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基于Multisim多路抢答器的设计


开题报告名称:基于 Multisim 多路抢答 器的设计 班级: 姓名: 学号: 指导老师: 09 电子信息工程本 2 班 苏世学 200940210234 桂静宜

1、课题来源
随着计算机技术的发展和电路仿真软件的不断出现, 电路仿真技术愈来愈受到 人们的重视, 很多学校已将电路仿真技术作为教学内容。 Multisim8 是在 EWB 的基 础

上发展起来的专业仿真软件,可真实地仿真分析实际电路的工作,是电子线路仿 真实验的理想工具。 从事电子设计与开发等工作的人员, 经常需要对所涉及的电路进行实物模拟和 调试。其目的在于,一方面是为了验证所涉及的电路是否能达到设计要求的技术指 标,另一方面通过改变电路中元器件的参数,使整个电路的性能达到最佳状态。而 这种实物模拟和调试的方法,不但费时费工,而且其结果的准确性受到实验条件, 实验环境,实物制作水平等因素的影响。为了克服这些困难,IIT 公司于 20 世纪 80 年代末 90 年代初推出了专门用于电子线路仿真的 EWB 软件,为了满足新的电 子线路的仿真与设计要求,IIT 公司从 EWB6.0 版本开始,将用于电子级仿真与设 计的模块更名为 Multisim,在保留了 EWB 形象直观等优点的基础上,大大增强了 软件的仿真测试和分析功能[1]。

2、研究目的和意义
本章首先给出了电路系统综合设计的基础知识, 包括电路系统综合设计的一般 方法、设计步骤以及系统综合设计应注意的问题;接着以抢答器系统为例,通过分 析多路抢答系统的设计要求,按照综合系统设计的一般方法和步骤,先进行系统的 方案设计,再进行原理电路的设计,包括总体路设计,包括总体电路设计和单元电 路设计,给出了总体电路结构图和单元电路图;最后用 Multisim 对所设计的电路 进行仿真分析,给出了复杂电路系统仿真分析的一般方法和步骤。 其次对抢答器系统的 Multisim 仿真进行探讨,研究了 Multisim 系统的特点、 优势以及 Multisim 使用的基本原理,在系统设计与实现中,重点对 Multisim 在多 路抢答系统的设计中的应用做了详细的分析,同时对 Multisim 在电路仿真设计中 的功能进行了介绍。 最后,对系统的性能进行了可行性分析论证。

3、国内外研究现状和发展趋势综述
抢答器,在竞赛、文体娱乐活动(抢答活动)中,能准确、公正、直观地 判断出抢答者的机器。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手 段指示出第一抢答者。一般抢答器由单片机以及外围电路组成,分为六路八 路十路等不同,其差别是抢答器背面的接口组数的不同,和外形没有关系 。
4、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案

1、电路综合设计的一般方法 要设计一个电子电路系统,首先要明确设计任务,深入了解系统功能、技术 指标和使用条件等, 从而确定设计思想和设计方法。下面介绍电子电路系统设计 的一般方法。 (1)方案论证和方案设计:设计者针对设计任务、要求和条件,通过调查 研究和查阅资料拟定出几种设计方案,画出每种方案的原理框图,然后逐个分析 每个方案的优缺点,并加以比较,择优选用。 (2)设计系统的硬件电路和软件程序:按总体方案设计硬件电路,首先画 出电路的功能组成框图,明确各功能单元电路要求;然后设计各单元电路(包括 电路的拓扑结构、元器件参数及型号等) ,设计好单元电路后,画出总体电路图, 总体电路图是调试和维修的依据;最后,根据总体电路图,设计电路的 PCB,在 设计 PCB 时, 要注意元器件的布局和走线要求,系统输入和输出接口的安排和强 电与弱电的隔离等。
(3)安装调试:安装和调试包括硬件调试、软件调试和软硬件联调。在进行硬件调试 时,不要急于触电,要反复检查,在确定电路元器件、连线、直流供电等无误后再通电;软 件调试要先进行单元程序调试,后进行总体程序调试,一般要经过调试、修改、和再调试的 过程;软硬件联调将调试好的软件在通过仿真器看系统是否满足功能要求,若存在偏差,先 确定是软件的问题还是硬件的问题,再分别进行调试直至满足功能要求。

