基于Multisim10的电子摇号器设计与仿真

赵家松，黄荣华，严伟榆

（1.云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学 农村政策发展研究中心，云南 昆明 650201）

随着电子信息产业的飞速发展，电子设计已进入电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）时代。 EDA 技术涉及电路设计、电路仿真和系统分析3方面内容，其设计过程大部分工作都是由计算机完成的。这种先进的方法已成为当前学习电子技术的重要辅助手段，更代表着现代电子系统设计的时代潮流[1]。掌握EDA技术首先得学习和运用EDA软件。 目前， 常用的 EDA软件有 Pspice，MaxplusⅡ，Protel，Orcad和Multisim。利用这些软件对电子电路进行仿真设计，不消耗实际的元器件，电路修改调试方便，提高了电子电路设计的效率，缩短了产品开发的周期。

Multisim10软件的前身是加拿大图像交互技术（Interactive Image Technologies，IIT）公司推出的电子工作台（Electronics Workbench，EWB） 软件，2005 年美国国家仪器（National Instruments，NI） 公司收购加拿大 IIT 公司，2007年美国NI公司推出的NI Circuit Design Suit 10软件，Multisim10是其中的一个重要组成部分。该软件具有以下特点：直观的图形界面、庞大的元器件库、丰富的测试仪器、完备的分析工具、强大的仿真能力，广泛应用于电子电路的教学[2-3]、设计[4-5]和科研[6]中 。

1 设计要求与任务分析

1.1 设计要求

设计一个电子摇号器，要求：通过一个按键开关随机抽取0到9中的一个数字。

1.2 任务分析

根据任务要求，数字0到9可由十进制计数器状态输出获取，经译码后用七段数码管直观地显示数字。由于计数器状态输出是周期性变化的，因此，数字0到9均等地出现。计数脉冲由多谐振荡器产生，其频率可设定为10 kHz。在确定初态的情况下，按键频率要达到10 kHz才能预知下一状态。操作人员是远远达不到如此高的按键频率，这样就保证了摇号的公正性。2个开关（用变量J1和J2表示）控制摇号器的工作状态，变量取值为0、1分别表示开关断开和闭合。电子摇号器的功能如表1所示。

表1 电子摇号器功能Tab.1 Function of electronic numerical selection generator

根据上述任务分析与功能表，确定设计方案，整个电路由开关控制电路等5个模块组成，如图1所示。

图1 电子摇号器原理框图Fig.1 Schematic diagram of electronic numerical selection generator

2 电路设计与仿真

2.1 开关控制电路设计

由表1所示电路功能，开关J1用于控制十进制计数器置数和计数，则J1与十进制计数器的置数控制端LOAD相连。初始状态J1断开，计数器的置数控制端LOAD=0，使得计数器工作于置数状态；J1闭合，计数器的置数控制端LOAD=1，使得计数器工作于计数状态，其输出循环产生0～9。J2用于摇号操作，可与寄存器时钟控制端CLK相连。为方便用键盘进行摇号，设置开关J2的控制键为“空格”键，即Key=Space。如此，每按一下“空格”键，寄存器时钟控制端CLK处就产生一个上升沿脉冲。开关控制电路如图2所示。

图2 开关控制电路Fig.2 Circuit of switch control

2.2 振荡电路设计

振荡电路用于产生计数器所需的时钟脉冲信号。由于精度要求不高，时钟脉冲可由555定时器与RC组成的多谐振荡器产生[7]，如图3所示，其振荡频率取R3=1.3 kΩ，R4=6.5 kΩ，C3=10 nF，在图 3中输出端 OUT 处接入虚拟示波器测量输出时钟信号的频率，有f理论≈f实测≈10 kHz。如前分析，10 kHz时钟脉冲可保证摇号的公正性。

图3 时钟脉冲发生器Fig.3 Clock pulse generator

2.3 计数与寄存器设计

选用集成十进制同步加法计数器74LS160及4D边沿触发器74LS175构成计数及寄存器。由于数字0也是摇号备选号码，则计数器74LS160及寄存器74LS175皆不能作清零操作，以避免数字0出现次数过多，影响摇号的随机性。因此，计数器74LS160及寄存器74LS175的清零控制端无效，即CLR=1。 74LS160的置数输入端 A＝B＝C＝D＝1， 状态输出端QA～QD分别接74LS175的输入端1D～4D。

