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摘 要 介绍两种设计和实现四路优先抢答器的电路，掌握运用电子仿真平台设计出结构合理、工作性能稳定的数字电路方法。
关键词 电子仿真平台 数字集成电路 卡诺图
1引言
在计算机支持的信息技术时代，电子技术日益数字化，数字电路以其的基本单元简单化，应用单元标准化、模块化、通用化的特点，长驱直入地深入到电力、通讯、计算机、家电、机械等行业的应用。正因为如此，《数字电子技术基础》成了所有与电相关的专业的必修课，为了加强理论与实践的联系，介绍计算机技术在教学科研中的应用，通过电子仿真平台，在现代数字技术的最底的物理层，分别使用基本的数字单元电路和通用型集成数字电路，设计和制作四路优先抢答器，从中能比较两个电路的优缺点。在基本的数字电路层面上，认识到所设计出的电路，对硬件是独占性，但实现电路功能具有可靠性。
1电子仿真平台功能和特点
Wewb4.0版本电子仿真平台，作为我校新引入的《电子技术基础》教学辅助软件，Wewb4.0是
Interactive Image Tech公司80年代末到90年代初推出在Window 95支持下的电子仿真软件。其特点是采用图形操作界面模拟了一个实际的电子实验台，其中包括各种常用的测试仪器，如万用表，示波器，扫频仪，信号发生器，逻辑分析仪等，而且各种的图形形状、功能和操作方法与实际仪表相似，各种元器件也是品种齐备、随手可得，为电路的仿真实验提供了极大的方便，对于数字电路的设计和仿真，即提供了基本的逻辑单元电路（如与、或、非、与非、或非、与或非逻辑门等），也提供了许多与实际的性能及管脚分布相同的集成电路单元。
2设计电路的方框图及要求
2.1四路优先抢答器
2.1.1电路原理方框图（如图1）
2.1.2设计要求
(1)四路优先抢答器,是通过逻辑电路判断哪一个预定状态优先发生的一个装置，设计要有4个S1,S2,S3,S4为抢答按钮，一个复位按钮S，七段码的发光二极管为抢答成功显示。
(2)在按下复位键S时，再按下S1，S2，S3，S4，是处于无效的状态。以及在无人按下抢答键时的状态，这两种情况设计七段码的发光二极管显示为“0”。
(3)S1，S2，S3，S4中有一个按下时，对应七段码器，显示出相应的数字，“1”，“2”，“3”，“4”，并且被锁存起来，而其他的按钮再按则无效。
(4)按下复位开关S时，电路恢复等待抢答状态，S开关放开时准备下一次抢答。
(5)方波发生器，产生的CP周期，应大于一次手动触键开关后的抖动时间，否则抢答器就不能锁定。
3仿真设计的两个方案
3.1基本逻辑单元电路设计的四路抢答器
3.1.1电路如图2
3.1.2电路工作原理的说明
(1)抢答输入电路由轻触开关和电阻组成，没有抢答时输出高电平，抢答的时候输出为低电平。
(2)优先抢答的结果寄存用基本时序逻辑单元D触发器组成同步数码寄存器，当抢答开关按下时，在CP作用下，D触发器将输入状态送到输出端。锁定电路：用基本的单元与非门实现，当其中一个开关的状态优先送到D触发器的输出端时，经过与非门组成的锁定电路，输入D触发器的时钟脉冲为CP2，CP2=Q1Q2Q3Q4CP1=1，由于没有CP后，D触发器保持了最优先抢答开关的状态，同时也将随后抢答开关的状态封锁，再没能送到输出端。
(3)方波发生器用两个与非门及RC微分电路组成多谐振荡器，产生的脉冲为CP1。
(4)七段码译码显示驱动电路根据4个D触发器的输出状态，以及相应七段码要显示的数字，用组合逻辑电路设计方法来实现 。如表1为七段码译码显示驱动电路真值表，Q1，Q2，Q3，Q4为D触发器的输出端，a,b,c,d,e,f,g为七段码显示器(共阴极)的输入端。说明：因为抢答开关输出仅有4种状态，所以4个输入端余下的12种状态以冗余值出现，为逻辑函数的化简提供了条件，通过卡诺图实现逻辑函数的化简，如表2所示。
经过化简后得：a=1，b=Q2，c=f=Q4Q1，d=Q4Q3Q1，e=Q3Q2Q1，g=Q4Q3Q2
3.1.3基本逻辑单元设计电路的优缺点
优点：由基本逻辑单元组成的抢答器，在逻辑构思、设计、仿真运行的电路，能展现整个思维过程。
缺点：由于所用的单元电路都是理想的、虚拟的器件，使用的器件种类多，在实际应用中使电路复杂化。
3.2集成数字电路设计和实现的四路抢答器
3.2.1电路工作原理的说明
(1)抢答输入电路由轻触开关和电阻组成，没有抢答时输出高电平，抢答的时候输出为低电平。
(2)优先抢答的结果寄存用集成有4个D触发器的74LS175组成同步数码寄存器，当抢答开关按下时在CP作用下，D触发器将输入状态送到输出端。锁定电路：用集成的与非门74LS20和74LS00实现，当其中一个开关的状态优先送到D触发器的输出端时，经过与非门组成的锁定电路，输入D触发器的时钟脉冲为CP2，CP2=Q1Q2Q3Q4CP1=1，由于没有CP后，D触发器保持了最优先抢答开关的状态，同时也将随后抢答开关的状态封锁，再没能送到输出端。
(3)方波发生器用555时基集成和RC充放电路组成多谐振荡器，产生的脉冲为CP1。
(4)七段码译码显示驱动电路用共阴极的七段译码显示集成电路CD4511（8421码）和74LS00集成与非门来实现，根据4个D触发器的输出状态，以及相应七段码译码显示驱动集成电路功能，用组合逻辑电路设计方法来实现 。如表3为七段码译码显示驱动电路真值表，Q1，Q2，Q3，Q4为D触发器的输出端，A，B，C，D为七段码译码显示驱动集成电路(共阳极)的输入端。
说明：因为抢答开关输出仅有4种状态，所以余下的12种输入的状态可以冗余值出现，为逻辑函数的化简提供了条件。通过卡诺图如表4实现逻辑函数的化简。
3.2.2用数字集成器件设计电路的优缺点
优点：用集成器件设计的抢答器，集成器件的外围电路简单，一定程度减少实际制作电路的故障。
缺点：由于逻辑电路都用集成与非门来实现，因此化简后的逻辑函数还需要进行表达式的转换。
3.2.3仿真电路运行和实际电路工作的故障分析
数字电路在仿真运行时，电路连接错误（如短路、开路）、不合理（如在同一集成器件内，使用几个逻辑门组成闭环回路，造成自激振荡），运行操作不规范（如仿真运行时修改电路）时，平台就会仿真出电路故障，同样也要进行检修。由于数字集成电路的性能稳定、外围元器件少，实际电路工作时，故障多集中在器件的虚焊，电容损坏、电源的短路或开路上。
4结语
数字化的电子时代，利用物化的数字逻辑电路，能解构和实现事物抽象的因果关系。在电子仿真平台上设计数字电路，这样的思维模式，电路设计的构架，对于引入专业背景，建立的理论基础及提供实战经验，赋于学生分析问题逻辑思维能力等几个方面起到很好的训练作用。
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