2、系统综合设计步骤 2.1 确定电子线路的总体方案
认真分析和研究课题的任务、要求和条件,查阅相关资料,利用有关的理论知识进行方 案的构思,提出实现课题的原理和方法。对构思的多个方案进行分析比较和可行性论证,最 后选取合理的方案。

2.2 电子电路系统的硬件电路设计

(1)单元电路设计 首先, 结合现有的条件将系统的原理方案框图具体化。系统原理框图只考虑 从原理上如何实现任务要求, 其中每一部分只是原理功能的描述,其实现方法是 多种多样的。因此,要结合设计者的知识储备和现有的器件条件,将原理框图具 体化。也就是说,确定用什么器件(通用集成电路、专用集成电路、PLD 和单片 机等)和电路(各种运算电路、比较电路、波形发生电路、VCO、编码器、译码 器、数据选择器、计数器、寄存器、存储器、A/D、D/A 电路等)实现原理框 图中的各部分功能,为设计单元电路做准备。 接着进行单元电路设计。 根据方案要求,将任务要求和技术指标等进行分解 和分配明确对各单元电路的要求,详细拟订各单元电路的性能指标,并注意各单 元电路的输入信号、输出信号和控制信号之间的关系与相互配合[3]。 电路设计的工作主要是选择或设计单元电路的结构形式, 确定元器件的参数 及型号等。 在选择单元电路的结构形式时,首选的方法是从已学过的或从文献资 料中寻找合适的电路形式,修改部分元器件参数,这一般能满足要求。需要自己 设计的电路一般是各功能单元之间的接口电路、 保证集成电路正常工作的外围电 路和不适合集成电路完成的功能电路(如高电压、大电流、大功率电路等) 。有 了电路的拓扑结构,就可以根据电路理论计算各元器件的参数,设计时,一般要 选用 EDA(如 Multisim 仿真软件)工具对电路性能进行仿真分析。确定元器件 参数后,经优化选择分析,选择元器件的型号。经过比较分析,综合考虑择优选 择[4]。 (2)总体电路原理图设计。 总体电路原理图是准备元器件,是进行 PCB(印刷电路板)设计、电路安装 和调试的依据,是最重要的设计文件之一.必须正确、规范。画总体电路原理图 有助于找出设计中存在的问题, 尤其是各单元之间的连接问题。画原理图时要注 意合理布局,排列均匀,横平竖直,连线清晰。 原理图设计完成之后要进行一次认真、全面的审核。因为在设计过程中有些 问题难免考虑不周,甚至出错,且在设计时对各单元电路实现的功能考虑较多, 前后电路的配合可能放在次要的位置。审核的主要内容如下: ①级间电气性能是否匹配,如阻抗、线性范围、负载能力和电平等。

②时序是否能配合。尤其对时序电路,各信号之间有确定的时序关系,当时序 配合不当时,系统将无法正常工作。
③信号耦合方式是否合理,如阻容耦合、直接耦合、光电耦会和变压器耦合等。

