基于Multisim 10的8路彩灯控制系统设计与仿真

宋 瑾

(苏州大学 电子信息学院,江苏 苏州 215000)

基于Multisim 10的8路彩灯控制系统设计与仿真

宋 瑾

(苏州大学 电子信息学院,江苏 苏州 215000)

采用数字集成电路的控制方法,结合计数器74LS161、寄存器74LS194设计了一款8路彩灯控制系统,可以实现双向流水及闪烁.详细介绍了电路的设计原理及构成方法,并以Multisim10软件为平台,利用信号发生器、示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器对各单元电路及整体电路进行了分析与仿真,结果证明了设计电路功能与理论分析的一致性.所述方法的创新点是将电路设计与软件仿真相结合,提高了电路设计的效率.

彩灯控制系统;Multisim;虚拟仪器;仿真

在繁华都市的夜晚,形形色色的广告牌配以五彩缤纷的霓虹灯,将城市的夜幕装扮的格外耀眼.彩灯的控制方法有很多种,有依靠传统分立元件搭建的,有利用数字逻辑电路构成的,还有以单片机智能控制的等.本文采用数字集成电路[1]的控制方法,结合计数器、寄存器设计了一款8路彩灯控制系统.

Multisim是由加拿大Interactive Image Technologies公司开发[2],后被美国国家仪器(National Instruments)有限公司收购的,以Windows为基础的仿真软件,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作.它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,结合其虚拟仪器技术,完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程.本文以Multisim 10软件为平台设计8路彩灯控制系统原理图,利用其虚拟仪器技术完成仿真,验证设计的正确性.

1 系统设计

1.1 系统功能

用数字集成电路设计一款8路彩灯控制系统.要求:

(I)8路彩灯从左向右逐次渐亮,间隔为1 s.

(II)8路彩灯从右向左逐次渐灭,间隔为1 s.

(III)8路彩灯闪烁:同时亮,时间为0.5 s,然后同时灭,时间为0.5 s,反复4次.

1.2 设计思路

根据设计需要,本彩灯控制系统原理框图如图1所示,包括时钟脉冲产生电路、循环控制电路、编码电路和显示电路4个部分.

图1 彩灯控制系统原理框图Fig. 1 Block diagram of colorful lights control system

时钟脉冲产生电路为系统提供时钟脉冲信号;循环控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲及控制信号,控制整个系统工作;编码电路根据系统功能按节拍输出8路编码信号,控制8路彩灯按规定的规律亮、灭;显示电路主要由8个发光二极管组成,实现彩灯的输出状态.

2 系统设计

2.1 时钟脉冲产生电路

时钟脉冲产生电路用来为系统提供脉冲信号,即为循环控制电路和编码电路提供时钟脉冲.根据设计要求,第I、II种花型间隔时间为1 s,第III种花型间隔时间为0.5 s,是第I、II种花型间隔时间的一半.文中用555定时器外接电阻、电位器、二极管、电容元件构成占空比为50%、周期为1 s的多谐振荡器,得到相应的时间脉冲如图2所示.

图2 时钟脉冲产生电路Fig. 2 Clock pulse generating circuit

555定时器与外接电阻、电位器、电容元件构成占空比可调的多谐振荡器即引脚6(THR)和2(TRI)直接相连接到R2和C1连接处,放电端引脚7(DIS)接到R3、R2连接处.接入两个二极管D1、D2后,使电路充电电流和放电电流流经不同的路径.电路[3]没有稳态,仅存在两个暂稳态,不需要外加触发信号,利用电源通过R1、R3A(滑动端上部)和D1向C1充电,以及C1通过D2、R2、R3B(滑动端下部)向放电端DIS放电,使电路产生振荡.

则充电时间为:

放电时间为:

振荡周期为:

占空比为:

如图2参数设置R1=R2=22 KΩ,C1=10 μF,R3=100 kΩ,滑动端调到50%,根据公式(3)计算可得T约为1 s,即555定时器引脚3输出周期为1 s的脉冲,根据公式(4)计算得占空比为50%,即高电平、低电平各占0.5 s.

图2中XSC1是双通道示波器,Multisim 10中的常用虚拟仪器.它包括通道A和通道B以及外触发端3对接线端子[4].图2中B端子显示了555定时器的输出信号波形,测量出周期信号约为1 s,与分析一致,为后面的控制电路提供了秒脉冲信号.

