基于Multisim的四花型流水燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真

吳迎春，馬 晴，陳家明

（1.咸陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.皮山縣木吉鎮(zhèn)人民政府，新疆 皮山 845150）

彩燈在我國(guó)擁有悠久的發(fā)展歷史，并且具有非常高的文化價(jià)值。隨著技術(shù)的發(fā)展和制燈材料的變化，彩燈的種類和花樣也越來(lái)越豐富，這對(duì)于彩燈控制電路的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。文獻(xiàn)[1]中基于Multisim所設(shè)計(jì)的彩燈控制電路可以實(shí)現(xiàn)兩種花型，文獻(xiàn)[2]中基于Multisim所設(shè)計(jì)的彩燈控制電路能實(shí)現(xiàn)3種花型，但不能實(shí)現(xiàn)花型間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。本文以Multisim為工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一四花型流水燈控制電路，并進(jìn)行仿真。與文獻(xiàn)結(jié)果相比，本文所得電路花型更豐富，且能實(shí)現(xiàn)花型間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

1 流水燈控制電路組成及工作原理

今天的彩燈除了照明，更多地用于裝飾美化城市景觀和烘托節(jié)日氣氛。本文所設(shè)計(jì)的流水燈控制電路主要由555定時(shí)器、模十六計(jì)數(shù)器74LS161、雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153、雙D觸發(fā)器74LS74和八位移位寄存器74LS164等集成芯片構(gòu)成，以控制八路彩燈，實(shí)現(xiàn)4種花型?；ㄐ鸵粸橐粋€(gè)彩燈點(diǎn)亮，從左往右移動(dòng)；花型二為兩個(gè)彩燈點(diǎn)亮，從左往右移動(dòng)；花型三為4個(gè)彩燈點(diǎn)亮，從左往右移動(dòng)；花型四為所有彩燈從左往右依次點(diǎn)亮，然后又從左往右依次熄滅。

1.1 電路的組成

本文設(shè)計(jì)的流水燈控制電路由脈沖發(fā)生電路、花型代碼產(chǎn)生電路、自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路和顯示電路四個(gè)單元模塊構(gòu)成，電路組成框圖如圖1所示。

（1）時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路：整體電路中設(shè)置了時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路1和時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路2兩個(gè)脈沖產(chǎn)生電路，其中時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路1用于為花型代碼產(chǎn)生電路和數(shù)據(jù)輸出顯示電路提供時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路2用于為自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路提供時(shí)鐘脈沖。兩個(gè)脈沖產(chǎn)生電路均由555定時(shí)器、電阻和電容構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

圖1 流水燈控制電路組成框圖

（2）花型代碼產(chǎn)生電路：用于產(chǎn)生4種花型所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。它是由模十六計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端和與門74LS08、非門74LS04構(gòu)成的組合邏輯門相連接來(lái)構(gòu)成[4-5]。

（3）自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路：把雙D觸發(fā)器74LS74連接成一個(gè)4進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，把兩個(gè)輸出端接四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153的地址變量輸入端，這樣流水燈的4種花型就能夠進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

（4）數(shù)據(jù)輸出顯示電路：用來(lái)觀察流水燈花型的顯示情況。八位移位寄存器74LS164可以實(shí)現(xiàn)彩燈狀態(tài)的右移，把移位寄存器的8個(gè)輸出端口分別與彩燈和電阻相連接，就能觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]。

1.2 流水燈控制電路的工作原理

花型代碼產(chǎn)生電路在時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路1產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖的控制下，可以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)4種花型的二進(jìn)制代碼。

將自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路中的雙D觸發(fā)器74LS74連接成一個(gè)4進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路2產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖控制下，雙D觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q2、Q1就會(huì)輸出00、01、10、11等4種不同的邏輯狀態(tài)，將Q2、Q1接至四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153的地址變量端，來(lái)控制四選一數(shù)據(jù)選擇器所要輸出的花型代碼，每一種邏輯狀態(tài)與一種花型的二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)。自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路中四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153的數(shù)據(jù)輸入端分別與花型代碼產(chǎn)生電路的一個(gè)輸出端相連接，這樣就將花型代碼產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的4種花型代碼送到了四選一數(shù)據(jù)選擇器的四路數(shù)據(jù)輸入端。

