數(shù)字跑表的Multisim模塊設(shè)計(jì)與仿真

吳玉新 曹玉萍

1.山東女子學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250300

2.齊魯工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,山東 濟(jì)南 250300

引言

數(shù)字跑表是一種采用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)“分”、“秒”、“百分秒”數(shù)字顯示的現(xiàn)代計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械式秒表相比，它具有精度高、顯示直觀、可靠性強(qiáng)、無(wú)機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)[1]，因而廣泛應(yīng)用于日常生活、工作、體育運(yùn)動(dòng)等方面。目前，數(shù)字跑表的功能越來(lái)越強(qiáng)大，其組成也由過(guò)去的純硬件逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的單片機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）等可編程器件[2]。筆者在數(shù)字電路教學(xué)中主要采用計(jì)數(shù)器等中規(guī)模集成電路來(lái)組成數(shù)字跑表，由于所用集成器件多而導(dǎo)致總體電路結(jié)構(gòu)不清晰，連線雜亂導(dǎo)致電路調(diào)試和閱讀不方便。基于Multisim仿真軟件的層次塊功能[1]，本文采用模塊設(shè)計(jì)法，將數(shù)字跑表各單元電路設(shè)計(jì)成模塊電路，再將各模塊連線成總電路[2]，不僅使其結(jié)構(gòu)變得清晰明了，而且各模塊間的連線也變得簡(jiǎn)潔，既美觀又便于閱讀；與此同時(shí)，由于各模塊電路自成一體，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真，不僅提高了調(diào)試和仿真效率，還有助于團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作設(shè)計(jì)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力具有十分重要的意義。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

（1）能數(shù)字顯示百分秒、秒、分鐘，最大計(jì)時(shí)為59分59.99秒；

（2）具有暫停/繼續(xù)功能；

（3）具有清零/啟動(dòng)功能。

2 系統(tǒng)框圖

數(shù)字跑表由百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊、分、秒、百分秒計(jì)數(shù)模塊、顯示部分和控制部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，百分秒信號(hào)由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器[3]產(chǎn)生；百分秒是100進(jìn)制，故由100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成，而秒和分都是60進(jìn)制，由60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成；顯示部分由6個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成，分別顯示分、秒和百分秒；控制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)、清零/啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能。

圖1 數(shù)字跑表的系統(tǒng)框圖

3 各單元電路的設(shè)計(jì)

3.1 百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊

振蕩器用來(lái)產(chǎn)生百分秒信號(hào)，是數(shù)字跑表計(jì)時(shí)的核心，其頻率精度和穩(wěn)定度決定了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度，通常選用石英晶體振蕩器，若計(jì)時(shí)精度要求不高，可采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器[3]。本文采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生百分秒信號(hào)。

圖2 百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊

圖3 百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊內(nèi)部電路圖

在設(shè)計(jì)百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊電路時(shí)，可設(shè)置0個(gè)輸入端和1個(gè)輸出端，如圖2所示。雙擊百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊，在彈出的窗口中點(diǎn)擊編輯 HB/SC[1]就可對(duì)該模塊進(jìn)行內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。根據(jù)555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的周期公式T≈ln2(R1+2R2)C[3]，可知，若T=0.01s，若令C=1μF，R2=4kΩ，則R1=6.4kΩ，取一個(gè)固定電阻5 kΩ與一個(gè)可調(diào)電阻2 kΩ串聯(lián)代替電阻R1。

在仿真調(diào)試電路時(shí)，用虛擬示波器來(lái)觀測(cè)百分秒信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使其周期為0.01s，如圖4所示。

圖4 百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊仿真結(jié)果

3.2 分、秒、百分秒計(jì)數(shù)模塊

分和秒都采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而百分秒采用100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它們都有8個(gè)BCD碼輸出，1個(gè)進(jìn)位輸出，1個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入，1個(gè)清零端輸入。在設(shè)計(jì)分、秒、百分秒計(jì)數(shù)模塊電路時(shí)，都設(shè)置2個(gè)輸入端和9個(gè)輸出端。

60進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊和100進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊都選用中規(guī)模集成電路74LS160[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中100進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊由兩級(jí)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，通過(guò)2片74LS160直接級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，U16是個(gè)位計(jì)數(shù)器，其輸出RCO作為十位計(jì)數(shù)器U17的進(jìn)位信號(hào)，兩者級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了100進(jìn)制計(jì)數(shù)。

