楊 奇 賴(lài)康榮 王 超

(昌吉學(xué)院物理系，新疆 昌吉 831100)

1.引言

生活中常常會(huì)遇到需要產(chǎn)生多個(gè)不重復(fù)隨機(jī)數(shù)的問(wèn)題，如隨機(jī)抽獎(jiǎng)、搖號(hào)等從多個(gè)整數(shù)中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)。解決此問(wèn)題的方法有多種如：軟件編程、硬件電路實(shí)現(xiàn)或仿真。我們可以利用《數(shù)字電子技術(shù)》知識(shí)通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (NI)下屬的Electronics Workbench Group發(fā)布的交互式SPICE仿真和電路分析軟件，它是一款優(yōu)秀的電子電路輔助分析與設(shè)計(jì)軟件，其優(yōu)點(diǎn)很多，利用該軟件對(duì)電子電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，不消耗實(shí)際的元器件，電路修改調(diào)試方便，提高了電子電路設(shè)計(jì)的效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，是目前大學(xué)課程中常用的電子設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。下面讓我們一起來(lái)了解如何用Multisim來(lái)實(shí)現(xiàn)一定功能的電路并仿真。

2.設(shè)計(jì)要求與分析

2.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)在0到9這十個(gè)數(shù)內(nèi)可預(yù)置數(shù)的1位隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生電路，即可以根據(jù)要求在0到9范圍內(nèi)任意設(shè)定一定范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，如0到4，5到9等，要求：通過(guò)一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)隨機(jī)抽取預(yù)先設(shè)定數(shù)范圍內(nèi)中的一個(gè)數(shù)字，經(jīng)譯碼后用數(shù)碼管直觀(guān)地顯示該隨機(jī)數(shù)。

2.2 分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)字至多在0到9可由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出獲取。由于計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出是周期性變化的，因此數(shù)字所設(shè)定的隨機(jī)數(shù)應(yīng)均等地出現(xiàn)。為了保證隨機(jī)數(shù)均等地出現(xiàn)，其頻率可設(shè)定為10kHz。在確定初態(tài)的情況下，按鍵頻率要達(dá)到10kHz才能預(yù)知下一狀態(tài)。操作人員是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到如此高的按鍵頻率，這樣就保證了隨機(jī)數(shù)出現(xiàn)的公正性。電路還需2個(gè)開(kāi)關(guān)(用變量J1和J2表示)分別控制電路的工作狀態(tài)（計(jì)數(shù)和送數(shù)到譯碼顯示管）。根據(jù)上述任務(wù)分析確定設(shè)計(jì)方案。整個(gè)電路由開(kāi)關(guān)控制等6個(gè)模塊組成。如圖1所示。

3.電路設(shè)計(jì)與仿真

3.1 計(jì)數(shù)器與寄存器設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)要求中：數(shù)字至多在0到9可由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出獲取。因此選用具有十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能的器件即可。本設(shè)計(jì)選用集成1進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器741S160。為了保證隨機(jī)數(shù)應(yīng)均等地出現(xiàn)，其頻率可設(shè)定為10kHz。寄存器選用的是由4D邊沿觸發(fā)器構(gòu)成的74Ls175。由于數(shù)字0也是搖號(hào)備選號(hào)碼，則計(jì)數(shù)器74Lsl60及寄存器74Lsl75皆不能作清零操作，避免數(shù)字O出現(xiàn)次數(shù)過(guò)多，影響隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的均等性。因此，計(jì)數(shù)器74LSl60和寄存器74LSl75的清零控制端無(wú)效，即CLR=1。若要在0到9范圍內(nèi)任意設(shè)定一定范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，可以運(yùn)用清零法，只需再加與非門(mén)或非門(mén)以及多路選擇開(kāi)關(guān)與74Lsl60的清零端相連即可。

圖1 可預(yù)置1位隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生電路原理圖

3.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)器所需的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)的電路有很多種，常用的有：由CMOS門(mén)電路構(gòu)成多謝振蕩器、石英晶體振蕩器等。由于該電路設(shè)計(jì)精度要求不高，由LM555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、操作靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此時(shí)鐘脈沖由555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器產(chǎn)生，如圖2所示，其振蕩頻率約10KHZ。

