《電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化》課件第6章

第6章Proteus在數(shù)字6.1組合電路的仿真分析6.2觸發(fā)器的仿真分析6.3時(shí)序電路的仿真分析6.4555定時(shí)器應(yīng)用電路的仿真分析6.5數(shù)字電路的綜合應(yīng)用仿真分析本章小結(jié)

組合電路的特點(diǎn)是電路的輸出與該時(shí)刻輸入變量的取值組合有關(guān)，與過(guò)去輸入變量的取值無(wú)關(guān)。該電路種類(lèi)繁多，常用的組合電路均實(shí)現(xiàn)了集成化，其中包括編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器和數(shù)值比較器等。本節(jié)介紹常用組合電路的仿真分析過(guò)程。6.1組合電路的仿真分析6.1.1編碼器仿真分析

1)創(chuàng)建電路

在元器件庫(kù)中選擇編碼器74LS148、電阻排RP1、開(kāi)關(guān)、反相器、七段數(shù)碼管(LED-BCD)、電源等，所創(chuàng)建的編碼器仿真電路如圖6-1所示。電阻排RP1作上拉電阻用，開(kāi)關(guān)SW1和SW2用來(lái)產(chǎn)生高低電平輸入信號(hào)。因編碼器74LS148輸出為反碼，故在其輸出端加反相器可將其變?yōu)樵a輸出。七段數(shù)碼管用來(lái)顯示代碼。

圖6-1編碼器仿真電路

2)仿真分析

單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真，分析步驟如下：

(1)將開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)，并切換開(kāi)關(guān)SW1的觸點(diǎn)，觀察輸出代碼的變化。

(2)將開(kāi)關(guān)SW2合上，這時(shí)輸出代碼為“7”，體現(xiàn)了編碼器的優(yōu)先編碼功能。

6.1.2譯碼器仿真分析

1)創(chuàng)建電路

在元器件庫(kù)中選擇譯碼器74LS138、反相器、計(jì)數(shù)器74160、電源等，所創(chuàng)建的譯碼器仿真電路如圖6-2所示。計(jì)數(shù)器74160與反相器構(gòu)成八進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)產(chǎn)生代碼000～111，作為譯碼器74LS138的地址代碼。該電路的輸出可產(chǎn)生順序負(fù)脈沖，由電壓探針進(jìn)行測(cè)量。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率CLK為10Hz。

圖6-2譯碼器仿真電路

2)仿真分析

選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，仿真時(shí)間為0～2s，分析的波形為計(jì)數(shù)時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器的輸出(即譯碼器的地址代碼)、譯碼器的輸出。運(yùn)行圖表仿真，則譯碼器仿真電路的信號(hào)波形如圖6-3所示。圖6-3譯碼器仿真電路的信號(hào)波形

6.1.3數(shù)據(jù)選擇器仿真分析

數(shù)據(jù)選擇器的功能是從多路輸入信號(hào)中選擇一路送至輸出端，由地址代碼決定選擇哪一路信號(hào)。對(duì)8選1數(shù)據(jù)選擇器74151(邏輯符號(hào)如圖6-4所示)來(lái)說(shuō)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間滿足表達(dá)式6-1：

本處以數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)表決器為例，介紹其仿真分析過(guò)程。

1)表決器的功能要求

用8選1數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)一個(gè)表決電路。該電路有3個(gè)輸入邏輯變量A、B、C和一個(gè)控制變量M。當(dāng)M=0時(shí)電路實(shí)現(xiàn)“意見(jiàn)一致”功能(A、B、C全部同意，表決通過(guò)，否則表決不通過(guò))，而當(dāng)M=1時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)“多數(shù)表決”功能，即A、B、C中多數(shù)同意時(shí)，表決通過(guò)，否則表決不通過(guò)。

2)表決器的功能分析

(1)分析題意，進(jìn)行邏輯賦值。

當(dāng)A、B、C=1時(shí)，表示同意；A、B、C=0時(shí)，表示不同意。

當(dāng)Y=1時(shí)，表示表決通過(guò)；Y=0時(shí)，表示表決不通過(guò)。

(2)根據(jù)邏輯賦值，真值表如表6-1所示。

表6-1表決器電路的真值表

(3)化簡(jiǎn)，得最簡(jiǎn)與或表達(dá)式，如式(6-2)所示。

Y

=

ABC

+

MAB

+

MAC

+

MBC

(6-2)

(4)將最簡(jiǎn)表達(dá)式寫(xiě)成A、B、C最小項(xiàng)之和的形式，如式(6-3)所示。

(6-3)

3)創(chuàng)建仿真電路

根據(jù)表達(dá)式6-3設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成的表決器仿真電路如圖6-4所示。計(jì)數(shù)器74160與反相器構(gòu)成的八進(jìn)制計(jì)數(shù)器循環(huán)產(chǎn)生代碼000～111，作為數(shù)據(jù)選擇器74151的地址代碼。開(kāi)關(guān)SW1產(chǎn)生M信號(hào)(0或1)。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率CLK為10Hz。

圖6-4數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成的表決器仿真電路

4)仿真分析

單擊運(yùn)行按鈕，運(yùn)行仿真，分析步驟如下：

(1)將開(kāi)關(guān)SW1切換至上觸點(diǎn)M=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)多數(shù)表決功能。A、B、C有兩個(gè)以上為1，則發(fā)光二極管發(fā)光。

(2)將開(kāi)關(guān)SW1切換至下觸點(diǎn)M=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)一致表決功能。A、B、C全部為1，發(fā)光二極管才發(fā)光。

(3)選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，仿真時(shí)間為0～1s，分析的波形為CLK、M、A、B、C和Y。運(yùn)行圖表仿真，則表決器仿真電路的信號(hào)波形如圖6-5、6-6所示。從圖6-5中可看出，當(dāng)M=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多數(shù)表決功能；從圖6-6中可看出，當(dāng)M=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)了一致表決功能。仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。圖6-5表決器仿真電路的信號(hào)波形(M=1)圖6-6表決器仿真電路的信號(hào)波形(M=0)6.1.4全加器仿真分析

全加器的功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的全加運(yùn)算。本處以4位二進(jìn)制并行加法器74LS83的應(yīng)用為例，介紹全加器的仿真分析過(guò)程。

1)功能要求

利用兩片74LS83和必要的門(mén)電路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)8421BCD碼的加法運(yùn)算電路。

2)功能分析

當(dāng)兩個(gè)8421BCD碼相加的和小于或等于9時(shí)，相加的結(jié)果與兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加的結(jié)果一樣。當(dāng)兩個(gè)8421BCD碼相加的和大于9(即等于1010～1111)時(shí)，則應(yīng)在按二進(jìn)制數(shù)相加的結(jié)果上加6(0110)，這樣就可以給出進(jìn)位信號(hào)，同時(shí)得到一個(gè)小于9的和。

3)創(chuàng)建電路

在元器件庫(kù)中選擇并行加法器74LS83、數(shù)據(jù)選擇器74LS257、或門(mén)7432、與門(mén)7408、LOGICTOGGLE、電源等，所創(chuàng)建的8421BCD碼加法器仿真電路如圖6-7所示。LOGICTOGGLE用來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)0或1；或門(mén)和與門(mén)組成譯碼電路，用來(lái)識(shí)別1010～1111六個(gè)代碼，其輸出作為數(shù)據(jù)選擇器74LS257的選擇信號(hào)，選擇是否在結(jié)果中加6(0110)；結(jié)果用兩位數(shù)碼管顯示。

圖6-78421BCD碼加法器仿真電路

4)仿真分析

單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真時(shí)，可用鼠標(biāo)單擊LOGICTOGGLE上的箭頭選擇0或1，進(jìn)而輸入不同的BCD代碼，其運(yùn)算結(jié)果可通過(guò)數(shù)碼管顯示，如圖6-7所示。

5)仿真說(shuō)明

(1)該電路能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)8421BCD碼的加法運(yùn)算，但結(jié)果(兩數(shù)之和)在0～15以內(nèi)，超過(guò)15(如16、17、18)則不行。要實(shí)現(xiàn)超過(guò)15的加法運(yùn)算，需對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)整，讀者可思考并完成該功能。

(2)譯碼電路也可用數(shù)值比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將加法器(圖6-7中的U1)的輸出與9(1001)進(jìn)行比較，也可識(shí)別1010～1111六個(gè)代碼。用戶還可用集成譯碼器(如74LS138)來(lái)識(shí)別這六個(gè)代碼。6.1.5數(shù)值比較器仿真分析

