Multisim9软件的应用毕业论文

第1章 Multisim9简介1.1 Multisim9软件开发的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软件经历了常时间的发展已经趋于不断完善，目前Multisim的最新版本是 Multisim9。他实在前几版的发展基础上进行了改善，使Multisim的软件系统功能更加完善和强大.1.2 Multisim9软件的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Verilog HDL 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 Interactive Image Technologies(II T)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Electronics Workbench (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Electronics Workbench，从V6开始改为Multisim。在教育界比较流行的Multisim 2001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Verilog HDL模块，使它成为真正的“数模VHDL Verilog”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Multisim 7，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Multisim 9版本，相较之各版本功能更强大。1.3 Multisim9的主要功能及特点1.3.1 Multisim9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（SimulationProgramwithIntegrated CircuitEmphasis）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。HDL仿真利用MultiHDL模块（需另外单独安装），Multisim9还可以进行HDL（HardwareDescriptionLanguage，硬件描述语言）仿真。在MultiHDL环境下，可以编写与IEEE标准兼容的VHDL或VerilogHDL程序，该软件环境具有完整的设计入口、高度自动化的项目管理、强大的仿真功能、高级的波形显示和综合调试功能。针对不同用户的需要，Multisim9发行了增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）。各版本的功能和价格也有明显的不同，目前，发展到Multisim9版本，电子仿真软件Multisim的主要功能以及在电路分析、模拟电子线路、脉冲与数字电路、高频电子线路等电子技术课程中的应用。 1.3.2 Multisim9的新增功能2005年 HT公司又推出了Multisim的最新版本Multisim9，对先前的版本又进行了许多改进，主要有: 重新验证了元件库中所有元件的信息和模型，使其更加精确可靠。 允许用户自定义元器件的属性。 提高数字电路仿真的速度。 允许把子电路当作一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模。根据电路图形的大小，程序能自动调整电路窗口尺寸，不再需要人为设置。开设了EDAPARTS.com网站，为用户提供元器件模型的扩充和技术支持。1.3.3 Multisim9的主要特点（1）仿真的手段切合实际，选用的元器件和测量仪器与实际情况非常接近；并且界面可视、直观。（2）绘制电路图所需的元器件、仪器、仪表以图标形式出现，选取方便，可扩充元件库。（3）可以对电路中的元器件设置故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，针对不同故障观察电路的各种状态，从而加深对电路原理的理解。（4）在进行仿真的同时，它还可以存储测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据，列出所有被仿真电路的元器件清单等。（5）有多种输入输出接口，与SPICE软件兼容，可相互转换。Multisim产生的电路文件还可以直接输出至常见的Protel、 Tango、Orcad等印制电路板排版软件。