圖5 100進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊內(nèi)部電路圖

而60進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊則是由一級(jí)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成，通過(guò)2片74LS160串接實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，U5為個(gè)位計(jì)數(shù)器，其輸出RCO作為十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)，采用反饋置數(shù)法[5]將U7和與非門(mén)組成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，兩者串聯(lián)實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制計(jì)數(shù)。

圖6 60進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊內(nèi)部電路圖

在調(diào)試計(jì)數(shù)模塊時(shí)，為了加快仿真速度，將虛擬的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器連接到計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)輸入端I01，并盡量調(diào)高矩形波信號(hào)的頻率，如1000Hz，再將清零輸入端I02接高電平，輸出端I03～I(xiàn)010連接到兩個(gè)4輸入數(shù)碼管上，構(gòu)成計(jì)數(shù)模塊仿真電路。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，100進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，調(diào)試結(jié)果可參見(jiàn)圖7。

3.3 顯示部分

顯示部分采用6個(gè)7段顯示數(shù)碼管，2個(gè)一組，分別顯示分、秒和百分秒的個(gè)位數(shù)和十位數(shù)，若用74LS48譯碼器，則對(duì)應(yīng)的是共陰極7段顯示數(shù)碼管[6]。本文采用4輸入的BCD解碼的7段顯示數(shù)碼管[7]，如圖7所示，最大可以顯示59分59.99秒。

3.4 控制部分

控制部分主要由2個(gè)單刀開(kāi)關(guān)和1個(gè)電阻構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)、清零/啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能，如圖7所示。其中開(kāi)關(guān)J1若斷開(kāi)，則百分秒計(jì)數(shù)模塊無(wú)時(shí)鐘信號(hào)輸入，數(shù)字跑表暫停計(jì)時(shí)，而J1閉合后，時(shí)鐘信號(hào)重新輸入，數(shù)字跑表繼續(xù)計(jì)時(shí)；其中開(kāi)關(guān)J2若閉合，相當(dāng)于分、秒、百分秒計(jì)數(shù)模塊的清零端接地有效，則數(shù)字跑表的6個(gè)數(shù)碼管全部清零，而J2斷開(kāi)，計(jì)數(shù)模塊清零端無(wú)效，則數(shù)字跑表重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)。

仿真調(diào)試控制部分時(shí)，可在上述計(jì)數(shù)模塊仿真電路的基礎(chǔ)上添加開(kāi)關(guān)和電阻即可組成仿真電路，在仿真過(guò)程中，斷開(kāi)或閉合開(kāi)關(guān)J1，看是否實(shí)現(xiàn)了數(shù)字跑表的暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)功能，斷開(kāi)或閉合開(kāi)關(guān)J2，是否實(shí)現(xiàn)了數(shù)字跑表的清零/啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能，仿真結(jié)果表明控制部分符合數(shù)字跑表的設(shè)計(jì)要求。

4 總電路的仿真調(diào)試

上述各單元電路功能仿真調(diào)試成功后，即可將各模塊連線成總電路：先將虛擬的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器接入百分秒計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘輸入端；再將百分秒、秒和分計(jì)數(shù)模塊級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)百分秒、秒、分的依次進(jìn)位；然后將各計(jì)數(shù)模塊的輸出信號(hào)分別接至6個(gè)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)分、秒和百分秒的數(shù)字顯示；最后將控制部分接好，以實(shí)現(xiàn)暫停和清零功能，這樣就構(gòu)成了數(shù)字跑表的整體電路，如圖7所示。這里需要說(shuō)明的是，在總電路仿真調(diào)試時(shí)，先用虛擬的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器代替百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊，以加快仿真速度，在總電路調(diào)試成功后再將百分秒信號(hào)產(chǎn)生模塊接入即可。總電路連好線后，運(yùn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明滿足數(shù)字跑表的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 數(shù)字跑表總電路調(diào)試仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用Multisim的層次塊功能，對(duì)數(shù)字跑表進(jìn)行了模塊設(shè)計(jì)，并較好地完成了該電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。數(shù)字跑表的模塊設(shè)計(jì)，不僅使總電路結(jié)構(gòu)清晰化，連線美觀化，而且有效地提高了電路的設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試效率。在數(shù)字電子技術(shù)及數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)中都涉及較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，而模塊設(shè)計(jì)法巧妙地將看似復(fù)雜的總設(shè)計(jì)任務(wù)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的子任務(wù)，減弱了學(xué)生初次面對(duì)數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)時(shí)的畏懼心理。同時(shí)，由于模塊電路可獨(dú)立設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真，還便于團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作設(shè)計(jì)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也具有重要的意義。

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