宋 瑾

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 蘇州 215000)

基于Multisim 10的8路彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

宋 瑾

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 蘇州 215000)

采用數(shù)字集成電路的控制方法,結(jié)合計(jì)數(shù)器74LS161、寄存器74LS194設(shè)計(jì)了一款8路彩燈控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)雙向流水及閃爍.詳細(xì)介紹了電路的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成方法,并以Multisim10軟件為平臺(tái),利用信號(hào)發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀等虛擬儀器對(duì)各單元電路及整體電路進(jìn)行了分析與仿真,結(jié)果證明了設(shè)計(jì)電路功能與理論分析的一致性.所述方法的創(chuàng)新點(diǎn)是將電路設(shè)計(jì)與軟件仿真相結(jié)合,提高了電路設(shè)計(jì)的效率.

彩燈控制系統(tǒng);Multisim;虛擬儀器;仿真

在繁華都市的夜晚,形形色色的廣告牌配以五彩繽紛的霓虹燈,將城市的夜幕裝扮的格外耀眼.彩燈的控制方法有很多種,有依靠傳統(tǒng)分立元件搭建的,有利用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的,還有以單片機(jī)智能控制的等.本文采用數(shù)字集成電路[1]的控制方法,結(jié)合計(jì)數(shù)器、寄存器設(shè)計(jì)了一款8路彩燈控制系統(tǒng).

Multisim是由加拿大Interactive Image Technologies公司開(kāi)發(fā)[2],后被美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments)有限公司收購(gòu)的,以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件,適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作.它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式,結(jié)合其虛擬儀器技術(shù),完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程.本文以Multisim 10軟件為平臺(tái)設(shè)計(jì)8路彩燈控制系統(tǒng)原理圖,利用其虛擬儀器技術(shù)完成仿真,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)一款8路彩燈控制系統(tǒng).要求:

(I)8路彩燈從左向右逐次漸亮,間隔為1 s.

(II)8路彩燈從右向左逐次漸滅,間隔為1 s.

(III)8路彩燈閃爍:同時(shí)亮,時(shí)間為0.5 s,然后同時(shí)滅,時(shí)間為0.5 s,反復(fù)4次.

1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)需要,本彩燈控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,包括時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、循環(huán)控制電路、編碼電路和顯示電路4個(gè)部分.

圖1 彩燈控制系統(tǒng)原理框圖Fig. 1 Block diagram of colorful lights control system

時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào);循環(huán)控制電路為編碼器提供所需的節(jié)拍脈沖及控制信號(hào),控制整個(gè)系統(tǒng)工作;編碼電路根據(jù)系統(tǒng)功能按節(jié)拍輸出8路編碼信號(hào),控制8路彩燈按規(guī)定的規(guī)律亮、滅;顯示電路主要由8個(gè)發(fā)光二極管組成,實(shí)現(xiàn)彩燈的輸出狀態(tài).

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路

時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路用來(lái)為系統(tǒng)提供脈沖信號(hào),即為循環(huán)控制電路和編碼電路提供時(shí)鐘脈沖.根據(jù)設(shè)計(jì)要求,第I、II種花型間隔時(shí)間為1 s,第III種花型間隔時(shí)間為0.5 s,是第I、II種花型間隔時(shí)間的一半.文中用555定時(shí)器外接電阻、電位器、二極管、電容元件構(gòu)成占空比為50%、周期為1 s的多諧振蕩器,得到相應(yīng)的時(shí)間脈沖如圖2所示.

圖2 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路Fig. 2 Clock pulse generating circuit

555定時(shí)器與外接電阻、電位器、電容元件構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器即引腳6(THR)和2(TRI)直接相連接到R2和C1連接處,放電端引腳7(DIS)接到R3、R2連接處.接入兩個(gè)二極管D1、D2后,使電路充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑.電路[3]沒(méi)有穩(wěn)態(tài),僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài),不需要外加觸發(fā)信號(hào),利用電源通過(guò)R1、R3A(滑動(dòng)端上部)和D1向C1充電,以及C1通過(guò)D2、R2、R3B(滑動(dòng)端下部)向放電端DIS放電,使電路產(chǎn)生振蕩.