1.3.4 Multisim9与其他电路仿真软件相比，具有如下一些优点（1）系统高度集成，界面直观，操作方便 Multisim9将原理图的创建、电路的测试分析和结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台，有存放仿真元件的元件箱，有存放测试仪表的仪器库，还有进行仿真分析的各种操作命令。测试仪表和某些仿真元件的外形与实物非常接近，操作方法也基本相同，因而该软件易学易用。创建电路、选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。测试仪器操作面板与实验室内实际仪器相差无几，操作起来得心应手。一切电路的分析、设计与仿真工作都蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量与效率。（2）有完备的电路分析功能Multisim9提供了11种常用的测试仪器，能够完成18种常用的电路仿真功能，能基本满足一般电子电路的分析设计要求。此外它还可以对被仿真电路中的元件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察到在不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，它还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数值等。 （3）灵活方便,功能不断扩展 在Multisim9中，与现实元件对应的元件模型丰富，增强了仿真电路的实用性；元件编辑器给用户提供了自行创建或修改所需元件模型的工具；元件之间的连接方式灵活，可创建子电路并允许当作一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模；提供了多种输入输出接口如可以输入由PSpice等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件，并自动生成电路原理图。也可以把Multisim9环境下创建的电路原理图文件输出给Protel，专业版的Multisim还支持VHDL和Verilog语言等； IIT还推出了自己的PCB软件Ultiboard与Multisim配合使用，可以完成电路原理图输入、电路分析、仿真、制作印制电路板全套自动化工序，如果再加上自动布线模块Ultiroute和通信电路分析与设计模块Commsim等，功能就更加强大。另外，Multisim9提供目前众多通用电路仿真软件所不具备的射频电路仿真功能。 第2章 Multisim9的基本操作2.1 Multisim9的主要操作界面（如下图）仿真电源开关菜单栏工具栏元器件栏仪器仪表栏电路工作区状态栏2.1.1 Multisim9文件的基本操作与Windows常用的文件操作一样，Multisim9中也有： New-新建文件、Open-打开文件、Save-保存文件、Save As-另存文件、Print-打印文件、Print Setup-打印设置和Exit-退出等相关的文件操作。 以上这些操作可以在菜单栏File子菜单下选择命令，也可以应用快捷键或工具栏的图标进行快捷操作。 2.1.2 Multisim9元件的基本操作常用的元器件编辑功能有：90 Clockwise-顺时针旋转90、90 CounterCW-逆时针旋转90、Flip Horizontal-水平翻转、Flip Vertical-垂直翻转、Component Properties-元件属性等。这些操作可以在菜单栏Edit子菜单下选择命令，也可以应用快捷键进行快捷操作。原始图像 顺时针旋转90 逆时针旋转90 水平翻转 垂直翻转 2.1.3Multisim9中子电路的创建 子电路是用户自己建立的一种单元电路。将子电路存放在用户器件库中，可以反复调用并使用子电路。利用子电路可使复杂系统的设计模块化、层次化，可增加设计电路的可读性、提高设计效率、缩短电路周期。创建子电路的工作需要以下几个步骤：选择、创建、调用、修改 。子电路选择： 把需要创建的电路放到电子工作平台的电路窗口上，按住鼠标左键，拖动，选定电路。被选择电路的部分由周围的方框标示，完成子电路的选择。子电路创建： 单击Place/Replace by Subcircuit命令，在屏幕出现Subcircuit Name的对话框中输入子电路名称sub1 ，单点OK，选择电路复制到用户器件库，同时给出子电路图标，完成子电路的创建。子电路调用单击Place/Subcircuit命令或使用Ctrl+B快捷操作，输入已创建的子电路名称sub1，即可使用该子电路。