數(shù)值比較器的功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的比較運(yùn)算，經(jīng)比較運(yùn)算可給出大于、等于或小于的結(jié)果。本處以4位數(shù)值比較器74LS85為例，介紹數(shù)值比較器的仿真分析過(guò)程。

(1)數(shù)值比較電路的功能要求。試用兩片數(shù)值比較器74LS85組成三個(gè)數(shù)的判斷電路。要求能判別三個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)A(A3A2A1A0)、B(B3B2B1B0)、C(C3C2C1C0)是否相等，A是否最大，A是否最小，并分別給出“三個(gè)數(shù)相等”、“A最大”、“A最小”的輸出信號(hào)?？梢愿郊颖匾拈T(mén)電路。

(2)數(shù)值比較電路的功能分析。將A和B進(jìn)行比較，再將A和C進(jìn)行比較，若A=B且A=C，則三者相等；若A<B，A<C，則A為最??；若A>B，A>C，則A為最大。最后將兩兩比較的結(jié)果進(jìn)行組合，可給出“三個(gè)數(shù)相等”、“A最大”、“A最小”的輸出信號(hào)。

(3)創(chuàng)建電路。在元器件庫(kù)中選擇數(shù)值比較器74LS85、與門(mén)7408、電源等，所創(chuàng)建的數(shù)值比較仿真電路如圖6-8所示。

圖6-8數(shù)值比較仿真電路設(shè)計(jì)電路時(shí)，輸出端將兩個(gè)比較器的比較結(jié)果通過(guò)與門(mén)組合在一起，得到“三個(gè)數(shù)相等”、“A最大”、“A最小”的輸出信號(hào)，仿真時(shí)用三個(gè)發(fā)光二極管表示。輸入端的三個(gè)二進(jìn)制數(shù)A(A3A2A1A0=1100)、B(B3B2B1B0=1011)、C(C3C2C1C0=1000)通過(guò)電源(VCC)和地(GND)給出。輸入端的信號(hào)連線通過(guò)總線方式進(jìn)行連接，這樣使電路簡(jiǎn)潔、連線簡(jiǎn)單。

(4)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6-8所示，可看出三個(gè)二進(jìn)制數(shù)中，A最大。仿真過(guò)程中，改變A、B、C的數(shù)值也可判斷A、B、C的大小。

觸發(fā)器是一個(gè)有記憶功能的器件。它能存儲(chǔ)一位二值信息，是構(gòu)成時(shí)序電路的基本單元。觸發(fā)器按有無(wú)時(shí)鐘信號(hào)分為SR鎖存器和時(shí)鐘觸發(fā)器，SR鎖存器是構(gòu)成時(shí)鐘觸發(fā)器的基礎(chǔ)，因此SR鎖存器又稱(chēng)為基本觸發(fā)器。時(shí)鐘觸發(fā)器按功能分類(lèi)有SR觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和JK觸發(fā)器。本節(jié)借助Proteus仿真軟件對(duì)觸發(fā)器的功能及其應(yīng)用進(jìn)行仿真分析，使讀者能夠更深地了解觸發(fā)器的特性。6.2觸發(fā)器的仿真分析6.2.1SR鎖存器仿真分析

1)

SR鎖存器的功能

SR鎖存器又稱(chēng)為直接置位直接復(fù)位觸發(fā)器，可用兩個(gè)與非門(mén)交叉耦合構(gòu)成，如圖6-9所示。SR鎖存器的功能表，如表6-2所示。

圖6-9

兩個(gè)與非門(mén)交叉耦合構(gòu)成的SR鎖存器電路

表6-2SR鎖存器功能表

2)

SR鎖存器仿真分析

(1)創(chuàng)建電路。選擇與非門(mén)7400、LOGICTOGGLE(產(chǎn)生0、1信號(hào))、LOGICPROBE(邏輯狀態(tài)指示器)，所創(chuàng)建的SR鎖存器仿真電路如圖6-10所示。

圖6-10SR鎖存器仿真電路

6.2.2時(shí)鐘觸發(fā)器仿真分析

對(duì)于時(shí)鐘觸發(fā)器，目前已做成集成化產(chǎn)品的有D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，Proteus仿真軟件也提供了D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器的仿真模型，本處以D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器為例，說(shuō)明時(shí)鐘觸發(fā)器的仿真分析過(guò)程和方法。

1．D觸發(fā)器的仿真分析

1)

D觸發(fā)器的功能

D觸發(fā)器具有置1和置0功能，即在輸入信號(hào)的作用下，通過(guò)輸入端D的狀態(tài)(1或0)，使輸出端置1或置0。D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖6-11所示。D觸發(fā)器的的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6-12所示。D觸發(fā)器的功能表如表6-3所示。

圖6-11

D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)

圖6-12D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表6-3D觸發(fā)器功能表由表6-3所示的D觸發(fā)器功能表，可得到D觸發(fā)器的特性方程為Qn+1?=?D。

圖6-13D觸發(fā)器的仿真電路

圖6-14PwlinGeneratorProperties對(duì)話框

圖6-15D觸發(fā)器的輸入輸出波形

(4)仿真說(shuō)明。

對(duì)于時(shí)鐘觸發(fā)器的仿真分析，輸入信號(hào)采用分段線性電壓源最合適(可預(yù)先編輯信號(hào)波形)。

當(dāng)待測(cè)信號(hào)不多時(shí)，也可用示波器測(cè)量。

2．JK觸發(fā)器的仿真分析

1)

JK觸發(fā)器的功能

JK觸發(fā)器也屬于時(shí)鐘類(lèi)觸發(fā)器，具有保持、置0、置1和翻轉(zhuǎn)4種功能，即在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，通過(guò)輸入端J、K的狀態(tài)(“1”或“0”)，可使輸出端保持、置位、復(fù)位或翻轉(zhuǎn)。

JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖6-16所示。JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6-17所示。JK觸發(fā)器的功能表如表6-4所示。

圖6-16JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)

圖6-17JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表6-4JK觸發(fā)器功能表

圖6-18JK觸發(fā)器仿真電路

圖6-19JK觸發(fā)器的輸入輸出波形6.2.3時(shí)鐘觸發(fā)器相互轉(zhuǎn)換

目前已經(jīng)做成集成化產(chǎn)品的只有D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，其他功能的觸發(fā)器可由這兩種觸發(fā)器改造得到，如D觸發(fā)器經(jīng)改造可得到JK觸發(fā)器、JK觸發(fā)器經(jīng)改造可得到T觸發(fā)器等。本處通過(guò)實(shí)例，介紹觸發(fā)器相互轉(zhuǎn)換的方法。

1．D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器

D觸發(fā)器有置位和復(fù)位兩種功能，而觸發(fā)器有翻轉(zhuǎn)功能，設(shè)計(jì)時(shí)將D觸發(fā)器的輸出端反饋至輸入端D即可。

(1)創(chuàng)建電路。選擇集成D觸發(fā)器74LS74、脈沖信號(hào)源CP(1kHz、高電平為5V)、直流電源等，所創(chuàng)建的D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器的仿真電路如圖6-20所示。將輸出接至輸入端D，則該電路滿足觸發(fā)器的功能。

圖6-20D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器的仿真電路

(2)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。示波器A、B通道分別測(cè)量CP和Q的波形，仿真結(jié)果如圖6-21所示。在時(shí)鐘CP的作用下，輸出信號(hào)Q翻轉(zhuǎn)，符合觸發(fā)器的特性。

(3)仿真說(shuō)明。調(diào)用脈沖信號(hào)源時(shí)，其高、低電平的默認(rèn)設(shè)置分別為0V和1V，但一定要將其改為0V和5V，否則不能引起觸發(fā)器的觸發(fā)，這應(yīng)引起讀者的注意。圖6-21

D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)器的輸入輸出波形

2．D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器

D觸發(fā)器有一個(gè)輸入信號(hào)D，JK觸發(fā)器有兩個(gè)輸入信號(hào)J和K。因此，用D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器時(shí)，需對(duì)D觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的依據(jù)是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器的特性方程。

D觸發(fā)器的特性方程：Qn+1

=

D

圖6-22D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器的仿真電路

(2)仿真分析。選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～10ms，分析波形從上至下依次為CP、J、K、Q、，則D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器的輸入輸出波形如圖6-23所示。圖6-23

D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器的輸入輸出波形

3．JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T(mén)觸發(fā)器

JK觸發(fā)器有保持、置位、復(fù)位和翻轉(zhuǎn)四種功能，若將JK觸發(fā)器的輸入端J和K連接在一起，則只有保持和翻轉(zhuǎn)兩種功能，從而實(shí)現(xiàn)T觸發(fā)器的功能。

