流水燈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

◇寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 韓芝俠 王曉利 張文娟

為幫助學(xué)生理解掌握中規(guī)模數(shù)字集成器件的應(yīng)用，本文在Multisim環(huán)境下完成了8路流水燈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真，并拓展到如何設(shè)計(jì)10路或16路流水燈，以此訓(xùn)練電類工科學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

計(jì)數(shù)器、譯碼器是數(shù)字電路中使用最多的中規(guī)模集成器件，本文以此為核心設(shè)計(jì)了流水燈控制電路，并在Multisim環(huán)境下進(jìn)行了虛擬仿真，結(jié)果直觀清晰，電路調(diào)試方便[1]。此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案只是一個(gè)用于學(xué)習(xí)和實(shí)踐的簡化案例，旨在讓學(xué)生感受學(xué)以致用的價(jià)值，提高學(xué)習(xí)興趣及電路分析和設(shè)計(jì)能力。隨著后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，將會(huì)有其他更好更簡潔的技術(shù)方案[2]。

1 任務(wù)要求及設(shè)計(jì)方案

任務(wù)要求：8路彩燈能夠自動(dòng)循環(huán)點(diǎn)亮，產(chǎn)生一種流動(dòng)變化的效果，俗稱流水燈控制。

設(shè)計(jì)方案：先設(shè)計(jì)8進(jìn)制計(jì)數(shù)器，以控制8路信號；計(jì)數(shù)器的輸出接3-8譯碼器的輸入，以產(chǎn)生8個(gè)輸出信號中唯一有效的輸出脈沖，后級再接入發(fā)光二極管以顯示流水燈效果。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

器件介紹如下所示。

74160是異步清零、同步預(yù)置數(shù)的集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器[3]，CLK時(shí)鐘輸入端，上升沿有效；～CLR 異步清零端，低電平有效；～LOAD同步預(yù)置數(shù)控制端，低電平有效；ENP/ENT工作狀態(tài)控制端，高電平有效；DCBA數(shù)據(jù)輸入端，用于預(yù)置計(jì)數(shù)器初始狀態(tài)；QDQCQBQA計(jì)數(shù)器輸出端。

74LS138是集成3-8譯碼器[3]，CBA是地址輸入端，Y0-Y7是八個(gè)輸出譯碼線，低電平有效；還有三個(gè)使能端，只有G1=1，G2A+G2B=0時(shí)，譯碼器才處于工作狀態(tài)，例如CBA=001，Y1號輸出線上有信號，為低電平0，其余輸出線都為高電平1；當(dāng)使能端不滿足上述狀態(tài)時(shí)，譯碼器禁止工作，輸出全部為1。

2 流水燈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

在Multisim環(huán)境下給出如圖2所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路。其中：

時(shí)鐘信號：CLK來自于信號源提供的方波信號，頻率1 Hz，幅值5 V。

計(jì)數(shù)器：利用一片74160，采用同步預(yù)置數(shù)法設(shè)計(jì)八進(jìn)制計(jì)數(shù)器。若DCBA預(yù)置0000，則置數(shù)控制端～LOAD=0的信號就從QDQCQBQA= 0111的狀態(tài)譯出，即將QCQBQA通過與非門送到～LOAD端（因?yàn)樗峭筋A(yù)置數(shù)，低電平有效），同時(shí)將～CLR端、ENP/ENT接高電平。工作時(shí)每來一個(gè)CLK上升沿，計(jì)數(shù)器累計(jì)加1，當(dāng)計(jì)到0111時(shí)，盡管～LOAD=0，但必須等到下一個(gè)CLK上升沿到來，才會(huì)將0000置入計(jì)數(shù)器，所以穩(wěn)定的計(jì)數(shù)狀態(tài)中包含0111，從而實(shí)現(xiàn)0到7共8個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的循環(huán)。

譯碼器：因?yàn)橐来慰刂?個(gè)燈中的其中1個(gè)點(diǎn)亮，所以采用一片74LS138即可，按功能表要求將三個(gè)使能端G1G2AG2B如 圖2依次接高、低電平，三個(gè)地址端CBA接計(jì)數(shù)器的低三位輸出端QCQBQA。

顯示電路：因?yàn)樽g碼器正常譯碼時(shí)，只有1個(gè)輸出譯碼線為低電平，其余7個(gè)都是高電平，所以將譯碼器的輸出接到發(fā)光二極管的陰極，陽極則通過限流電阻接到高電平上。

仿真分析：在Multisim下啟動(dòng)仿真運(yùn)行按鈕，則八個(gè)發(fā)光二極管從上到下輪流被點(diǎn)亮，一次只亮一個(gè)，產(chǎn)生一種流水燈效果。

3 拓展知識(shí)

歸納總結(jié)該電路工作過程，思考以下問題：

（1）如果將圖2中所有發(fā)光二極管的位置反向，則實(shí)現(xiàn)的就是八個(gè)發(fā)光二極管從上到下輪流被熄滅，一次只滅一個(gè)，產(chǎn)生一種流水燈效果。

圖2 8路流水燈控制電路

（2）如何實(shí)現(xiàn)10路流水燈控制？可直接用一片74160實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)，不需要門電路；再用2片3-8譯碼器擴(kuò)展成為4-16譯碼器。重難點(diǎn)是計(jì)數(shù)器的輸出與譯碼器地址端、使能端的連接。即兩片譯碼器的CBA分別相連后對應(yīng)接到計(jì)數(shù)器的QCQBQA上，第一片的使能端G1接 高電平，G2AG2B與第二片的G1相接作為變量D對應(yīng)接到計(jì)數(shù)器的QD上，第二片的G2AG2B接 低電平。10個(gè)發(fā)光二極管分別接到第一片的八個(gè)輸出譯碼線上及第二片的低兩位輸出譯碼線上。當(dāng)D=0時(shí)，第一片譯碼器工作，第二片禁止，輸出由第一片決定；當(dāng)D=1時(shí)，第一片禁止，第二片工作，輸出由第二片決定。

（3）如何實(shí)現(xiàn)16路流水燈控制？只需將步驟2中的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器換成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如74161，這樣就可以設(shè)計(jì)10以上16以內(nèi)的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，16個(gè)燈來自于2片譯碼器的所有輸出即可。

（4）如果要求流水燈變化時(shí)頻率快慢可調(diào)，則利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)多諧振蕩器，自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號，其中一個(gè)固定電阻串接電位器，方便調(diào)節(jié)頻率。

4 結(jié)語

基于Multisim的電路設(shè)計(jì)和仿真，方便學(xué)生及時(shí)消化理解課堂知識(shí)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[4]。本文通過數(shù)字電路中一個(gè)具體實(shí)例的設(shè)計(jì)、仿真及分析，進(jìn)而引申到設(shè)計(jì)任務(wù)要求不同時(shí)如何進(jìn)行變通，引發(fā)學(xué)生積極思考并拓展訓(xùn)練所學(xué)知識(shí)，使學(xué)生熟悉并掌握《數(shù)字電子技術(shù)》課程中典型電路的分析、設(shè)計(jì)、仿真等完整步驟和方法，以培養(yǎng)工科學(xué)生分析問題、解決問題、實(shí)踐動(dòng)手及創(chuàng)新思維能力。