子电路修改：双击子电路模块，在出现的对话框中单击Edit Subcircuit命令，屏幕显示子电路的电路图，直接修改该电路图。子电路的输入/输出： 为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入/输出。单击Place / HB/SB Connecter命令或使用Ctrl+I快捷操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。带有输入/输出符号的子电路才能与外电路连接。2.1.4 Multisim 9路创建 在元器件栏中单击要选择的元器件库图标，打开该元器件库。在屏幕出现的元器件库对话框中选择所需的元器件，常用元器件库有13个：信号源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、模拟器件库、TTL数字集成电路库、CMOS数字集成电路库、其他数字器件库、混合器件库、指示器件库、其他器件库、射频器件库、机电器件库等。元器件操作 选中元器件，单击鼠标右键，在菜单中出现下列操作命令：Cut：剪切Copy：复制Flip Horizontal：选中元器件的水平翻转；Flip Vertical：选中元器件的垂直翻转；90 Clockwise：选中元器件的顺时针旋转90；90 CounterCW：选中元器件的逆时针旋转90；Color：设置器件颜色Edit Symbol：设置器件参数Help：帮助信息元器件特性参数 双击该元器件，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。元器件不同每个选项下将对应不同的参数。 例如：NPN三极管的选项为： Label - 标识 Display - 显示 Value - 数值 Fault - 故障输入/输出单击Place / HB/SB Connecter命令，屏幕上会出现输入/输出符号，将该符号与电路的输入/输出信号端进行连接。子电路的输入/输出端必须有输入/输出符号，否则无法与外电路进行连接。2.1.5 Multisim9菜单栏（如下图）11个菜单栏包括了该软件的所有操作命令。从左至右为：File（文件）、Edit（编辑）、View（窗口）、Place（放置）、Simulate（仿真）、Transfer（文件输出）、Tools（工具）、Reports（报告）、Options（选项）、Window（窗口）和Help（帮助）。2.2具栏介绍2.2.1设计工具栏 设计工具栏Multisim9的核心，使用它可进行电路的建立、仿真、分析并最终输出设计数据(虽然菜单栏中也已包含了这些设计功能，但使用该设计工具栏进行电路设计将会更方便快捷)。设计工具栏按钮共有9个（如图21所示），从左至右分别是： 图21 设计工具栏 元件(Component) 按钮：用以确定存放元器件模型的元件工具栏是否放到界面上。 件编辑器(Component Editor)按钮：调整或增加元件。 元件“Instruments”按钮：用以给电路添加仪表或观察仿真结果。 仿真 “Simulate” 按钮：(用以确定开始、暂停或结束电路仿真。分析(Analysis)按钮：选择要进行的分析。后处理“Postprocessor”按钮：用以进行对仿真结果的进一步操作。 VHDLVerilog按钮：用以使用VHDLVerilog模型进行设计。报告(Reports)按钮：打印相关电路的报告。 传输(Transfer)按钮：与其他程序如Ultiboard进行通信，也可将仿真结果输出到像MathCAD和Excel这样的应用程序。2.2.2 multisim9的元器件库Multisim 9提供了14个元器件库，用鼠标左健单击元器件库栏目下的图标即可打开该元器件库，元器件栏如图所示。（1） 电源（Source）库:其对应元器件系列（Family）如图24 所示：图2-4电源库 图2-5基本元件库(2)基本元件(Basic)库：包含现实元件箱18个，虚拟元件箱7个，如图25所示。虚拟元件箱中的元件（带绿色衬底者）不需要选择，而是直接调用，然后再通过其属性对话框设置其参数值。不过，在选择元件时还是应该尽量到现实元件箱中去选取，这不仅是因为选用现实元件能使仿真更接近于现实情况，还因为现实的元件都有元件封装标准，可将仿真后的电路原理图直接转换成PCB文件。但在选取不到某些参数，或者要进行温度扫描或参数扫描等分析时，就要选用虚拟元件。(3) 二极管(DiodesComponents)二极管库中包含10个元件箱，如图26所示。