(1)創(chuàng)建電路。選擇集成JK觸發(fā)器74LS113、脈沖信號(hào)源CP(1kHz、高電平為5V)、直流電源等，所創(chuàng)建的JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T(mén)觸發(fā)器的仿真電路如圖6-24所示。將JK觸發(fā)器的輸入端J和K連接在一起作為輸入信號(hào)T，則該電路滿足T觸發(fā)器的功能。

圖6-24

JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T(mén)觸發(fā)器的仿真電路

(2)仿真分析。選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～10ms，分析波形從上至下依次為CP、T、Q、 ，則JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T(mén)觸發(fā)器的輸入輸出波形如圖6-25所示。

當(dāng)輸入信號(hào)T

=

0時(shí)，輸出狀態(tài)保持；當(dāng)輸入信號(hào)T

=

1時(shí)，在CP的觸發(fā)(下降沿觸發(fā))作用下翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了T觸發(fā)器的功能。圖6-25JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T(mén)觸發(fā)器的輸入輸出波形6.2.4觸發(fā)器的應(yīng)用

觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序電路的基礎(chǔ)，本處以D觸發(fā)器構(gòu)成的序列信號(hào)檢測(cè)電路為例，介紹觸發(fā)器應(yīng)用電路的仿真分析過(guò)程。

1)創(chuàng)建電路

選擇集成D觸發(fā)器74LS74、脈沖信號(hào)源CP(1kHz、高電平為5V)、門(mén)電路、直流電源等，所創(chuàng)建的D觸發(fā)器構(gòu)成的序列信號(hào)檢測(cè)器的仿真電路如圖6-26所示。電路的輸入信號(hào)為X(由分段線性電壓源產(chǎn)生輸入序列信號(hào))，電路的輸出為Y。圖6-26D觸發(fā)器構(gòu)成的序列信號(hào)檢測(cè)器的仿真電路

表6-5序列信號(hào)檢測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表分析狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，可得出電路的功能。第一至第四行說(shuō)明，只要輸入信號(hào)X=0，無(wú)論現(xiàn)態(tài)是什么，次態(tài)均為00，可看出狀態(tài)00(Q2Q1

=

00)為初始狀態(tài)；第五行，次態(tài)“01”表示在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上輸入一個(gè)“1”；第六行，次態(tài)“10”表示在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上連續(xù)輸入兩個(gè)“1”；第七行，次態(tài)“11”表示在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上連續(xù)輸入三個(gè)“1”；第八行，次態(tài)“11”，同時(shí)Y

=

1，表示在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上連續(xù)輸入四個(gè)“1”。

由此可看出，該電路的功能為“1111……”序列信號(hào)檢測(cè)器，即連續(xù)輸入信號(hào)X超過(guò)四個(gè)1時(shí)，則輸出Y

=

1。

(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)表6-5，可畫(huà)出序列信號(hào)檢測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖6-27所示。從狀態(tài)圖可看出上述分析的功能。圖6-27序列信號(hào)檢測(cè)器的狀態(tài)圖

3)仿真分析

選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～10ms，分析波形從上至下依次為CP、X、Q2、Q1、Y，則D觸發(fā)器構(gòu)成序列信號(hào)檢測(cè)器的輸入輸出波形如圖6-28所示。當(dāng)輸入信號(hào)X等于0時(shí)，電路的狀態(tài)為00，輸出Y等于0；當(dāng)X輸入連續(xù)4個(gè)時(shí)鐘周期的高電平時(shí)，電路的狀態(tài)從00開(kāi)始，依次為01、10、11。當(dāng)電路的狀態(tài)為11時(shí)，Y等于1，說(shuō)明檢測(cè)到連續(xù)4個(gè)“1”。仿真結(jié)果與功能分析一致。圖6-28D觸發(fā)器構(gòu)成序列信號(hào)檢測(cè)器的輸入輸出波形

時(shí)序電路的特點(diǎn)是電路的輸出不僅與該時(shí)刻輸入變量的取值有關(guān)，且與過(guò)去輸入變量的取值有關(guān)。從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，若由組合電路和存儲(chǔ)電路構(gòu)成，則其中中存儲(chǔ)電路必不可少。時(shí)序電路的基本單元是觸發(fā)器。時(shí)序電路的種類(lèi)很多，常用的時(shí)序電路有寄存器、計(jì)數(shù)器、序列信號(hào)發(fā)生器、序列信號(hào)檢測(cè)器等，且大多數(shù)已實(shí)現(xiàn)了集成化。本節(jié)介紹常用時(shí)序電路的仿真分析過(guò)程。6.3時(shí)序電路的仿真分析6.3.1寄存器仿真分析

寄存器的基本功能是存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而移位寄存器除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)外，還有移位功能，基于這一點(diǎn)，可用移位寄存器作控制器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用電路。本處以集成移位寄存器74LS194的應(yīng)用為例，介紹其仿真分析方法。

1．74LS194的功能

74LS194為四位雙向移位可預(yù)置數(shù)集成寄存器，具有雙向移位、清零、置數(shù)和保持等功能。該寄存器的邏輯符號(hào)如圖6-29所示。其功能表如表6-6所示。圖6-2974LS194的邏輯符號(hào)

表6-674LS194的功能表2．74LS194的應(yīng)用示例

(1)應(yīng)用要求。用74LS194設(shè)計(jì)一個(gè)流水燈控制電路，流水燈的變化規(guī)律如圖6-30所示。

(2)功能分析。由圖6-30中燈的亮、滅規(guī)律可以看出，在4個(gè)指示燈全部點(diǎn)亮前，74LS194應(yīng)工作于右移模式，且右移數(shù)據(jù)的輸入端SR接高電平“1”；當(dāng)4個(gè)指示燈全部點(diǎn)亮后，74LS194應(yīng)工作于左移模式，且左移數(shù)據(jù)的輸入端SL接低電平“0”。本例中，工作模式的轉(zhuǎn)換利用JK觸發(fā)器74LS73自動(dòng)完成，74LS73的兩個(gè)互補(bǔ)輸出端分別接到74LS194的工作模式控制端S1、S0上。當(dāng)高電平“1”右移至Q3時(shí)，圖6-30流水燈的變化規(guī)律產(chǎn)生下降沿的觸發(fā)脈沖，JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，由右移模式變?yōu)樽笠颇Ｊ剑划?dāng)?shù)碗娖健?”左移至Q0時(shí)，產(chǎn)生下降沿的觸發(fā)脈沖，JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，又由左移模式變?yōu)橛乙颇Ｊ剑源祟?lèi)推，循環(huán)往復(fù)。

圖中門(mén)電路組成譯碼電路。其中與非門(mén)74LS00用來(lái)識(shí)別代碼“1111”，即74LS194輸出端為“1111”時(shí)，與非門(mén)輸出低電平，進(jìn)而產(chǎn)生下降沿，導(dǎo)致JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；或門(mén)74LS32用來(lái)識(shí)別代碼“0000”，即74LS194輸出端為“0000”時(shí)，或門(mén)輸出低電平，進(jìn)而產(chǎn)生下降沿，導(dǎo)致JK觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。

(3)創(chuàng)建電路。根據(jù)以上分析并結(jié)合相關(guān)功能，創(chuàng)建74LS194控制的流水燈控制電路，如圖6-31所示。脈沖信號(hào)源為CP(1Hz、高電平為5V)。

(4)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真?？煽闯鲈谝莆幻}沖CP的作用下，4個(gè)指示燈(發(fā)光二極管)按圖6-30所示的規(guī)律變化，循環(huán)往復(fù)，設(shè)計(jì)結(jié)果符合功能要求。

圖6-3174LS194控制的流水燈電路

(5)仿真說(shuō)明。由于發(fā)光二極管接成拉電流形式，因此在接譯碼電路的兩個(gè)管腳時(shí)，需要接限流電阻。否則在發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，會(huì)將高電平電壓拉低(2V左右)，導(dǎo)致譯碼電路不能正常識(shí)別代碼“1111”，進(jìn)而使整個(gè)控制進(jìn)程受阻。讀者在做仿真時(shí)不妨一試。6.3.2計(jì)數(shù)器仿真分析