則充電時(shí)間為:

放電時(shí)間為:

振蕩周期為:

占空比為:

如圖2參數(shù)設(shè)置R1=R2=22 KΩ,C1=10 μF,R3=100 kΩ,滑動(dòng)端調(diào)到50%,根據(jù)公式(3)計(jì)算可得T約為1 s,即555定時(shí)器引腳3輸出周期為1 s的脈沖,根據(jù)公式(4)計(jì)算得占空比為50%,即高電平、低電平各占0.5 s.

圖2中XSC1是雙通道示波器,Multisim 10中的常用虛擬儀器.它包括通道A和通道B以及外觸發(fā)端3對(duì)接線(xiàn)端子[4].圖2中B端子顯示了555定時(shí)器的輸出信號(hào)波形,測(cè)量出周期信號(hào)約為1 s,與分析一致,為后面的控制電路提供了秒脈沖信號(hào).

2.2 循環(huán)控制電路

分析功能,花型I從左到右依次亮需要8個(gè)CLK脈沖信號(hào),共8秒,花型II從右到左依次滅需要8個(gè)CLK脈沖信號(hào),共 8 s,花型III閃爍4次,每次各亮滅0.5 s,共4 s,需要4個(gè)CLK脈沖信號(hào),完成整個(gè)一次大循環(huán)需要20個(gè)CLK脈沖信號(hào).

控制器需產(chǎn)生一個(gè)20拍的節(jié)拍脈沖用于控制后續(xù)編碼器電路的工作,本設(shè)計(jì)利用清零法將2個(gè)四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS161接成20進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生節(jié)拍脈沖,形成20進(jìn)制循環(huán)控制電路,如圖3所示,U4為高位,U3為低位.

74LS161為四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器,具有異步清零、置數(shù)、計(jì)數(shù)的功能,CLK為時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)、ENP及 ENT為計(jì)數(shù)控制信號(hào)、為預(yù)置數(shù)控制信號(hào)、為異步清零控制信號(hào),ABCD為預(yù)置數(shù)輸入信號(hào)、QAQBQCQD為狀態(tài)輸出信號(hào).當(dāng)為低電平時(shí),異步清零即QAQBQCQD=0000;當(dāng)為高電平,且置數(shù)端為低電平時(shí),在脈沖信號(hào)CLK下降沿到來(lái)時(shí)(Multisim 10版本中,74LS161的時(shí)鐘脈沖CLK為下降沿觸發(fā)),完成置數(shù)功能即QA=A, QB=B, QC=C,QD=D;當(dāng)、ENP、ENT均為高電平時(shí),完成對(duì)CLK的計(jì)數(shù)功能.

74LS161是異步清零的計(jì)數(shù)器,如圖3,控制電路工作脈沖從00000(即0)～10011(即19),用與非門(mén)檢測(cè)到10100(即 20)后接至清零端,使計(jì)數(shù)器直接清零,進(jìn)行下一個(gè)循環(huán).

圖3中XFG1和XLA1均是Multisim 10中的虛擬儀器.其中XFG1是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,是可提供正弦波、三角波、方波3種不同波形信號(hào)的電壓信號(hào)源.XLA1是邏輯分析儀,用于對(duì)數(shù)字邏輯信號(hào)的高速采集和時(shí)序分析,可以同步記錄和顯示16路數(shù)字信號(hào)[5].圖3中用邏輯分析儀的1～5路觀(guān)察2個(gè)74LS161低5位輸出端的波形,與分析結(jié)果一致.

2.3 編碼電路

編碼電路要求根據(jù)設(shè)計(jì)功能即花型按節(jié)拍送出8位狀態(tài)編碼信號(hào),以控制顯示電路中彩燈按規(guī)律亮滅.本文選用雙向移位寄存器74LS194及門(mén)電路組成編碼電路.