该图中虽然仅有一个虚拟元件箱,但发光二极管元件箱中存放的是Interactive Component(交互式元件)，其处理方式基本等同于虚拟元件（只是其参数无法编辑）。图26二极管库 图27模拟元件库发光二极管有6种不同颜色，使用时应注意，该元件只有正向电流流过时才产生可见光，其正向压降比普通二极管大。红色LED正向压降约为1.11.2V，绿色LED的正向压降约为1.41.5V。(4) 晶体管(TransistorsComponents)库：共有30个元件箱，如图28所示。其中，14个现实元件箱中的元件模型对应世界主要厂家生产的众多晶体管元件，具有较高精度。另外16个带绿色背景的虚拟晶体管相当于理想晶体管，其参数具有默认值，也可打开其属性对话框，点击Edit Model按钮，在Edit Model对话框中对参数进行修改。图28晶体管库 图210CMOS器件库(5) 模拟元件(AnalogComponents)库：对应元件系列如图27 所示。(6) TTL元（器）件(TTL)库：对应元件系列如图29 所示。图29TTL元件库使用TTL元件库时，器件逻辑关系可查阅相关手册或利用Multisim9的帮助文件。有些器件是复合型结构，在同一个封装里有多个相互独立的对象。如7400N，有A、B、C、D四个功能完全相同的二端与非门，可在选用器件时弹出的选择框中任意选取。(7) CMOS元（器）件库：如图210所示。(8) 其他数字元件(Misc. Digital Components)库：实际上是用VHDL、Verilog-HDL等其它高级语言编辑的虚拟元件按功能存放的数字元件，不能转换为版图文件。(9) 混合器件(Mixed Components)库：如图211 所示，其中ADC-DAC 虽无绿色衬底也属于虚拟元件。(10) 指示器件(Indicators Components)库：如图212所示，含有种Multisim2001 称之为交互式元件、用来显示电路仿真结果的显示器件。交互式元件不允许用户从模型进行修改，只能在其属性对话框中设置其参数。图211混合器件库 图212指示器件库(11) 其他器件(MiscComponents)库：是把不便化归于某一类型元件库中的元件放在了一起。如图213 所示。(12) 控制器件(Controls Components)库：其中有12个常用控制模块，如图214所示虽无绿色衬底，仍属虚拟元件图2-13其他器件库 图214控制器件库(13) 射频元件(RFComponents)库：如图215所示，提供了一些适合高频电路的元件，这是目前众多电路仿真软件所不具备的。当信号处于高频工作状态时，电路元件的模型要产生质的改变。图215射频元件库 图2-16机电类器件库(14) 机电类器件(Electro-Mechanical Components)库：该库共包含个元件箱，除线性变压器外，都属于虚拟的电工类器件。如图216所示2.3 Multisim9的虚拟仪表库对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是EDA软件的一项主要功能。为此，Multisim9为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从Design工具栏Instruments工具栏，或用菜单命令（Simulation/ instrument）选用这11种仪表， 下面将17种虚拟仪器的名称如下图：从左到右分别为：数字万用表、函数发生器、瓦特表、双通道示波器、四通道示波器、波特图仪、频率计、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、IV分析仪、失真度仪、频谱分析仪、网络分析仪、Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器。2.4 Multisim9强大的仿真分析方法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。 第3章 基于Multisim仿真软件的抢答器电路设计3.1强答器电路设计要点及原理框图结构3.1.1设计要求及要点设计要求：每组设置一个抢答器按钮，供抢答者使用。电路具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若抢答者按动抢答开关，则该组指示灯亮并组别鉴别显示电路显示抢答者的组别，同时扬声器发出“嘀-嘟”的双响，音响持续2-3S。电路具备自锁功能，使别组的抢答器开关不起作用。设计要求：本题的根本任务是准确判别第一抢答者的信号并将其锁存。实现这功能可用触发器或锁存器等。