將四選一數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸出端接到顯示電路中的八位移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，接著四選一數(shù)據(jù)選擇器就會(huì)把控制彩燈花樣的二進(jìn)制代碼送到八位移位寄存器中，在脈沖產(chǎn)生電路1提供的時(shí)鐘脈沖信號(hào)的作用下，八位移位寄存器接收到的數(shù)據(jù)就會(huì)在移位寄存器的八位并行輸出端QH～QA從低位向高位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)右移。在顯示電路中就會(huì)看到彩燈的4種花型能夠自動(dòng)循環(huán)。表1給出了4種花型及其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。對(duì)應(yīng)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路1的16個(gè)脈沖周期，花型一、花型二和花型三可以循環(huán)兩次，花型四可以循環(huán)一次。

表1 四種花型及其對(duì)應(yīng)二進(jìn)制代碼

2 整機(jī)電路的仿真與調(diào)試

2.1 整機(jī)電路的原理圖

整機(jī)電路是將脈沖發(fā)生電路、花型代碼產(chǎn)生電路、自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路和顯示電路4個(gè)電路模塊進(jìn)行有效的連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)流水燈的4種花型。四花型流水燈控制電路的整機(jī)電路圖如圖2所示。

2.2 整機(jī)電路的調(diào)試

四個(gè)電路模塊連接完成后，進(jìn)行了仿真調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)彩燈的一種花型還沒(méi)有完成，就開(kāi)始進(jìn)行下一種花型。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種情況的原因是自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路中雙D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖周期太短，小于花型代碼產(chǎn)生電路中模十六計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖周期的16倍，從而使得一種花型還沒(méi)有完成就轉(zhuǎn)換到下一種花型。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路2中的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大了多諧振蕩器輸出時(shí)鐘脈沖的周期，保證在完成一種花型后，雙D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)才會(huì)改變，四選一數(shù)據(jù)選擇器才會(huì)選擇下一種花型的二進(jìn)制代碼進(jìn)行輸出，這時(shí)彩燈的花型才發(fā)生改變。即時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路2的脈沖信號(hào)的周期必須大于時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路1的脈沖信號(hào)周期的16倍，這樣才能保證一種花型完全完成后再轉(zhuǎn)換到下一花型。

圖2 整機(jī)電路圖

圖3 四種花型的仿真結(jié)果

2.3 整機(jī)電路的仿真分析

對(duì)整機(jī)電路進(jìn)行仿真調(diào)試后，電路能實(shí)現(xiàn)四種花型。圖3中給出四種花型的仿真結(jié)果。以圖3（a）花型一的仿真結(jié)果為例，當(dāng)電路電源接通后，此時(shí)雙D觸發(fā)器74LS74輸出的邏輯狀態(tài)為00，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153將會(huì)選擇實(shí)現(xiàn)花樣一的二進(jìn)制代碼10000000進(jìn)行輸出，八位移位寄存器74LS164接收到二進(jìn)制代碼10000000，在多諧振蕩器提供的時(shí)鐘脈沖控制下，就會(huì)觀察到一個(gè)彩燈點(diǎn)亮，并且開(kāi)始從左向右移動(dòng)，循環(huán)兩次?；ㄐ鸵唤Y(jié)束后，74LS74將分別輸出01、10、11等3種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)花型二、花型三和花型四。

與已有的仿真結(jié)果[1-2]對(duì)比，本文所得仿真結(jié)果花型更豐富，且能實(shí)現(xiàn)花型間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，循環(huán)往復(fù)。

3 結(jié)論

應(yīng)用Multisim進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)和仿真可以突破實(shí)驗(yàn)室元件短缺的制約，節(jié)約成本，便于電路設(shè)計(jì)后期的優(yōu)化和測(cè)試[7-8]。本文基于Multisim設(shè)計(jì)了一四花型流水燈控制電路，用于控制八路流水燈，用到了模十六計(jì)數(shù)器74LS161、雙D觸發(fā)器74LS74、雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153、八位移位寄存器74LS164等集成芯片。Multisim仿真結(jié)果顯示，該流水燈控制電路可以實(shí)現(xiàn)四種花型，循環(huán)往復(fù)。與文獻(xiàn)結(jié)果相比，本文所得電路花型更豐富，且能實(shí)現(xiàn)花型間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。