圖3 20進(jìn)制循環(huán)控制電路Fig. 3 20-loop control circuit

74LS194是中規(guī)模集成四位雙向移位寄存器,具有雙向移位、并行輸入/輸出數(shù)據(jù)、保持及異步清零的功能[6],其主要功能是在時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí),若工作方式控制端S1、S0為"11"時(shí),并行輸入數(shù)據(jù);若S1、S0為"10"時(shí),數(shù)據(jù)左移,若S1、S0為"01"時(shí),數(shù)據(jù)右移,若 S1、S0為"00"時(shí),則輸出保持不變.

分析設(shè)計(jì)功能,20進(jìn)制循環(huán)控制電路控制編碼電路的工作如表1所示,2個(gè)計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端從高位到低位分別取QEQDQCQBQA.花型I要求從左向右依次漸亮,間隔1 s.因此,在秒脈沖QB作用下,計(jì)數(shù)器從00000～00111,這8個(gè)節(jié)拍共8秒時(shí)間內(nèi),控制74LS194完成右移高電平的動(dòng)作,則S1=0,S0=1,SR=1.花型II要求從右向左依次漸滅,間隔1 s.因此,在秒脈沖QB作用下,計(jì)數(shù)器從01000～01111,這8個(gè)節(jié)拍共8秒時(shí)間內(nèi),控制74LS194完成左移低電平的動(dòng)作,則S1=1,S0=0,SL=0.花型III,要求閃爍4次,即同亮0.5 s再同滅0.5 s.因此,在秒脈沖作用下,計(jì)數(shù)器從10000～10110這4個(gè)節(jié)拍共4 s時(shí)間內(nèi),控制74LS194在每1秒內(nèi)都先置1后清零,即半個(gè)周期置1,半個(gè)周期清零,反復(fù)4次,則S1=S0=1,清零時(shí)=0.

根據(jù)表格分析可得74LS194的各端口邏輯控制關(guān)系如下:

表1 計(jì)數(shù)器控制寄存器工作過(guò)程Tab.1 Counter control register process

3 整體電路設(shè)計(jì)與仿真

各單元電路設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)整個(gè)彩燈控制電路系統(tǒng).圖4中的XSC1是4通道示波器,它可用來(lái)同時(shí)顯示4路信號(hào)的波形,還可以測(cè)量信號(hào)的頻率、幅度和周期等參數(shù),主要用來(lái)同時(shí)觀(guān)測(cè)多路信號(hào).圖中A端接秒脈沖信號(hào)U1OUT,B、 C端接寄存器的S1、S0端,D端接寄存器的端.示波器分析結(jié)果如圖5所示,1～8秒 S1=0,S0=1,=1,2～16秒 S1=1,S0=0,=1,17～20秒S1=S2=1,在高低電平間振蕩反復(fù)4次.

4 結(jié)束語(yǔ)

文中有機(jī)地將移位寄存器、集成計(jì)數(shù)器等數(shù)字邏輯器件相結(jié)合,構(gòu)成一款8路彩燈控制系統(tǒng)電路.又將計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim 10[7]引入到電路設(shè)計(jì)中,使電路設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試融合在一起,大大提高了電路設(shè)計(jì)的可靠性和成功率.

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圖4 8路彩燈控制系統(tǒng)Fig. 4 8-channel colorful lights control system

圖5 寄存器控制端波形圖Fig. 5 Register control terminal waveform

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Design and simulation of 8-channel colorful lights control system based on multisim 10

SONG Jin
(School of Electronics & Information, Soochow University, Suzhou 215021, China)

An 8-channel colorful lights control system was designed in this paper, use the control method for digital integrated circuit and combination of the counter 74LS161 and the register 74LS194, in order to realize bidirectional flow and flicker. Introduces the principle of circuit design and construction method, using virtual instruments such as the function signal generator, oscilloscope, logic analyzer etc. to analyze and simulate on cell circuits and the whole circuits in the platform of Multisim 10 software. The result proves the good agreement between circuit design and theory analysis. The innovation of the paper is that the circuit design and software circuit simulation are combined, improve the efficiency of the circuit design.

colorful lights control system; Multisim; virtual instruments; simulation

TN79+1

A

1674-6236(2014)07-0113-04

2013-08-05稿件編號(hào):201308045

宋 瑾(1980-),女,江蘇蘇州人,碩士,講師.研究方向:電子線(xiàn)路設(shè)計(jì).