圖2 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器

3.3 譯碼顯示電路設(shè)計(jì)

為直觀(guān)地觀(guān)察搖號(hào)結(jié)果，采用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管作為顯示器。譯碼電路采用74LS47，其輸入端A—D接寄存器74LSl75的輸出端1Q-4Q。電路如圖3所示。

圖3 譯碼顯示電路

3.4 開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)控制電路是整個(gè)電路的重要部分，需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)分別控制計(jì)數(shù)開(kāi)始和產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，其功能為由表1所示電路功能。開(kāi)關(guān)J1用于控制十進(jìn)制計(jì)數(shù)器置數(shù)和計(jì)數(shù)，當(dāng)J1與74LS160的置數(shù)控制端LOAD相連時(shí)，計(jì)數(shù)器的置數(shù)控制端LOAD=0，使得計(jì)數(shù)器處于置數(shù)狀態(tài)；當(dāng)J1閉合時(shí)，計(jì)數(shù)器的置數(shù)控制端LOAD=1，使得計(jì)數(shù)器工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)。其輸出循環(huán)產(chǎn)生0～9。J2用于產(chǎn)生隨機(jī)號(hào)操作，可與寄存器時(shí)鐘控制端CLK相連。沒(méi)按下J2鍵寄存器時(shí)鐘控制端CLK處就產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖。

表1 電路功能

整體電路如圖4所示，根據(jù)表1功能分析如下：

(1)滅燈 開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)使74Ls160置數(shù)端有效，QAQBQCQD輸出 1111，送入 74LS175的輸入端，即1D2D3D4D為1111。按下開(kāi)關(guān)J2，74LSl75的時(shí)鐘控制端CLK產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖，其輸出1Q2Q3Q4Q也為1111。使74LS47的七路輸出全為0，則此時(shí)七段數(shù)碼管顯示為滅燈狀態(tài)。

(2)保持 開(kāi)關(guān)J1閉合，74LS160工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)。J2斷開(kāi)，74LSl75的時(shí)鐘控制端CLK=0輸出保持，則此時(shí)七段數(shù)碼管顯示狀態(tài)也保持。

(3)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) 開(kāi)關(guān)Jl閉合，74LS160工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)。按下開(kāi)關(guān)J2，74LSl75的時(shí)鐘控制端CLK產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖，其輸出lQ-4Q為該時(shí)刻計(jì)數(shù)器的輸出QA～QD，通過(guò)74LS47譯碼后七段數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)。

根據(jù)如圖4所示的整體電路，為了更好地顯示整體電路，由555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)用Multisim軟件中的時(shí)鐘信號(hào)源來(lái)代替。圖4電路通過(guò)J1使74LS160處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)在0到9范圍內(nèi)任意設(shè)定一定范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)J3打到5V時(shí)產(chǎn)生0-9范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，將J3打到另一邊，然后通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)S1選擇不同范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，從左到右順時(shí)針依次是0-1、0-2、……0-8范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，最后通過(guò)按下開(kāi)關(guān)J2產(chǎn)生設(shè)定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。如圖當(dāng)J1閉合，J3選擇其它范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，S1選擇開(kāi)關(guān)打到0-6范圍內(nèi)，此時(shí)按下J2停止后在譯碼顯示器顯示隨機(jī)數(shù)是4。在規(guī)定的0-6范圍內(nèi)，該電路滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 仿真電路

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用所學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)》知識(shí)設(shè)計(jì)并仿真了可預(yù)置數(shù)的1位隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生電路，讓我們不僅了解數(shù)字電路應(yīng)用的廣泛性，而且了解Multisiml0軟件具有直觀(guān)的圖形界面、龐大的元器件庫(kù)、豐富的測(cè)試儀器、完備的分析工具、強(qiáng)大的仿真能力等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電子電路的教學(xué)、設(shè)計(jì)和科研中。

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