电路设计与仿真

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1、电路设计与仿真实验目的：1、通过该实验对电路描述语言Verilog HDL有一个初步的学习和了解， 初步掌握 MAX-PLUS 的使用方法。2、通过使用 555 定时器设计模拟电子电路和设计抢答器数字电路并用 multisim 软件进行仿真分析，掌握电路设计与仿真的一般方法，并 掌握 multisim 软件的使用方法。实验内容此次试验一共分为两个大的部分，第一部分采用模块化电路语言 Verilog HDL 设计一个交通灯控制电路。第二部分是使用 multisim 电路设计软件设计并 仿真一个由555 构成的波形发生模拟电路和由锁存器组成的抢答器数字电路。一 下是分别对各试验过程和结果进行的描述

2、和仿真结果。实验一、交通灯控制器设计一、实验要求下图（1）为交通灯控制器框图，图中RA、GA为十字路口东西方向（方向 A）红绿灯，RB、GB为南北方向（方向B）红绿灯。CLK为内部时钟脉冲，它 的频率为一分钟一次，在它的作用下，交通灯交替工作，使 A 向、 B 向轮流放 行一分钟，C、D为设置在路边的按钮，当行人想过马路时，可按下C或D按钮,控制器接收到此信号，就会在当前的一分钟周期结束后，全部红灯亮，也持续一 分钟，让行人通过，以后再回到原工作循环。二、设计步骤交通正常运行时，A、B会交替亮起红灯，时间间隔为一分钟。当有行人要 通过马路时，会先按下C或D按钮，此时A和B的红灯会在下一个周期亮

3、起让 行人通过，在下一周期会跳回正常通行状态。由上述可知此电路要分成三个部分：1、由于现实中时钟信号多为高频，所以要加入分频电路使得产生合适 于此电路的时钟信号。2、由RS触发器和锁存器构成的信号保持电路，实现对行人信号C和D 的状态保持。3、由状态转换程序实现的交通灯状态转换电路。本电路可由四个状态实现全部功能：s0 状态： A 向（东西）通行；00s1 状态： B 向（南北）通行；01s2 状态： A 向通行后转行人通过；以后转 B 向通行；10s3 状态： B 向通行后转行人通过；以后转 A 向通行；11交通灯亮起的状态有四种情况：红灯 ALamp0绿灯 Alamp1红灯 Blamp2绿

4、灯 Blamp3A 东西S01001B 南北S10110行CS21010行DS31010交通灯状态转换图如下图（2）中所示：图 ( 2 )采用Verilog语言设计，源程序代码如下所示: module traffic(lamp,xinput,clk,clk_in,reset,c,d); input clk;input reset;input c;input d;output xinput;reg xinput;reg15:0 a;output3:0 lamp;reg3:0 lamp;reg1:0 mm;output clk_in;reg clk_in;parameter b=1000;alwa

5、ys (posedge clk)beginif(reset)beginif(a=b)beginclk_in=clk_in;a=0;endelsebegina=a+1;clk_in=0;endendelseclk_in=0;endparameter s0=2b00,s1=2b01,s2=2b10,s3=2b11; parameter lg0=4b1001,lg1=4b0110,lg2=4b0101; always (posedge clk_in or negedge reset) beginif(reset=0)beginxinput=0; mm=2b00; lamp=lg0;endelseif

6、(c!=1)|(d!=1)beginxinput=1;endelsebeginxinput=0;endcase(mm)s0: beginif(xinput)begin mm=s2; lamp=lg2; end else begin mm=s1; lamp=lg1; end end s1: begin if(xinput) begin mm=s3; lamp=lg2; end else begin mm=s0; lamp=lg0; endends2: begin lamp=lg1; mm=s1; ends3: begin lamp=lg0; mm=s0;endendcaseend endmodu

7、le 通过编译生成的电路图如下图（3）所示CLKNpLiT RESETiHNjTVCiHNjTvc：cIIILITi-0CLKRE SETL A MP 3 . . OXINPUTCCLK _IHIVIM pl ITr:1.： .II Mr U 1OUTPUTrri l L3.O图（3）四、仿真结果仿真的结果如下图（4）中所示，由图中逻辑关系可以分析出本次的设计满 足了试验的要求。i ii KAX+plus II d: Mydesignt raff icg - traff icg. scf Wavef or Edit or.0 MAX+plus II File Edit View Node As