計(jì)數(shù)器是最常用的時(shí)序電路，它可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、定時(shí)、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖、產(chǎn)生序列信號(hào)等功能。計(jì)數(shù)器按計(jì)數(shù)結(jié)果的編碼方式可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器以及任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器按計(jì)數(shù)結(jié)果的增減可分為加計(jì)數(shù)器和減計(jì)數(shù)器。本節(jié)以十進(jìn)制減計(jì)數(shù)器74LS192為例，介紹計(jì)數(shù)器的仿真分析方法。

1．74LS192的功能

74LS192是十進(jìn)制可預(yù)置數(shù)加減可逆計(jì)數(shù)器，它的功能表如表6-7所示。74LS192的邏輯符號(hào)如圖6-32所示。圖6-3274LS192的邏輯符號(hào)

表6-7十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器74LS192的功能表邏輯符號(hào)引腳說(shuō)明：

UP：加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，上升沿有效；

DOWN：減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，上升沿有效；

MR：清零復(fù)位輸入端，異步方式，高電平有效；

2．74LS192應(yīng)用示例

(1)應(yīng)用要求。用74LS192構(gòu)成41進(jìn)制減計(jì)數(shù)器，并用數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。

(2)功能分析。74LS192為集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要構(gòu)成41進(jìn)制計(jì)數(shù)器需要兩片74LS192。設(shè)計(jì)時(shí)可用兩片74LS192進(jìn)行串接得到100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在100個(gè)狀態(tài)中取41個(gè)狀態(tài)

(40→39→…→00→40構(gòu)成循環(huán))，即得到41進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼電路為兩輸入端與非門(mén)，可對(duì)代碼“99”的特征進(jìn)行識(shí)別(因計(jì)數(shù)狀態(tài)“00”的下一個(gè)狀態(tài)為“99”)，當(dāng)譯碼電路識(shí)別出代碼“99”后，可通過(guò)異步置數(shù)控制端將初始值40裝入計(jì)數(shù)器。

(3)創(chuàng)建電路。根據(jù)以上分析，結(jié)合74LS192的功能，可創(chuàng)建74LS192控制的41進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，如圖6-33所示。脈沖信號(hào)源為CP(1Hz、高電平為5V)，LED數(shù)碼管選用共陰極數(shù)碼管。

(4)仿真分析。單擊仿真按鈕，運(yùn)行仿真。可看出在計(jì)數(shù)脈沖CP的作用下，從初值40開(kāi)始減計(jì)數(shù)，減計(jì)數(shù)至00以后，又裝入初值，循環(huán)往復(fù)，設(shè)計(jì)結(jié)果符合功能要求。

圖6-3374LS192構(gòu)成的41進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路6.3.3序列信號(hào)發(fā)生器仿真分析

序列信號(hào)(串行數(shù)字信號(hào))發(fā)生器在數(shù)字信號(hào)的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測(cè)試中應(yīng)用廣泛。通常我們將這種能產(chǎn)生序列信號(hào)的電路稱(chēng)為序列信號(hào)發(fā)生器。序列信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方法有多種，可采用觸發(fā)器和門(mén)電路構(gòu)成，也可采用計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器等構(gòu)成。本節(jié)以后者為例，介紹序列信號(hào)發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)、原理分析與仿真方法。

(1)功能要求。試設(shè)計(jì)“11001110”8位序列信號(hào)發(fā)生器電路。

圖6-34計(jì)數(shù)器74LS161與數(shù)據(jù)選擇器74151構(gòu)成的序列信號(hào)發(fā)生器電路

(3)原理分析。在圖6-34中的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CP作用下，74LS161工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，計(jì)數(shù)結(jié)果從Q2、Q1、Q0輸出，從000→001→…→111共8個(gè)狀態(tài)，則數(shù)據(jù)選擇器74151的地址代碼也按000→001→…→111變化并循環(huán)，同時(shí)輸出端Y按地址碼分別輸出X0、X1、…、X7的值并循環(huán)，這樣就得到所需要的序列信號(hào)(串行數(shù)字信號(hào))“11001110”。該序列信號(hào)發(fā)生器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表6-8所示。

表6-8序列信號(hào)發(fā)生器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表(4)仿真分析。選擇數(shù)字分析圖表(DIGITALANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～20ms，分析波形從上至下依次為CP、Q2、Q1、Q0、Y，則序列信號(hào)發(fā)生器的輸入輸出波形如圖6-35所示。若需產(chǎn)生其它序列信號(hào)，只要改變數(shù)據(jù)選擇器輸入信號(hào)(X0～X7)的值即可。圖6-35序列信號(hào)發(fā)生器的輸入輸出波形

555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路芯片，只需外接幾個(gè)阻容元件就可構(gòu)成各種不同用途的功能電路。由于使用靈活、方便，555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器、通信等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)將借助Proteus仿真平臺(tái)，介紹555定時(shí)器的功能特點(diǎn)、應(yīng)用設(shè)計(jì)及仿真分析方法。6.4555定時(shí)器應(yīng)用電路的仿真分析6.4.1555定時(shí)器的功能特點(diǎn)

555定時(shí)器又稱(chēng)3個(gè)“5”電路，由三個(gè)高精度的5kΩ分壓電阻、兩個(gè)比較器、一個(gè)SR鎖存器和一個(gè)晶體管組成，封裝在一個(gè)8腳芯片中。NE555定時(shí)器的功能表如表6-9所示，其邏輯符號(hào)如圖6-36所示。

圖6-36NE555定時(shí)器的邏輯符號(hào)

表6-9NE555定時(shí)器功能表邏輯符號(hào)引腳說(shuō)明：

TR：低觸發(fā)輸入端，該端電位低于下限觸發(fā)點(diǎn)(1/3)VCC時(shí)引起觸發(fā)；

TH：高觸發(fā)輸入端，該端電位高于上限觸發(fā)點(diǎn)(2/3)VCC時(shí)引起觸發(fā)；

R

：復(fù)位輸入端，異步方式，低電平有效；

CV：電壓控制輸入端，改變?cè)摱送饨与妷旱拇笮】梢愿淖兩?、下限觸發(fā)點(diǎn)；

DC：放電輸出端，為集電極開(kāi)路輸出；

Q：輸出端，電路產(chǎn)生或變換的波形由該端輸出。6.4.2555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)是電壓傳輸有滯回特性，當(dāng)輸入電壓由低往高變化或由高往低變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓不在一個(gè)地方翻轉(zhuǎn)。施密特觸發(fā)器可分為施密特同相器和施密特反相器，用555定時(shí)器可方便構(gòu)成施密特反相器。圖6-37555定時(shí)器構(gòu)成的施密特反相器電路

(2)仿真分析。輸入波形VI為分段線性電壓源，設(shè)置為三角波(500Hz、5V)，如圖6-38所示。選擇瞬態(tài)分析圖表(TRANSIENTANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～10ms，則施密特反相器的輸入輸出波形如圖6-39所示。圖6-38通過(guò)分段線性電壓源設(shè)置的VI波形圖6-39施密特反相器的輸入輸出波形從圖6-39可看出，當(dāng)輸入信號(hào)上升到(2/3)VCC時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)下降到(1/3)VCC時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，所以(1/3)VCC和(2/3)VCC分別是施密特反相器的下限和上限觸發(fā)點(diǎn)。施密特觸發(fā)器具有滯回特性，滯回電壓的大小等于上限觸發(fā)點(diǎn)和下限觸發(fā)點(diǎn)電壓之差。利用滯回特性，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形和變換(本處將輸入的三角波轉(zhuǎn)換為矩形波)。6.4.3555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

多諧振蕩器的特點(diǎn)是輸出無(wú)穩(wěn)態(tài)，即輸出狀態(tài)為兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，可在施密特反相器的基礎(chǔ)上增加RC積分電路得到，利用電容的充放電產(chǎn)生振蕩，電路無(wú)外加輸入信號(hào)。

1)創(chuàng)建電路

用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖6-40所示。電路中，電阻R1可理解為內(nèi)部放電管(集電極開(kāi)路輸出)的上拉電阻，電容C2上的電壓VC接至TR和TH。當(dāng)輸出VO為高電平時(shí)，電源VCC經(jīng)R1、R2給電容C2充電，當(dāng)充電至上限觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，輸出VO變?yōu)榈碗娖剑淮藭r(shí)，內(nèi)部放電管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容C2經(jīng)R2、內(nèi)部放電管放電，當(dāng)放電至下限觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖健ｋS著電容C2充、放電的持續(xù)進(jìn)行，輸出VO產(chǎn)生矩形波輸出。圖6-40555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

2)仿真分析

選擇模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～20ms，則多諧振蕩器的電容電壓和輸出波形如圖6-41所示。圖6-41多諧振蕩器的電容電壓和輸出波形