2.3 系统综合设计应注意的问题 一般而言, 所设计的电路系统最终要应用于电子产品,要经受市场和实际应 用的考验, 电子产品的性能和可靠性在很大程度上取决于内部电路的性能和可靠 性。因此,在设计电路时,除了满足性能指标的要求外,还必须采取措施提高电 路的稳定性和可靠性,考虑实际应用中的一些问题。 (1)工作稳定可靠。 首先,所用的电路在原理上要正确,不能有大的欠缺。有条件的话需通过仿 真来验证。 其次,要采取切实可行的办法提高电路的稳定性。例如,采取适当的方法, 对所设计的电路进行优化,减少器件的种类、数量和型号等;必要时设计一些辅 助电路,如温度补偿电路和过压过流保护电路,以使产品稳定可靠[5]。 最后, 根据元器件在电路中的作用和对电路性能的影响程度,合理选择元器 件。既要深入了解电路的工作原理,又要熟悉元器件的特性和参数(如容差、稳 定性、使用条件和体积大小等) 。 (2)电路简单、合理。 , 在设计电路时,在满足性能指标的前提下,力求电路简单,合理实用,技术 先进,切忌导电路复杂,过分追求使用高档次、贵重器件。一般来说,在用分立 元件和集成电路都能实现所要求的功能时,优先使用集成电路路。 (3)采用标准接口 采用国际标准接口易于实现各种仪器设备的控制、数据传输和通信,便于功 能扩展。 (4)安装、调试、维修方便 为达到这个要求,设计时应采用模块化结构、总线结构和标准接口,同时电 路的元器件的品种和数量尽可能地少[6]。
5、多路抢答器的设计

5.1 多路抢答器的作用

多路抢答器在各种竞赛场合, 电视娱乐节目中得到广泛应用。 它能根据参赛选手的请求, 很好的区分选手的先后顺序`并显示选手的编号。

5.2 对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,也可采用数 字电路控制方式。考虑到 Multisim 进行仿真设计,本系统电路选用数字控制方 式。并根据设计要求,按单元电路分析电路的工作原理。 多路抢答器实现选手的按键抢答功能,电路应有开关输入电路,且开关应选 用瞬态开关,以备下次继续抢答。 电路能显示参赛选手的序号,因此电路应能区分每个选手的输入开关序号, 可选用编码器电路实现,并配备 LED 数码显示电路。 电路具有强答功能,因此系统应设计封锁电路,一旦检测到有按键输入,立 即将其他各路输入封锁。 电路数码显示和语音提示可有主持人用轻触按钮解除, 因此系统应设计清除 电路,为下一次强大做准备。 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只是电路。 按以上分析,可设计多路抢答器的原理框图如图 1 所示。

图 1 多路抢答器的原理框图

如图 1 所示, 控制电路接收抢答输入信号, 产生对应的信号灯驱动信号以及声音提示信 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,将其他输入信号封锁,同时封锁编码电路,以防止编码显 示其他输入信号。 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现实的指示灯 熄灭。声音提示电路对所有的抢答输入均起作用,一旦有抢答输入,声音提示电路通过喇叭 发出一定频率的声音。信号灯驱动电路根据控制电路的输入产生对应抢答开关的驱动信号
[7]



5.3 基于 Multisim 的多路抢答器的设计与仿真
在 Multisim 环境中设计多路抢答器,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,报警电路和指示灯驱动电路等部分。待单元电路设计完 成以后,将单元电路封锁连接可得总体电路。

5.3.1 单元电路设计 (1)控制电路设计 考虑到参赛选手有按键输入以后,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可完成以上功能,控制电路如图 3.2 所示。

图 2 控制电路

如图 2 所示电路共选用 8 个 D 触发器,其 8 个输入端可供 8 个参赛选手使 用。电路信号连接采用总线方式。触发器的异步输入信号 1PR 设为高电平,使 该信号输入无效;异步输入信号 1CLR 接清除按键的输出信号,当主持人按清除 按键时,1CLR 为低电平,使输出清零。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,实现了封锁功能。控制电路经封装以后,可 得到封装模块,如图 3 所示。

图 3 控制电路封装图 表 3.1 控制电路的封装模块引脚功能表

5.3.2 封锁电路 封锁电路的功能是在有抢答输入的情况下,将其他的抢答输入信号封锁。封 锁电路如图 4 所示。

图.4 封锁电路

如图.4 所示的封锁电路采用与门电路构成,一旦有抢答输入,则 1A---2H 这 8 个信号中, 1 个为低电平, 有 电路最后的非门输入为低电平, 将时钟信号 CLOCK 封锁, 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, 是其他的抢答信号无法进入。 该电路的封装模块如图 5 所示,其对应的引脚功能 如表 2 所示。