在得到第一信号后应该将其电路的输出封锁，使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号必须在主持人发出抢答命令后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。当电路形成第一抢答信号之后，LED显示组电路显示其组别。还可鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频率交换变化的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出响音，表示该题抢答有效。门控多谐振荡电路声音提示电路电源电路主持人开关显示电路控制电路抢答开关组3.1.2抢答器电路原理框图结构图3.1 抢答器原理框图结构框图3.2电路设计方案论证3.2.1 方案一 基于软件编程和硬件方面的四路抢答器的设计 采用单片机及其外围电路组成的抢答器电路。利用单片机AT89c51的的P0P3为输入口，接抢答按键开关，当有某个按键按下时，对应口的电位跳低，被单片机检测到并执行相应的程序，比如让数码管显示或者控制音响电路发声等。PD口接数码管，用于显示哪个组抢到，并一数值方式显示出来。PB口的PB0通过电容接到门铃音乐集成电路的触发端，当有某一组抢到时发出声音。电路中，轻触开关SB为复位开关，按下SB，可以让系统复位。当一次抢答完毕以后，只有按下SB，让系统复位，在下一次抢答时，各个组的抢答按键才有用，否则，抢答按键没有作用。这种由组成的抢答器电路的优点使得外围组成电路和实现起来也比较简单、易于制作。但其缺点是对单片机的软件要求比较高（需要掌握一定的编程语言）并且实现的功能也比较少。做成的成本表较高。一般不采用。3.2.2 方案二 基于纯硬件要求的四路抢答器的设计设计电路具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能，交流、直流两用（如图3-3所示）。当闭合S1接通电源后，电源指示灯HA亮，表示机器已处于工作状态。以第2组为例，当按下SB2时，继电器KL2吸合，接点KL2-1的常开接点闭合，常闭接点断开，即其中间簧片倒向2一边，此时KL2自锁，并且后面的几路都断开电源。KL2-2中间簧片倒向2一边，前面的一路也断开电源。此时共用的喇叭中发出优美的电子音乐声，表示第2组获得抢答权。其他几组因电源已断开，即使再按下自己的按钮，也不起使用。待主持人宣布谁有抢答权后，由主持人按一下常闭复位开关SBC，机器便恢复原状。由于电路的相互制约关系，在抢答时只能有一组接通电路获得抢答权。电子音乐的产生是利用VD1、VD2、VD3的势垒电压，给音乐片提供2V左右的电压，使其音乐集成块工作。C3起改善音质作用。竞赛中不使用定时功能时，S2是闭合，VT1基极电位为零，VT1、VT2、VT3均不导通，继电器KL不吸合。如果需使用定时功能，可预先调整电位器RP，将定时时间选好(定时时间5秒2分钟连续可调)。在每题竞赛开始时，断开S2，计时则开始，当电源通过RP、R2向C2充电至2V时，VT1、VT2、VT3导通，继电器KL吸合，其常开接点KLA闭合，定时指示灯HB亮，定时结束，喇叭中奏出音乐，同时其常闭接点KLB断开，主电路被切断，各组均不能再接通电源进行抢答。当主持人将S2闭合时，则又恢复原状。图3-2基于纯硬件要求的四路抢答器的设计 3.2.3方案三 基于Multisim9仿真软件设计的四路抢答器利用锁存型D触发器CD4042来完成的四路抢答器。如图3-4所示，触发器CD4042与非门CD4012等元器件组成抢答器的控制电路，Q1-Q4,LED1LED4等元器件组成显示电路，与非门CD4011等元器件组成声音提示电路， SA1SA4组成抢答按钮，S5A复位按钮，触发器CD4042是电路的核心元件。当6脚输出高电平时，触发器CD4042的输出状态由输入的时钟脉冲的的高的电平来决定，CP=O时锁存数据，CP=1时传输数据。 图 3-3 基于Multisim仿真软件方面的四路抢答器设计3.2.4 方案比较通以上三种方案的分析我们可以看出，方案一利用单片机来实现四路抢答器较简单，实现起来也比较容易，但其需要一定的语言编程知识，对设计者的要求比较高，并且单片机价格比较昂贵，使其设计成本加大，一般不宜于采用；方案二采用4D触发器74LS171制作4路抢答器，电路结构简单，实现起来也比较容易，也不需要编程,由于其电路采用常用的4D触发器来实现，使其成本明显降低，但由于电路结构过于简单使其实现的功能比较少，不太实用。并且精度也不高最主要的是在Multisim9中无法对电路进行仿真，故不采用第二种方案。