3)仿真說(shuō)明

(1)如圖6-40所示，因電容C2的充電時(shí)間大于放電時(shí)間(充電時(shí)間常數(shù)為(R1+R2)C2、放電時(shí)間常數(shù)為R2C2)，所以輸出波形VO的高電平寬度大于低電平寬度，即占空比大于50%。要使輸出波形的占空比小于等于50%，可通過(guò)二極管改變電容C2的充、放電回路實(shí)現(xiàn)。

(2)輸出矩形波的頻率可通過(guò)改變?cè)骷?shù)調(diào)節(jié)，如電阻R1、R2增大，充放電時(shí)間變長(zhǎng)，則輸出矩形波的頻率減??；反之則增加。

(3)

555定時(shí)器的電壓控制端(CV)若接控制電壓，則555定時(shí)器的上、下限觸發(fā)點(diǎn)由控制電壓確定，這樣可構(gòu)成壓控振蕩器。當(dāng)控制電壓增加時(shí)，電容C2的充放電時(shí)間增加，輸出矩形波頻率減?。环粗?，則輸出矩形波頻率增加。圖6-42555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.4.4555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)是輸出狀態(tài)為一個(gè)穩(wěn)態(tài)、一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。從穩(wěn)態(tài)過(guò)渡至?xí)悍€(wěn)態(tài)需外加觸發(fā)信號(hào)，而從暫穩(wěn)態(tài)至穩(wěn)態(tài)是自動(dòng)返回的。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有外輸入信號(hào)。

(1)創(chuàng)建電路。若以555定時(shí)器的TR端作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，接入正弦交流信號(hào)，而以電阻R1、R2和C2組成充放電回路，就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。充電時(shí)，由電壓源VCC經(jīng)電阻R1、R2給電容C2充電；放電時(shí)，電容C2經(jīng)R2及內(nèi)部的放電管對(duì)地放電。555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖6-42所示。

(2)仿真分析。將正弦信號(hào)源設(shè)置為：幅值為2.5V、直流偏置電壓為2.5V、頻率為1kHz；選擇模擬分析圖表(ANALOGUEANALYSIS)，分析時(shí)間設(shè)置為0～5ms，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入VI、電容電壓VC、輸出波形VO如圖6-43所示。圖6-43單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入輸出波形仿真開(kāi)始輸出VO為低電平，是穩(wěn)態(tài)；隨著輸入信號(hào)VI的下降，當(dāng)降低到555定時(shí)器的下限觸發(fā)點(diǎn)((1/3)VCC)時(shí)，輸出VO由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，為暫穩(wěn)態(tài)；在暫穩(wěn)態(tài)停留的時(shí)間由電容充電的快慢決定，當(dāng)輸出為高電平時(shí)電容開(kāi)始充電。當(dāng)電容電壓上升到555定時(shí)器的上限觸發(fā)點(diǎn)((2/3)VCC)時(shí)，輸出由高電平自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為低電平，也即由暫穩(wěn)態(tài)回到穩(wěn)態(tài)。輸入信號(hào)的下一次觸發(fā)到來(lái)后，電路又從穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)電容充電至上限觸發(fā)電壓時(shí)，又從暫穩(wěn)態(tài)回到穩(wěn)態(tài)，周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)。由以上分析可看出，電路從穩(wěn)態(tài)到暫穩(wěn)態(tài)時(shí)需要外觸發(fā)信號(hào)，而從暫穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)則不需要外觸發(fā)信號(hào)，停留一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)，而這正是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)。

6.5.1交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．交通管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1)紅綠燈管理要求

(1)當(dāng)東西方向的綠燈亮?xí)r(表示允許東西方向車(chē)輛直行或左轉(zhuǎn)彎通過(guò)十字路口)，南北方向應(yīng)亮紅燈；反之，當(dāng)南北方向的亮綠燈時(shí)，東西方向應(yīng)亮紅燈。6.5數(shù)字電路的綜合應(yīng)用仿真分析

(2)設(shè)有“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)位置在“自動(dòng)”時(shí)，東西方向或南北方向的紅綠燈信號(hào)應(yīng)能每隔一定時(shí)間交替地顯示，紅綠信號(hào)燈顯示時(shí)間相等，且顯示時(shí)間能在20～60秒范圍內(nèi)按10秒間隔由人工設(shè)定。在交替之前，從第五秒開(kāi)始黃燈以2Hz頻率閃動(dòng)至交替時(shí)結(jié)束。當(dāng)開(kāi)關(guān)位置在“手動(dòng)”時(shí)，應(yīng)能手動(dòng)控制兩個(gè)方向的紅綠燈的交替顯示(交替前不要求黃燈閃動(dòng))。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，由“手動(dòng)”轉(zhuǎn)入“自動(dòng)”時(shí)，紅燈信號(hào)或綠燈信號(hào)先轉(zhuǎn)至何方向無(wú)要求。也可增加以下要求：

(3)*(2)中，開(kāi)關(guān)位置在“自動(dòng)”時(shí)，要求任一方向的紅、綠信號(hào)燈顯示時(shí)間可以不等，且能在20～60秒范圍內(nèi)按10秒間隔由人工設(shè)定。

(4)*(2)中，要求由“手動(dòng)”轉(zhuǎn)入“自動(dòng)”時(shí)，綠信號(hào)燈先轉(zhuǎn)至東西方向還是南北方向應(yīng)能隨意選擇。

(5)*

當(dāng)各方向均無(wú)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，可以通過(guò)“滅燈”開(kāi)關(guān)將所有信號(hào)燈熄滅。

(6)*

當(dāng)緊急車(chē)輛(如消防車(chē)、救護(hù)車(chē)或警車(chē))出現(xiàn)時(shí)，可由“緊急”開(kāi)關(guān)控制，使東、西、南、北各方向均亮紅燈(禁止各方向的一般車(chē)輛通過(guò))，并當(dāng)緊急車(chē)輛通過(guò)后，綠信號(hào)燈先轉(zhuǎn)于東西方向還是南北方向應(yīng)能隨意選擇。

注：紅綠燈管理中，(3)*、(4)*、(5)*、(6)*項(xiàng)為選做內(nèi)容。

2)時(shí)間牌管理

(1)當(dāng)“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)由“手動(dòng)”轉(zhuǎn)向“自動(dòng)”時(shí)，時(shí)間牌應(yīng)從設(shè)定值開(kāi)始，按秒倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間。

(2)當(dāng)“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)打在“手動(dòng)”位置、“緊急”開(kāi)關(guān)或“滅燈”開(kāi)關(guān)有效時(shí)，時(shí)間牌數(shù)碼管應(yīng)熄滅。

3)給定條件

(1)東、西、南、北四個(gè)方向的紅、黃、綠信號(hào)燈分別用紅、黃、綠發(fā)光二極管代替(東西南北各方向共用兩只紅色和兩只綠色發(fā)光管，四個(gè)方向共用一只黃色發(fā)光管)。

(2)用一個(gè)時(shí)間顯示牌代表四個(gè)方向的時(shí)間顯示牌(因各方向顯示的內(nèi)容均相同)，并用半導(dǎo)體數(shù)碼管代替時(shí)間顯示牌。

2．交通管理系統(tǒng)的工作原理

分析交通管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：一個(gè)是紅綠燈和黃燈管理，紅綠燈和黃燈管理主要是控制其“亮”和“滅”；另一個(gè)是時(shí)間牌管理，它是按照設(shè)計(jì)要求控制其顯示時(shí)間。因此，交通管理系統(tǒng)屬于數(shù)字系統(tǒng)，其關(guān)鍵部分是控制器的選擇。數(shù)字系統(tǒng)中的控制器用于控制系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)工作，其控制器通常有移位型控制器、計(jì)數(shù)型控制器、微程序控制器以及PLC型控制器。本處選用計(jì)數(shù)器作控制器。

(1)交通管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和功能分析，系統(tǒng)要控制紅綠燈的交替、時(shí)間牌顯示、黃燈閃動(dòng)，并有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能。因此，該系統(tǒng)屬于控制類(lèi)電子電路系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，可設(shè)計(jì)交通管理系統(tǒng)的控制方案組成框圖如圖6-44所示。圖6-44交通管理系統(tǒng)的控制方案組成框圖系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，擔(dān)負(fù)著接收輸入信號(hào)、經(jīng)過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生控制輸出的功能，是交通管理系統(tǒng)的核心模塊；輸入模塊包括時(shí)間初值輸入、脈沖的產(chǎn)生與分頻、手動(dòng)/自動(dòng)選擇模塊和手動(dòng)輸入模塊；輸出模塊包括時(shí)間顯示和信號(hào)燈顯示模塊。