8、sign Utilities Options Window HelpRef: |1U.0sTime: |349s| Interval: |-6.51s|10.0sName:Value: I 1.0s2.0s3.0s4.0s5.0s6.0s7.0s8.0s9.0s10l0s11.0s12.0s13.0s14.0s15.0s16.0s17.0s18.0si- RESET 1 T；CLKCQ XINPUT-E L3L1L0四、实验总结此次实验设计时第一次使用 Verilog 语言进行电路的设计与仿真，所以在试 验中由于不熟悉 MAX-PLUS 软件，遇到了很多的问题，比如语言的语法结构和 编译调试的

9、方法都出现了不少问题。经过同学之间的相互讨论和老师的指导，我 逐渐学会了 Verilog 语言的编程方法，完成了电路的设计和仿真。实验中所设计 的交通灯控制电路，虽然不是很完美，但也实现了基本的功能，达到了实验课程 的要求。通过这次的实验，我掌握了通过 Verilog 语言设计和仿真电路的一般步 骤和方法，为以后工作和学习中进行电路设计和仿真打下了基础。实验二 基于 multisim 的电路设计与仿真一、实验内容1、熟悉和掌握multisim电路仿真软件的使用方法。2、熟悉和掌握模拟电子电路的一般设计步骤和方法，了解 555芯片的引脚 功能和使用 555 设计波形发生电路的方法。3、熟悉和掌握

10、数字电路的一般设计步骤和方法，了解锁存芯片的功能。基于555的群波发生器设计与仿真1、实验步骤在 multisim 7 电路窗口中创建如图（5）中所示的电路，将两个 555 电路分别构成两个频率不同的多谢振荡器（频率差异较为显著），左 侧的振荡频率要远小于右侧振荡器，将左侧振荡器的输出信号连接至 右侧的复位端，将振荡器器输出连接至示波器观察产生的波形。图 （ 5 ）仿真电路设计线路连接图如上图（5）中所示，其中个元器件的选择均可达 到要求的指标。2、实验结果图（6） 开始仿真程序以后，打开示波器，调节双通道示波器的各个参数，使得实验 波形能准确清晰的显示。如上图中所示，左侧振荡器的波形为周期较

11、长的波形， 其上升沿触发高频振荡器工作，虽然高频波形的形状不是很完美，但整体来说此 结果还是达到了预期的实验结果，较好的展示了 555 产生脉冲波形的功能。三、基于锁存器的抢答器电路设计与仿真1、实验步骤抢答器电路要能识别出 4 位数据中第一位到来的数据，并且对以后到来的数 据不再作出响应。具体是哪一位数据首相到来，通过简单的LED显示即可看出， 其仿真电路如图（7）中所示。电路工作时，锁存器的极性端 E0 处于高电平， E1 端由输出信号和复位以及 开始开关控制。当开始开关 S 断开时，锁存器处于未工作的状态，其输出均为低 电平。当S开关和E开关闭合时，此时E1位于低电平，若ABCD中有一个

12、开 关动作，就会使E1位于高电平，从而屏蔽其他开关的状态，保持了 D0D3的前 一个状态，这时对应于相应开关的LED就会亮起。此时如果断开E开关，则锁 存器会处于工作状态接收信号，从而可以完成对锁存器复位的功能。如果 E 开 关处于断开的状态，则锁存器一直刷新存储状态， ABCD 的状态均可反映到 LED 显示。2、实验结果通过仿真演示可以看出，当电路开始工作时，B开关闭合，此时对应的LED2 会亮起，并且此时电路会屏蔽其他三个开关的输入，通过 E 开关可以复位至电路的初始状态，S开关控制整个电路的起始，其仿真的结果如图（8）所示。可以看出，实验的设计基本满足了任务中的要求。G1U1P.4lk

13、Oliiii lkOliiii lkOvccLED丄P.7100 011111LED 2P.6100 011111LEDSLED 4UZNO P.2P.8-Wv-100 OillLLU5AMI：它VCCP.9100 OillLLvccRE5 U U 匚 I hmlllLklkUlllLLMAI-JI：4DO00-00DI01 01D202 -02D303 -03EO El4042BD SV图（7）100 IJ11ILL100 Ohm500 ijhiliDO00 LILIDI01 -01D2oz LIZ：D303 03EO El1UU U11ILL图（8）四、实验总结通过 multisim 软件完成两个电路的设计和仿真，基本上熟悉和掌握了 multisim 软件平台的使用方法。也掌握了数字电路和模拟电路设计和仿真的一般 步骤和方法，虽然在实验中遇到了不少的困难，但通过同学间的相互讨论和老师 的指导，我顺利完成了实验的要求任务。所设计的实验都通过 multisim 进行了仿 真，并且得到的实验结果均满足了设计和预想的要求。此次实验既是对以前所学 数字电路和模拟电路等课程的复习和应用，同时也培养了自己独立设计和思考的 能力，为以后的学习和研究打下了基础。