方案三利用锁存型D触发器CD4042来完成的四路抢答器，可以在软件中进行仿真测试,同时使用的是常用的数字集成芯片，使得电路结构简单成本大大降低，并且实现的功能也较多，电路的效率高，输出抢答者的信息一般不会出错。综上所述，方案三的电路比较好。故采用第三种方案。3.3单元电路的设计3.3.1电源电路的设计直流稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组成，如图3-5所示。变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。图3-4 直流稳压电源原理图电源电路一般采用可调或者固定电压为电路提供工作电压。为求简单实用，本电源电路采用固定三端集成稳压器7812为电路提供所需的12V直流电压，如图35所示。当电源电压220V的交流电压经过变压器T2的变压输出15V的交流电压，经过变压器的交流电压输入的由整流二极管组成的整流电路。把交流电压转换成直流电压输出。由于整流后的电压含有较大的脉动成份，必须经过C4的滤波后输入到三端集成稳压器7812后输出电路所需的电压 。（结果如图36所示）图3-5 直流稳压电源电路3.3.2控制电路的设计控制电路是由锁存型的D触发器CD4042和与非门CD4012等组成（如图38）； CD4042含有四组具有共同单位控制储存指挥输入.控制极性是可以选择的。如POL输入为低电平电位及STORE输入亦为低电平,送至D输入之数据将在其个别真的及互补的输出端出现当STORE输入电位升高,在此输入之数据于正过度时即储存于内部并以真值形式出现Q输出端及其互补出现于输出端；CD4012为双4输入端与非门两组正逻辑皆可单独使用。当任一闸之一或一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高。如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低。A系列元件会产生极坏之一面倒的反应。可使用B系列元件，但非临界之应用。在没有任何电平输入时，CD4042的4个输入端经过电阻上拉为高电平，根据其功能表可知其四个Q输出端为高电平， 输出端为低电平LED不显示，此时与非门CD4012输出为低电平使多谐振荡电路停振，从而控制整个电路处于稳定状态。反之，当CD4042输入高电平时，其输出端Q与分别输出低电平和高电平，CD4012输出低电平使多谐振荡电路起振，从而控制整个电路进行正常的工作。控制电路是整个电路的核心部分，当输入的CP1时CD4042进行数据传输，当输入的CP0时CD4042进行数据所存（判别第一个抢答者的信号）。CD4042的好坏，决定了整个电路的整体性能。、 上图是集成D锁存器CD4042的逻辑图和功能表。芯片中含有4个D锁存器单元，共用一个时钟脉冲，CP为时钟端，POL为极性控制信号。CD4042功能见图，它的功能为：当极性控制信号POL=0时，若CP=0触发器接收D信号，并在CP上升沿到来时，锁存D信号，CP=1期间自锁D信号；当POL=1时，则CP=1时，触发接收D信号，CP下降沿到来时锁存D信号，CP=0期间自锁。 图3-6 控制电路3.3.3 声响电路的设计声响电路用一个音频振荡器去推动一个扬声器(蜂鸣器)工作即可。为求电路简单,声响电路所示一般声响电路都由集成音乐芯片或简单的分立元件构成。而采用集成音乐芯片构成的电路结构简单，但一般的的成本比较高，电路性能较差。而用简单的分立元件使得电路的设计成本大大降低,性能也可以达到设计的要求。图 3-7 声响电路电路本声响电路的设计主要采用多谐振荡器和Q1等元件组成（如图39）；当CD4012在输出低电平时多谐振荡电路不工作；声响提示电路处于稳定状态（不工作）。当CD4012在输出高电平时多谐振荡电路起振；驱动三极管工作从而带动扬声器发出声音。声响提示电路处于工作状态）。当有信号从振荡电路输出时，电流经R15形成一电压压降在Q1的基极，此时Q1导通,电流从VCC经蜂鸣器到地，从而蜂鸣器发声。该装置中，直流电源提供12V电压，足够驱动蜂鸣器发声，所以不需要接入74LS244驱动。3.3.4 显示电路显示电路一般由 LED为发光二极管或数码显示器来实现，由于数码显示电路一般都需要显示驱动电路来实现比较复杂。而LED为发光二极管主要加上适当的正向电压，该管即可发光，LED内接法有两种：即共阳极和共阴极接法，要使其对方的发光二极管发光，前种接法使其相应的极为低电平，后种接法使其相应极为高电平。半导体二极管的优点是体积小、工作可靠、寿命长、响应速度快、颜色丰富、缺点是功耗较大。在本电路的设计中主要采用Q1-Q4和LED1LED5等元器件组成显示电路（如图310），用来显示抢答者的组别。