(2)交通管理系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。考慮到本系統(tǒng)運(yùn)行在“自動(dòng)”時(shí)，有多個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)作與東西南北方向通行的倒計(jì)時(shí)(對(duì)時(shí)鐘脈沖作減計(jì)數(shù))有關(guān)。例如，減計(jì)數(shù)至小于等于5秒，黃燈閃動(dòng)；減計(jì)數(shù)至0秒，紅綠燈交替并讀入設(shè)定值；減計(jì)數(shù)至當(dāng)前值，時(shí)間牌顯示等。因此，選計(jì)數(shù)型控制器是合適的。具體應(yīng)選用輸出是兩位BCD碼的減計(jì)數(shù)器。

減計(jì)數(shù)至小于等于5秒，黃燈閃動(dòng)。這意味著，應(yīng)能將05～01秒從計(jì)數(shù)結(jié)果中識(shí)別出來(lái)，故應(yīng)有“5秒譯碼電路”承擔(dān)對(duì)05～01秒的譯碼任務(wù)，并有“黃燈閃動(dòng)控制電路”控制黃燈的閃動(dòng)。減計(jì)數(shù)至0秒，紅綠燈交替。與以上分析類(lèi)似，應(yīng)有“00秒譯碼電路”承擔(dān)對(duì)00秒的譯碼任務(wù)；并有“紅綠燈交替控制電路”控制紅綠燈的交替。

減計(jì)數(shù)至0秒，讀入設(shè)定值，故應(yīng)利用“00秒譯碼電路”的輸出，使計(jì)數(shù)器的LD′(置數(shù)控制端)有效，以讀入設(shè)定值。

設(shè)定值分20秒～60秒五檔，故應(yīng)有“設(shè)定值讀入電路”，能根據(jù)開(kāi)關(guān)的選位，給出相應(yīng)的設(shè)定值。

時(shí)間牌按秒顯示，黃燈每秒閃爍2次，故應(yīng)有“秒脈沖和半秒脈沖發(fā)生器”，為計(jì)數(shù)器和黃燈控制提供所需頻率的矩形脈沖。應(yīng)有“時(shí)間顯示電路”，承擔(dān)計(jì)數(shù)結(jié)果的顯示任務(wù)，包括譯碼、驅(qū)動(dòng)和高位滅0等。

應(yīng)有“信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路”，承擔(dān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈(紅、黃、綠燈)發(fā)光的任務(wù)。

紅綠燈的顯示有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種控制方式，故應(yīng)有“手動(dòng)/自動(dòng)”選擇電路。能根據(jù)“手動(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)的選位，選擇“自動(dòng)顯示”或“手動(dòng)顯示”信號(hào)，去控制紅綠燈的顯示。當(dāng)系統(tǒng)在“自動(dòng)”運(yùn)行時(shí)，交通管理系統(tǒng)信號(hào)燈的顯示(每組的顯示時(shí)間為60秒)流程可用圖6-45所示的示意圖表示。信號(hào)燈顯示流程分4個(gè)階段。圖6-45交通管理系統(tǒng)信號(hào)燈顯示流程圖

Ⅰ階段：東西紅燈(南北綠燈)亮；

Ⅱ階段：東西紅燈(南北綠燈)亮，且黃燈閃；

Ⅲ階段：東西綠燈(南北紅燈)亮；

Ⅳ階段：東西綠燈(南北紅燈)亮，且黃燈閃。

4個(gè)階段按圖6-45箭頭所示，周而復(fù)始，循環(huán)下去。

綜上考慮，可畫(huà)出交通管理系統(tǒng)的電路原理控制框圖，如圖6-46所示。圖6-46交通管理系統(tǒng)電路原理控制框圖

3．單元電路設(shè)計(jì)

1)減計(jì)數(shù)控制器

可考慮選用BCD碼輸出的減計(jì)數(shù)器。本處選用兩片74LS192構(gòu)成計(jì)數(shù)控制器，計(jì)數(shù)器74LS192的邏輯符號(hào)和各引腳功能時(shí)序圖分別如圖6-47、6-48所示。

圖6-4774LS192的邏輯符號(hào)

圖6-4874LS192各引腳功能時(shí)序圖時(shí)序說(shuō)明：

(1)加計(jì)數(shù)至9，產(chǎn)生進(jìn)位輸出；減計(jì)數(shù)至0，產(chǎn)生借位輸出。

(2)清除信號(hào)(MR)控制預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)輸出，也即清除信號(hào)(MR)，優(yōu)先級(jí)最高。

(3)預(yù)置數(shù)信號(hào)()為異步置數(shù)信號(hào)。

(4)做加法計(jì)數(shù)時(shí)，減計(jì)數(shù)輸入端(DN)必須為高電平；做減法計(jì)數(shù)時(shí)，加計(jì)數(shù)輸入端(UP)必須為高電平。依據(jù)74LS192的功能時(shí)序，可用兩片74LS192芯片構(gòu)成減計(jì)數(shù)控制器，如圖6-49所示。計(jì)數(shù)器連接時(shí)，將低位片的借位信號(hào)(TCD)連至高位片的減計(jì)數(shù)輸入端(DN)，低位片的減計(jì)數(shù)輸入端(DN)接時(shí)鐘信號(hào)CP；做減計(jì)數(shù)時(shí)，兩片74LS192芯片的加計(jì)數(shù)輸入端均接高電平(VCC)；正常計(jì)數(shù)時(shí)，兩片74LS192芯片的清零信號(hào)(MR)均接低電平(地)。這樣連接后的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)循環(huán)為99→98→97→…→2→1→0→99→98→…，是100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步可設(shè)計(jì)為其它進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖6-49兩片74LS192構(gòu)成的減計(jì)數(shù)控制器

2)秒脈沖和半秒脈沖發(fā)生器

秒脈沖和半秒脈沖發(fā)生器電路如圖6-50所示。

圖6-50秒脈沖和半秒脈沖發(fā)生器電路對(duì)于交通管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的精度要求不是很高，設(shè)計(jì)時(shí)可選用555定時(shí)器構(gòu)成時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路，圖中通過(guò)設(shè)置電阻、電容，可產(chǎn)生2Hz時(shí)鐘脈沖。選擇電阻RV1為電位器，通過(guò)調(diào)整電位器的阻值，可精確調(diào)整輸出脈沖的頻率。設(shè)計(jì)時(shí)，先確定電容值的大小，再確定電阻RV1、R2的值。圖6-50中由JK觸發(fā)器構(gòu)成的 起分頻作用，將2Hz時(shí)鐘信號(hào)分頻為1Hz。這樣就得到系統(tǒng)所需要的秒脈沖和半秒脈沖信號(hào)。

應(yīng)說(shuō)明的是，能產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的電路很多，例如用晶體振蕩器附加適當(dāng)?shù)拈T(mén)電路也可產(chǎn)生脈沖，但其振蕩頻率由晶體決定，故振蕩頻率通常非常高，但調(diào)整和分頻不太方便。還可用滯回比較器加RC電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，有興趣的讀者不妨一試。

3)初值設(shè)定電路

按設(shè)計(jì)要求，顯示時(shí)間能在20～60秒范圍內(nèi)按10秒間隔由人工設(shè)定，因此初值設(shè)定電路至少要輸入5個(gè)初始值。設(shè)計(jì)時(shí)將計(jì)數(shù)器的高位片接初值設(shè)定電路，低位片的初值置為0，這樣可設(shè)定20、30、40、50、60這五個(gè)初始值。

(1)直接用開(kāi)關(guān)組成初值設(shè)定電路。如圖6-51所示。當(dāng)輸入開(kāi)關(guān)合上時(shí)，輸入為低電平；開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輸入為高電平。開(kāi)關(guān)SW1、SW2、SW3的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的初始值關(guān)系如表6-10所示。

圖6-51直接用開(kāi)關(guān)組成初值設(shè)定電路

表6-10開(kāi)關(guān)狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的初始值關(guān)系按此接法，圖6-51對(duì)應(yīng)的初值設(shè)定電路可設(shè)定8個(gè)初值，能滿足設(shè)計(jì)要求。但此接法在設(shè)定初值時(shí)較煩瑣，要注意開(kāi)關(guān)和初值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。更簡(jiǎn)潔的初值設(shè)定電路可用單刀多擲開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)用單刀多擲開(kāi)關(guān)和編碼器組成的初值設(shè)定電路如圖6-52所示。電路由一個(gè)單刀五擲開(kāi)關(guān)(SW1)和編碼器74LS148實(shí)現(xiàn)，因編碼器74LS148的輸出為反碼，故在其輸出端加反相器后送計(jì)數(shù)器置數(shù)端。在圖6-52中，當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到最上的觸點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器初值D3D2D1D0=0010，從上到下依次為0010、0011、0100、0101、0110。因此，通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)的切換就可選擇所需要的初值。