图.5 封锁电路的封装模块

表.2 封锁电路的封装模块引脚功能表

5.3.2 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 出为反变量,经反相器反相后接数码管显示。编码电路如图 6 所示,编码器 74LS147 的功能表如表 3.3 所示,编码电路的封装模块如图 7 所示,其引脚功能

如表 3 所示。

图 6 编码电路

图 7 编码电路的封装模块

表 3 74LS147 的功能表

表 4 编码电路的封装模块引脚功能表

5.3.3 报警驱动电路 报警驱动电路又门电路构成,电路的功能是将抢答输入的信号变成报警信 号。报警信号驱动电路图如图 8 所示,报警电路的封装模块如图 9 所示,其引脚 功能如表 5 所示。

图 8 抢答器报警电路

图 9 报警驱动电路的封装模块

表.5 报警驱动电路的封装模块引脚功能表

一旦有抢答输入,在电路中,IA~IH 这 8 个输入信号有一个为低电平,则输出信号 CLARM 为高电平,该信号可作为报警驱动信号[8]。

5.3.4 显示驱动电路。 显示驱动电路的功能是将控制电路的输出转换为指示灯驱动信号。电路由 8 个反相器构成,一旦有抢答输入,则控制电路的对应输出为低电平,经反相器以 后变为高电乎,驱动对应的指示灯发光。显示驱动电路如图 10 所示,显示驱动

电路的封装模块如图 11 所示。

图 10 显示驱动电路

图 11 显示驱动电路的封装模块

6、预期达到的目标及进度安排
通过设计,能够实现各项功能指标,使设计更符合实际需要。本课题的研究大约 需要 5 个月时间,具体过程安排如下: 1) 熟悉设计题目及要求 2) 查阅资料,构建系统的整体设计思路,完成开题报告及译文 3) 毕业设计格式的框定,与需要的数据程序语言进行选择 4) 仿真模型的系统搭建,及进行仿真验证 5) 进行各个电路部分的设计介绍 6) 整体论文整编 7) 撰写报告书,处理相关的细节问题 8) 答辩

7、阅读的主要文献、资料
[1] 李卫平.智能交通技术应用[M].北京:人民交通出版社,2006:13-14. [2] 郑步生,吴渭.Multisim 8 电路设计及仿真入门与应用[M].北京:电子工业出版 社,2006 [3] 郭兵.电子设计自动化(EDA)技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2003 [4] 李新平,郭勇.电子设计自动化技术[M].北京:高等教育出版社,2002. [5] 胡丛玮, 陈武, 赵志弘, 李志林.基于 Multisim 8 案例分析方法[J].同济大学学报, 2006:112-120. [6] 沙志刚,齐文章. Multisim 软件应用实例 [M].北京:测绘出版社,2006:45-56.

[7] 王世元,沙志刚,Multisim 8 规范教程[M].北京:地质出版社,1999:55-58. [8] 王爱朝. Multisim 软件的理论研究[M].武汉测绘科技大学,1995:90-98. [9] 谢世富. Multisim 8 扩展技术[M].南京:复旦大学出版社,1997:63-69. [10] 刘大杰,施一民.单片机原理 [M].上海同济大学出版社,1996. [11] 刘基余,李征航.智能管理系统原理及应用[M].北京测绘出版社,1993. [12] 徐绍铨,张华海,杨志强.传感器原理及应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出 版社,1998. [13] Hofmann,Wellenhof,H.Lichtenegger,J.Collms. Theory and Practice.New York: Springer Wien,1999:14-16. [14] Hem.Integrated Processing of Multisim,1998:27.

育出版社. 1998 [10] 杜玉远.基于 top-down 方法的数字频率计的设计与实现[J].电子世界, 2004,5 [11] 邱关源 电路 高等教育出版社 ,2006 [12] 季建华. 智能仪表原理. 山东教育出版社. 2004. [13] AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec [14] R. Dye, “Visual Object-Orientated Programming,” Dr. Dobbs MacintoshJournal, Sept. 1st ( 1991).

[15] Acan B.Grebene.Bipolar and Mos analog integrate circuit design.New York,1984


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