设计3.2.1555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器把555的2，6脚接在一起，根据对555组成原理图的分析可知，电容上的电压将在到之间变化。

电路的工作波形如下图3-1，图3-2所示图3-2电容和输出电压的波形图图3-3555构成的多谐振荡器原理图从图中看出，输出电压Vo的低电平时间为电容上电压Vc从减少到所需要的时间，Vo的高电平时间Vc为电容上电压从增大到需要的时间，电路的振荡周期和频率计算如下：

取=15K,=68K,C=10uF,可得振荡频率为所以,T=1s3.2.2由Multisim仿真得到如图3-4波形，符合秒脉冲的要求。

图3-4多谐振荡器频率仿真波形计时模块要实现的功能为0-99秒任意可调倒计时。

采用计数器实现倒计数，用555实现秒脉冲输出到计数器，再用计数器和数码管实现时间的显示。

调整时间采用电子开关，同样利用计数器来实现。

经过查阅资料，采用74LS192作为计数器，用555构成多谐震荡电路，译码器采用CC4511。

74LS192为双时钟可加减10进制计数器。

带有预置数和清零功能。

用2个74ls192进行10进制计数，然后用2个74ls192进行加减计数，如果主持人想要设置97秒，但是却按成了98秒，则可以用74ls192的加减计数功能，按下秒减一按钮则可以回调到97s。

计时电路如图3-5。

图3-5计时电路3.3报警电路要求当主持人按下“复位”按钮时，发出“滴“的声响，当主持人按下“开始抢答”按钮时，也发出“滴”的声响，当有人抢答时发出“滴”的声响，当计时为00却没人抢答时也发出“滴”的声响。

电路图如图3-6所示：

图3-6报警电路这里喇叭是由555振荡器控制的，只要555的”TR”为低电平就会导致输出Q为高电平，这样喇叭就会发出报警声，而要当有选手抢答，开始抢答，复位，当倒计时为00时都会使TR为低电平，会让喇叭短暂报警，所以满足扩展条件。

第四章总结与展望在进行16路抢答器的设计过程中，经过了许多的挫折，但坚持下来了，在16路抢答器的设计过程中，让我对数字电路有了深刻的认识，学会了许多芯片，更重要的是学会了如何去学新的芯片，如何将芯片加到电路中实现自己要的功能。

在这次的16路抢答器的仿真中，让我学会了如何去设计新的电路，如何一步一步的去实现自己想要的功能。

总之通过这次的设计让我喜欢上了数字电路，让我对Multisim9的运用更加得心应手。

此次设计过程中，我对所使用到的器件和思想有了更深刻的认识。

把所学的东西和实际结合起来，这是学有所用的一种体现。

通过这次设计我学到了知识，开阔了思路，增加了考虑问题的角度。

此次设计圆满完成，但也有不足之处。

例如，当数码管的输入电阻过大时，数码管将不能正常显示。

通过此次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识与理解，掌握了16人智力竞赛抢答器电路的设计与调试方法。

更加熟练的运用Multisim仿真软件，并学习了运用软件测试、调试、改进电路。

培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。

致谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师段艳艳表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

在论文工作中，遇到了资料搜索后无法下载，页眉页脚不会设置，论文编排混乱等问题，一直得到段老师的亲切关怀和悉心指导，使我顺利完成了论文的写作，段老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和她敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘这次论文中老师给予我的帮助，再一次向她表示衷心的感谢，感谢她为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助!

值此论文完成之际，谨向段老师致以最崇高的谢意!

经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。

首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。

接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。

经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。

看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。

接下来的是实验的仿真，这阶段刚开始以为原理图都设计好了，那就应该很简单了，首先是确定用何种软件，接下来碰到的问题是虽然是按着原理图来接线画的，可就是达不到期望的结果，经过了N次的摸索最终还是解决了，对照设计的原理图，发现仿真的图形与设计的有小小的出入，总之最后总算达到了目的在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。

为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!

参考文献1谢自美电子线路设计M湖北：

华中科技大学出版社，20002尹长华十六路微控抢答器的设计J电子工程师，20013宋阳微电脑2O路抢答器的设计J辽宁师专学报，20054余孟尝数字电子技术基础简明教程M北京：

高等教育出版社19995康华光,邹寿彬编.电子技术基础数字部分M.北京:

高等出版社,20056康华光编.电子技术基础模拟部分M.北京:

高等教育出版社,20057谢自美编.电子线路设计实验测试（第二版）M.上海:

电子工业出版社,20018陈大钦编.电子技术基础实验（第二版）M.湖北:

机械工业出版社,2001附录：

16路抢答器电路图