圖6-52單刀多擲開(kāi)關(guān)和編碼器組成初值設(shè)定電路

4)時(shí)間顯示電路

時(shí)間顯示電路用來(lái)顯示計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果，因?yàn)轱@示的時(shí)間值為2位，采用2位數(shù)碼管顯示，故數(shù)碼管前面需加顯示譯碼電路。時(shí)間顯示電路如圖6-53所示。

圖6-53時(shí)間顯示電路

5)

5秒譯碼和00譯碼電路

按設(shè)計(jì)要求，減計(jì)數(shù)至小于等于5秒，黃燈閃動(dòng)。這意味著，系統(tǒng)能將05～01秒從計(jì)數(shù)結(jié)果中識(shí)別出來(lái)，故應(yīng)有“5秒譯碼電路”承擔(dān)對(duì)05～01秒的譯碼任務(wù)。減計(jì)數(shù)至0秒，紅綠燈交替，并讀入設(shè)定值，所以應(yīng)有“00秒譯碼電路”承擔(dān)對(duì)00秒的譯碼任務(wù)。

能實(shí)現(xiàn)譯碼的電路很多，如采用比較器譯碼、用門(mén)電路譯碼、用觸發(fā)器構(gòu)成譯碼電路、用數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成譯碼電路、用集成譯碼器譯碼等。系統(tǒng)的譯碼電路承擔(dān)對(duì)05、04、03、02、01、00共6個(gè)代碼的譯碼任務(wù)，本處選用集成譯碼器74LS138構(gòu)成譯碼電路，能方便實(shí)現(xiàn)05～00這6個(gè)代碼的識(shí)別任務(wù)。其它譯碼電路請(qǐng)有興趣的讀者思考實(shí)現(xiàn)。5秒譯碼和00譯碼電路如圖6-54所示。

圖6-545秒譯碼和00譯碼電路

6)手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路

手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的切換。電路可用2選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路如圖6-55所示。

圖6-55手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路如圖6-55所示，數(shù)據(jù)選擇器選用74LS257(4組2選1數(shù)據(jù)選擇器)，本電路只用了其中一組。SW1為手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)，在手動(dòng)的情況下，開(kāi)關(guān)SW2的切換可手動(dòng)控制東西和南北方向的紅綠燈翻轉(zhuǎn)；在自動(dòng)的情況下，數(shù)據(jù)選擇器選擇自動(dòng)輸入信號(hào)。

7)黃燈閃動(dòng)控制電路

按設(shè)計(jì)要求，當(dāng)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)至小于等于5秒時(shí)，黃燈以2Hz頻率閃動(dòng)，當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置時(shí)，黃燈熄滅。因此控制黃燈的信號(hào)有三個(gè)，分別是5秒譯碼輸出信號(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)控制信號(hào)、2Hz脈沖信號(hào)。據(jù)此可設(shè)計(jì)黃燈閃動(dòng)控制電路，如圖6-56所示。

圖6-56黃燈閃動(dòng)控制電路電路圖6-56由一個(gè)3輸入端的與非門(mén)電路構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)控制時(shí)，手動(dòng)/自動(dòng)選擇信號(hào)為低電平，與非門(mén)被封鎖，其它信號(hào)不能通過(guò)門(mén)電路，黃燈熄滅；當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制時(shí)，手動(dòng)/自動(dòng)選擇信號(hào)為高電平，當(dāng)減計(jì)數(shù)到5秒時(shí)，5秒譯碼輸出高電平，與門(mén)被打開(kāi)，2Hz頻率脈沖信號(hào)能通過(guò)門(mén)電路，這樣可驅(qū)動(dòng)黃燈以2Hz頻率閃動(dòng)。

8)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，信號(hào)燈用發(fā)光二極管替代，信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是在控制信號(hào)作用下驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的亮和滅。而發(fā)光二極管發(fā)光有一定的電流要求(一般在5～10mA)，門(mén)電路的輸出接發(fā)光二極管時(shí)通常要接成灌電流形式而不能接成拉電流形式，目的是增強(qiáng)門(mén)電路的驅(qū)動(dòng)能力。信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路如圖6-57所示。

圖6-57信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路在圖6-57中共4只發(fā)光二極管，分為兩組，當(dāng)門(mén)電路的輸出為高電平時(shí)，上面兩只發(fā)光管發(fā)光；當(dāng)門(mén)電路的輸出為低電平時(shí)，下面兩只發(fā)光管發(fā)光；根據(jù)發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降(紅色發(fā)光管約為1.6V，綠色發(fā)光管約為2.0V)，設(shè)定二極管的導(dǎo)通電流為5mA，經(jīng)計(jì)算得到電阻R的取值在250Ω左右。

4.基于Proteus的交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本處通過(guò)用Proteus對(duì)交通管理系統(tǒng)的仿真分析，說(shuō)明復(fù)雜電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真分析步驟和方法，并將設(shè)計(jì)的各個(gè)單元電路組合、封裝、連接成一個(gè)系統(tǒng)。

1)單元模塊電路的設(shè)計(jì)和封裝

用Proteus仿真時(shí)，可將交通管理系統(tǒng)的硬件電路分為初值輸入模塊、計(jì)數(shù)譯碼模塊和數(shù)據(jù)選擇模塊，其它部件如開(kāi)關(guān)、LCD數(shù)碼管放在父頁(yè)電路中，以便觀察輸入和結(jié)果。

圖6-58初值輸入電路模塊③創(chuàng)建初值輸入電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路。在初值輸入電路模塊上，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇右擊菜單命令GotoChildSheet，進(jìn)入子電路編輯區(qū)，編輯初值輸入電路并添加輸入輸出引腳，如圖6-59所示。圖6-59初值輸入電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路

注：在模式選擇工具欄，單擊終端模式選擇按鈕“”，在子電路上添加輸入輸出引腳；引腳名稱(chēng)要與模塊上對(duì)應(yīng)的輸入輸出端口名稱(chēng)相同。

初值輸入電路對(duì)應(yīng)的引腳功能如表6-11所示。

表6-11初值輸入電路對(duì)應(yīng)的引腳功能表

(2)計(jì)數(shù)譯碼模塊電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟同上。

創(chuàng)建計(jì)數(shù)譯碼電路模塊，如圖6-60所示。計(jì)數(shù)譯碼電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路如圖6-61所示。計(jì)數(shù)譯碼電路對(duì)應(yīng)的引腳功能如表6-12所示。圖6-60計(jì)數(shù)譯碼電路模塊

圖6-61計(jì)數(shù)譯碼電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路

表6-12計(jì)數(shù)譯碼電路對(duì)應(yīng)的引腳功能表(3)手動(dòng)/自動(dòng)選擇模塊電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟同上。

創(chuàng)建手動(dòng)/自動(dòng)選擇模塊，如圖6-62所示。手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路如圖6-63所示。圖6-62手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路模塊

圖6-63手動(dòng)/自動(dòng)選擇電路模塊對(duì)應(yīng)的子電路

2)交通管理系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

在父頁(yè)電路中設(shè)計(jì)了三個(gè)模塊電路以后，再放置開(kāi)關(guān)、發(fā)光二極管、8421BCD數(shù)碼管等，所創(chuàng)建的交通管理系統(tǒng)總體電路如圖6-64所示。

圖6-64交通管理系統(tǒng)總體電路

3)仿真分析和操作說(shuō)明

(1)仿真運(yùn)行：?jiǎn)螕舴抡姘粹o，進(jìn)行仿真分析并觀察仿真結(jié)果。

(2)操作說(shuō)明：

將開(kāi)關(guān)SW3切換至上觸點(diǎn)，輸入高電平，系統(tǒng)為自動(dòng)控制(自動(dòng)指示燈D6亮)。觀察時(shí)間牌顯示、紅綠燈顯示和黃燈顯示。另外，通過(guò)切換初值設(shè)定開(kāi)關(guān)SW1，觀察時(shí)間顯示周期的變化。