CD4042的端输出低电平时LED不发光。CD4042 的输出高电平时LED发光,显示抢答者的组别。 图38显示电路3.3.5 门控多谐振荡电路 多谐振荡器是一种无稳态电路,它在接通电源后不需要外加触发信号,电路状态能够自动地不断变换,产生矩形波的输出.由于矩形波中的谐波分量很多,因此这种振荡器冠以”多谐”二字。在数字电路设计中常常使用555多谐振荡电路、施密特振荡电路或者由简单的门电路来实现，由于555多谐振荡电路、施密特振荡电路应用于对于电路精度要比较高的电路设计中。与普通的门电路相比门电路具有电路结构简单、成本低 、实现容易的特点。而在本电路的设计中门控多谐振荡电路由CD4011门电路和R14、C1等组成。它主要用来驱动Q5使扬声器发出声音。开关按下与非门输出高电平，门控多谐振荡器起振。扬声器发声。门控多谐振荡器频率由R14、C1来决定，振荡器频率约为800HZ。 图39控多谐振荡电路CD4011、 CD4012的逻辑图和实现的功能如下表31名称 逻辑图实现的功能CD40114二输入与非门（1/4）所有这四组正逻辑反和闸皆可单独使用之。当任一闸之间或两输入端电位低时，则输出端之电位升高；两输入端同时电位高时，输出端之电位降低。CD4012双4输入与非门（1/2）当任一闸之一或一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高。如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低。表31 CD4011、 CD4012的逻辑图3.4系统电路工作过程如图（33）所示抢答器由控制电路、显示电路和声音提示电路3部分组成。锁存型D触发器CD4042、与非门IC2-1CD4042等元器件组成抢答控制电路；Q1Q4、LED1LED4等元器件组成显示电路；与非门IC3CD4011等元器件组成声音提示电路。J1AJ4A是抢答按钮，J5A位按钮。四位锁存器D触发器CD4042是整个电路的核心器件，当POL6脚接高电平时，D触发器的输出状态由输入时钟脉冲的极性决定，即CP=1时，传输数据，CP=0时锁存数据。当Q1Q4没有按下时，CD4042的个输入端D1D4经过电阻R1R4上拉为高电平，因此其输出端Q1Q4均输出高电平，1-4输出为低电平，Q1Q4均截止，发光二极管LED1LED4均不亮。此时与非门IC2-1CD4012输出低电平，由U4A、U6A CD4011等元器件组成的门控多谐振荡器处于停振状态，提示音电路不工作。同时与非门U3ACD4042输出低电平，使得U5A CD4011输出高电平，即CP=1，D触发器处于数据传输状态。假如SA1被按下，此时D1=0，Q1=0，使得U2A4042输出为高电平 ，U5A CD4011为低电平，即CP=0，D触发器转入锁存状态，再按下其他按钮，电路不再响应。同时CD4042的1=1，VY1接通，LED1点亮，显示第一路抢答。在按下S1A的同时，与非门U3A输出高电平，门控多谐振荡器起振，由Q5驱动扬声器发出提示音。门控振荡器的振荡频率由R14、C1的参数决定，振荡频率约为800HZ。SA5是复位按钮，按下J5A，可使与非门U5A CD4011的一个输入端置零，其输出变为高电平，即CP=1，电路又回到Q1Q4=1，Q1Q4=0的初始状态，为下一轮抢答做好准备，其他3路的工作原理与之相同。3.5基于 Multisim9的多路抢答器电路的仿真3.5.1电源电路 图3-11电源电路接线图 图3-12电源电路仿真结果仿真结果分析：当输入220V / 50HZ的交流电压经过变压整流 滤波稳压输出约为12.593V的直流电压。结果如图 3-12所示3.5.2 总电路的仿真及分析图3-13系统电路仿真结果结果分析：当在主持人将开关S5A清零宣布抢答开始命令后，S1A、S2A、S3A先后将开关闭合后后，LED1亮，说明CD4042将1组的信号锁存 ，LED1亮，扬声器发出声响，主持人判别出第一组抢答成功，其他组的显示不亮，没有抢答成功（如图3-13）所示。从以上结论可以看出本电路的设计符合设计要求。总结毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计总结，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。科学技术的突飞猛进，带来了第四次科技革命，知识更新速度加快，周期变短，科技和经济结合得更紧密，随着产业结构的变化，需要体力和简单技能岗位和数量逐渐下降，而需要更高知识、智能的岗位数量将会增加。此次设计经过了以下几个阶段：1.