2.4 译码显示电路设计

为直观地观察摇号结果，采用共阴极七段数码管作为显示器。译码电路采用74LS48，其输入端A～D接寄存器74LS175的输出端1Q～4Q；七路输出都接同样大小的限流电阻R，译码显示电路如图4所示。双击数码管U5，查看其参数，On Current（Ion）=5 mA，Forward Voltage Drop（Vf）=1.66 V，则限流电阻

图4 译码显示电路Fig.4 Decoder and display circuit

2.5 总体电路设计与仿真

在Muhisim10主界面内，将上述各单元电路组合起来，按各自对应的关系相互连接构成电子摇号器仿真电路，如图5所示。为使总体电路布线清晰、简单明了，采用层次电路设计方法，执行Place/Hierarchical Block from File命令，由存盘位置找到图3电路文件10 kHz时钟脉冲后打开，即是图5中的层次块电路X1。

2.5.1 电路功能仿真

图5 电子摇号器仿真电路Fig.5 Simulation circuit of electronic numerical selection

点击Multisim10软件的 “Simulate／Run”按钮或直接按“F5”键，便可以进行电子摇号器的仿真。设2个开关初始状态均为断开，电路功能测试如下：

1）灭灯 开关J1断开，74LS160置数端有效，输出QA QB QC QD=1111，送入74LS175的输入端，即有1D2D3D4D=1111。按下开关J2，74LS175的时钟控制端CLK产生一个上升沿脉冲，其输出1Q2Q3Q4Q=1111，使 74LS48的七路输出全为0，则七段数码管U5显示为灭灯状态。

2）保持 开关J1闭合，74LS160工作于计数状态。J2断开，74LS175的时钟控制端CLK=0，输出保持，则七段数码管U5显示状态也保持。

3）摇号 开关J1闭合，74LS160工作于计数状态。按下开关J2，74LS175的时钟控制端CLK产生一个上升沿脉冲，其输出1Q～4Q为该时刻计数器的输出QA～QD，通过74LS48译码后，七段数码管U5显示相应的十进制数作为摇号的结果。由于计数器时钟CLK频率为10 kHz，则摇号输出是随机的。

2.5.2 摇号随机性测试

按上述方法进行摇号仿真，每产生100个数码作为1组数据，统计产生的数码0～9的次数。重复10次操作，产生10组数据，对其平均后，作出产生数码次数的柱状图，如图6所示。

图6 数码次数Fig.6 Times of numeral

如图6所示，电子摇号器仿真产生的数码次数近似服从均匀分布。每按下一次开关J2，将随机产生0到9之间的一个数码，结果是无法预知的。

2.5.3 电子摇号器功能扩展

1）摇号备选数码为0～N-1共N个时。当N<10时，直接采用归零法修改十进制计数器为N进制计数器，其他电路模块不变，就可实现通过按键开关J2在0～N-1中选取数码的功能。当N>10时，首先得扩展计数容量，再采用归零法设计N进制计数器，并扩充相应的寄存器及译码显示电路，方可实现通过按键开关J2在0～N-1中选取数码的功能。

2）摇号备选数码为1～N共N个时。当N<10时，采用置数法修改十进制计数器为N进制计数器，此时74LS160的置数输入端DCBA＝0001，置数控制端不由开关J1控制，而是由计数器的最大状态N控制。开关J1可连接寄存器74LS175的清零端，有别于图5中数码管灭灯表示复位状态，开关J1控制寄存器74LS175清零，数码管显示0可表示复位状态。其他电路模块不变，就可实现通过按键开关J2在1～N中选取数码的功能。当N>10时，首先得扩展计数容量，再采用置数法设计N进制计数器，并扩充相应的寄存器及译码显示电路，方可实现通过按键开关J2在0～N中选取数码的功能。

3 结束语

本文设计的电子摇号器，结构简单，原理清晰，易于实现。应用Multisim 10进行电子电路设计和仿真，可用大量丰富的元器件库和实用的虚拟仪器，操作简单，搭建电路方便、快捷，并且修改电路方便。对于较复杂的电路设计，采用层次电路设计方法，既便于对电路的理解，也便于团队协作，共同完成设计任务。在电路设计仿真完成之后，再构建实际电路，从而降低了成本，大大提高了电路设计的效率。

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