將開(kāi)關(guān)SW3切換至下觸點(diǎn)，輸入低電平，系統(tǒng)為手動(dòng)控制(手動(dòng)指示燈D7亮)。這時(shí)切換開(kāi)關(guān)SW2，可手動(dòng)控制東西方向和南北方向兩組信號(hào)燈的切換，同時(shí)黃燈熄滅，時(shí)間牌顯示為零。

4)仿真說(shuō)明

(1)設(shè)計(jì)總體電路時(shí)，CP1、CP2分別用1Hz、2Hz時(shí)鐘源代替，這樣可簡(jiǎn)化總體電路設(shè)計(jì)，在觀測(cè)仿真結(jié)果時(shí)可迅速看出信號(hào)燈的交替和時(shí)間牌的顯示。

(2)設(shè)計(jì)總體電路時(shí)，數(shù)碼顯示直接調(diào)用元器件庫(kù)中的8421BCD數(shù)碼管即可，若選用七段或八段數(shù)碼管，還需要附加驅(qū)動(dòng)電路。

(3)設(shè)計(jì)總體電路時(shí)，采用總線連接，使設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單、美觀。

(4)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使流過(guò)發(fā)光二極管的電流大一些，則發(fā)光管發(fā)光時(shí)更亮一些，也即使上拉電阻的阻值小一些。6.5.2多路搶答器的設(shè)計(jì)

多路搶答器在各種競(jìng)賽場(chǎng)合、電視臺(tái)的娛樂(lè)節(jié)目中得到了廣泛應(yīng)用，它能根據(jù)參賽選手的請(qǐng)求，很好的區(qū)分選手搶答的先后順序并顯示選手的編號(hào)。

1．設(shè)計(jì)要求

(1)多路搶答器電路可供不少于8名參賽選手使用。

(2)每名參賽選手各有一個(gè)搶答按鈕，在主持人用按鈕清零并發(fā)出搶答指令后，可實(shí)行搶答。

(3)電路配有LED數(shù)碼顯示，能顯示優(yōu)先搶答的選手編號(hào)，并用發(fā)光二極管指示參賽選手的編號(hào)，同時(shí)配有語(yǔ)音提示電路。數(shù)碼顯示和語(yǔ)音提示可由主持人用清除按鈕解除。

(4)電路對(duì)參賽選手的動(dòng)作先后有較強(qiáng)的分辨能力。如分辨率在15ms以內(nèi)。

2．多路搶答器的工作原理

分析多路搶答器的設(shè)計(jì)要求，電路實(shí)現(xiàn)可采用單片機(jī)控制方式、PLC控制方式，也可采用數(shù)字電路控制方式。本處選用數(shù)字控制方式，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按單元電路分析多路搶答器的工作原理。

多路搶答器需實(shí)現(xiàn)選手的按鍵搶答功能。其應(yīng)有開(kāi)關(guān)輸入電路，且開(kāi)關(guān)應(yīng)選用瞬態(tài)開(kāi)關(guān)，以備下次繼續(xù)搶答。為使電路能顯示參賽選手的編號(hào)，電路應(yīng)能區(qū)分每個(gè)選手的輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)?？蛇x用編碼器電路實(shí)現(xiàn)，并配備LED數(shù)碼顯示電路。

為使電路具有搶答功能，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)封鎖電路，一旦檢測(cè)到有按鍵輸入，立即將其它各路輸入封鎖。

為使電路的數(shù)碼顯示和語(yǔ)音提示可由主持人用清除按鈕解除，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)清除電路，為下一次搶答做準(zhǔn)備。

考慮到系統(tǒng)采用數(shù)字控制方式，其控制器為時(shí)序電路，因此系統(tǒng)應(yīng)有時(shí)鐘發(fā)生電路，以產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的頻率可根據(jù)系統(tǒng)的分辨率確定。電路還需要語(yǔ)音提示電路和信號(hào)指示電路。

按以上分析，可設(shè)計(jì)多路搶答器的原理框圖。多路搶答器的原理框圖如圖6-65所示。圖6-65多路搶答器的原理框圖圖6-66多路搶答器的控制電路模塊在圖6-65中，控制電路用來(lái)接收搶答輸入信號(hào)并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及語(yǔ)音提示信號(hào)；搶答輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)編碼電路編碼后，變成對(duì)應(yīng)的代碼，經(jīng)數(shù)碼顯示電路顯示出來(lái)；封鎖電路通過(guò)檢測(cè)搶答輸入信號(hào)，將其它輸入信號(hào)封鎖，同時(shí)封鎖編碼電路，以防止編碼顯示其它輸入信號(hào)；信號(hào)解除電路由主持人通過(guò)解除按鈕，將數(shù)碼顯示清零并將顯示的指示燈熄滅；語(yǔ)音提示電路對(duì)所有的搶答輸入均起作用，一旦有搶答輸入，語(yǔ)音提示電路便通過(guò)喇叭發(fā)出一定頻率的聲音；信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制電路的輸出產(chǎn)生對(duì)應(yīng)搶答開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3．單元電路設(shè)計(jì)

Proteus環(huán)境中設(shè)計(jì)的多路搶答器，包括單元電路設(shè)計(jì)和總體電路設(shè)計(jì)。單元電路包括控制電路、封鎖電路、編碼電路、語(yǔ)音提示控制電路和指示燈驅(qū)動(dòng)電路等部分；待單元電路設(shè)計(jì)完成以后，將單元電路封裝連接可得到總體電路；再經(jīng)調(diào)試、仿真可得到多路搶答器。

1)控制電路設(shè)計(jì)

考慮到當(dāng)有參賽選手按鍵輸入以后，多路搶答器要通過(guò)對(duì)應(yīng)的指示燈顯示，而且要保留顯示狀態(tài)，直到主持人清除為止，另外還要將其他選手的輸入信號(hào)封鎖，所以，系統(tǒng)的控制電路選用觸發(fā)器即可完成上述功能。多路搶答器的控制電路模塊如圖6-66所示，對(duì)應(yīng)的控制電路如圖6-67所示。圖6-67多路搶答器的控制電路

觸發(fā)器的CLK信號(hào)接封鎖電路的輸出，當(dāng)搶答器有選手搶答輸入以后，封鎖電路立即將系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖封鎖，此時(shí)觸發(fā)器的CLK信號(hào)輸入端無(wú)時(shí)鐘輸入，從而實(shí)現(xiàn)了封鎖功能。控制電路的引腳功能如表6-13所示。

表6-13控制電路的引腳功能表

2)封鎖電路

封鎖電路的功能是在有某路搶答輸入時(shí)，將其它路的搶答輸入信號(hào)封鎖。搶答器封鎖電路模塊如圖6-68所示，對(duì)應(yīng)的封鎖電路如圖6-69所示。圖6-68搶答器封鎖電路模塊圖6-69搶答器封鎖電路由圖6-69可知，封鎖電路采用與門(mén)電路構(gòu)成，一旦有搶答輸入，則I1～I(xiàn)8這8個(gè)信號(hào)中，有1個(gè)為低電平，電路最后的與非門(mén)輸入為低電平，將時(shí)鐘信號(hào)CP封鎖，則封鎖電路的輸出CLK始終為高電平，這樣就封鎖了控制電路的時(shí)鐘輸入，使其它搶答信號(hào)無(wú)法進(jìn)入。封鎖電路的引腳功能如表6-14所示。

表6-14封鎖電路的引腳功能表

3)編碼電路

編碼電路選用優(yōu)先編碼器74LS147，可滿足8路搶答信號(hào)的編碼要求。其輸出為反碼，經(jīng)反相器反相后為原碼輸出，最后接數(shù)碼管顯示。編碼電路模塊如圖6-70所示，編碼電路如圖6-71所示，編碼器74LS147的功能如表6-15所示，編碼電路的封裝模塊引腳功能如表6-16所示。

圖6-70編碼電路模塊

圖6-71編碼電路

表6-1574LS147的功能表表6-16編碼電路的封裝模塊引腳功能表4)報(bào)警譯碼電路

報(bào)警譯碼電路由門(mén)電路構(gòu)成，電路的功能是將搶答輸入的信號(hào)變成報(bào)警信號(hào)。報(bào)警譯碼電路模塊如圖6-72所示。報(bào)警譯碼電路如圖6-73所示，其引腳功能如表6-17所示。

圖6-72報(bào)警譯碼電路模塊

圖6-73報(bào)警譯碼電路一旦有搶答輸入，電路的I1～I(xiàn)8這8個(gè)輸入信號(hào)中，只要有一個(gè)為低電平，則輸出信號(hào)ALARM為低電平，該信號(hào)