系统分析阶段 熟悉课题：设计任务下达后，首先了解课题的名称、课题来源、课题范围、提供的原始数据、要求达到的技术指标。收集资料：围绕课题，收集有关资料，调查有关文献及技术参数，收集有关数据，并对有关资料和数据进行归纳分析。 可行性分析：在熟悉课题和收集了足够的资料和数据的基础上，对课题进行可行性分析，得出几个初步方案，经过反复比较、论证，最后得出一个可行方案。 、系统设计阶段 划分模块，绘出控制结构图，写出分析说明书。从可行性方案中所提供的资料和数据出发，把系统分为若干个模块，形成一个多层次的结构。把控制结构图、整个系统及每个模块的功能都加以说明。 确定系统的输入、输出的方式和内容。 、系统实施阶段 当课题程序初步设计完成后，应进行上机实验调试，在实验过程中逐步修改、完善系统功能，以期达到最佳效果。 这次设计培养了我运用所学理论知识和技能，分析解决计算机应用实际问题能力。 以及掌握设计计算机课题的思想和方法，树立严肃认真工作作风和调查研究、查阅技术文献、资料、手册及编写技术文献的能力。 同时在生产实践中所涉及的一些实践问题，又促使我带着疑问积极地探索。进行毕业设计从知识技能的准备到心理的充分认识都具备了较好的基础。感谢语本课题在选题及研究过程中得到孙老师的悉心指导。孙浩军老师多次询问设计进程，并为我指点迷津，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。孙老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对孙老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢这三年来执导过的所有老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。学校及老师为我提供了良好的研究条件，谨向各位表示诚挚的敬意和谢忱。感谢我的同学三年来对我学习、生活的关心和帮助。参考文献1.数字电路实验与课程设计哈尔摈工程大学出版社 2001年9月第一版2.数字电子技能实训人民邮电出版社 2006年1月第一版3. Mutisim 8电路设计及仿真应用清华大学出版社4. Mutisim 2001电路设计及仿真入门与应用（EDA 丛书）电子工业出版社5.电子工程实践技术化学工业出版社 付家才主编 2003年9月第一版6.初学无线电电子电路分析人民邮电出版社 肖景和 赵健 编著 2006年1月第一版附录1.1芯片资料1.1.1 CD4042(四锁存D型触发器)图1.1（与非门CD4042） 该元件含有四组具有共同单位（a common level-controlled storage-command input ）控制储存指挥输入之开锁。控制极性是可予选择的。 如POL输入为低电平电位及STORE输入亦为低电平,送至D输入之数据将在其个别真的及互补的输出端出现当STORE输入电位升高,在此输入之数据于正过度时即储存于内部并以真值形式出现Q输出端及其互补出现于 Q输出端 注意输出跟随输入,在一个储存控制状态里。此元件不是一真的边缘定时元件,以及级不可能串连。STORE输入必须无杂音.起落时间最好比5微妙更快.传播延迟时间，在10伏时是75 秒及在5毫伏时是150秒。在1MHz储存率之电流，在5伏时为1.2毫安及在10伏时为2.4毫安。1.1.2 CD4011(四2输入端与非门) 图1.2（与非门CD4011）所有这四组正逻辑反和闸皆可单独使用之。当任一闸之间或两输入端电位低时，则输出端之电位升高；两输入端同时电位高时，输出端之电位降低。传输延迟在10伏时是25 秒及在5伏时60秒。在1MHz 5伏下总电流是0.4毫安及在10伏是0.8毫安。1.1.3CD4012(双4输入端与非门)图1.3（与非门CD4012）两组正逻辑和闸皆可单独使用之。当任一闸之一或一个以上之输入端电位低时，将使输出端电位升高。如四个输入端皆为高电平时，则输出端之电位降低。A系列元件会产生极坏之一面倒的反应。可使用B系列元件，但非临界之应用。传达延迟在10伏为25秒及在5伏时为60秒。在1MHz 5伏下之电流为0.4毫安及在10伏时为0.8毫安。1.2元器件列表序号器件名称数量备注1开关按钮52电阻163电源14变压器15发光二极管46CD4011212V/四2输入与非门7CD4042112V/ 4D触发器8CD4012212V/双4输入与非门9扬声器110三极管52N171111电容电解电容12整流二极管41B4B4213三端集成稳压器178121.3 PROTEL原理图1.4 PCB印制电板图1.4 基于Ultiboard的3D效果图28