2.2 循环控制电路

分析功能,花型I从左到右依次亮需要8个CLK脉冲信号,共8秒,花型II从右到左依次灭需要8个CLK脉冲信号,共 8 s,花型III闪烁4次,每次各亮灭0.5 s,共4 s,需要4个CLK脉冲信号,完成整个一次大循环需要20个CLK脉冲信号.

控制器需产生一个20拍的节拍脉冲用于控制后续编码器电路的工作,本设计利用清零法将2个四位二进制加法计数器74LS161接成20进制计数器来产生节拍脉冲,形成20进制循环控制电路,如图3所示,U4为高位,U3为低位.

74LS161为四位二进制同步加法计数器,具有异步清零、置数、计数的功能,CLK为时钟脉冲输入信号、ENP及 ENT为计数控制信号、为预置数控制信号、为异步清零控制信号,ABCD为预置数输入信号、QAQBQCQD为状态输出信号.当为低电平时,异步清零即QAQBQCQD=0000;当为高电平,且置数端为低电平时,在脉冲信号CLK下降沿到来时(Multisim 10版本中,74LS161的时钟脉冲CLK为下降沿触发),完成置数功能即QA=A, QB=B, QC=C,QD=D;当、ENP、ENT均为高电平时,完成对CLK的计数功能.

74LS161是异步清零的计数器,如图3,控制电路工作脉冲从00000(即0)～10011(即19),用与非门检测到10100(即 20)后接至清零端,使计数器直接清零,进行下一个循环.

图3中XFG1和XLA1均是Multisim 10中的虚拟仪器.其中XFG1是函数信号发生器,是可提供正弦波、三角波、方波3种不同波形信号的电压信号源.XLA1是逻辑分析仪,用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析,可以同步记录和显示16路数字信号[5].图3中用逻辑分析仪的1～5路观察2个74LS161低5位输出端的波形,与分析结果一致.

2.3 编码电路

编码电路要求根据设计功能即花型按节拍送出8位状态编码信号,以控制显示电路中彩灯按规律亮灭.本文选用双向移位寄存器74LS194及门电路组成编码电路.

图3 20进制循环控制电路Fig. 3 20-loop control circuit

74LS194是中规模集成四位双向移位寄存器,具有双向移位、并行输入/输出数据、保持及异步清零的功能[6],其主要功能是在时钟脉冲上升沿到来时,若工作方式控制端S1、S0为"11"时,并行输入数据;若S1、S0为"10"时,数据左移,若S1、S0为"01"时,数据右移,若 S1、S0为"00"时,则输出保持不变.

分析设计功能,20进制循环控制电路控制编码电路的工作如表1所示,2个计数器74LS161的输出端从高位到低位分别取QEQDQCQBQA.花型I要求从左向右依次渐亮,间隔1 s.因此,在秒脉冲QB作用下,计数器从00000～00111,这8个节拍共8秒时间内,控制74LS194完成右移高电平的动作,则S1=0,S0=1,SR=1.花型II要求从右向左依次渐灭,间隔1 s.因此,在秒脉冲QB作用下,计数器从01000～01111,这8个节拍共8秒时间内,控制74LS194完成左移低电平的动作,则S1=1,S0=0,SL=0.花型III,要求闪烁4次,即同亮0.5 s再同灭0.5 s.因此,在秒脉冲作用下,计数器从10000～10110这4个节拍共4 s时间内,控制74LS194在每1秒内都先置1后清零,即半个周期置1,半个周期清零,反复4次,则S1=S0=1,清零时=0.

根据表格分析可得74LS194的各端口逻辑控制关系如下:

表1 计数器控制寄存器工作过程Tab.1 Counter control register process

3 整体电路设计与仿真

各单元电路设计完成后进行连接,实现整个彩灯控制电路系统.图4中的XSC1是4通道示波器,它可用来同时显示4路信号的波形,还可以测量信号的频率、幅度和周期等参数,主要用来同时观测多路信号.图中A端接秒脉冲信号U1OUT,B、 C端接寄存器的S1、S0端,D端接寄存器的端.示波器分析结果如图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,在高低电平间振荡反复4次.

4 结束语

文中有机地将移位寄存器、集成计数器等数字逻辑器件相结合,构成一款8路彩灯控制系统电路.又将计算机仿真软件Multisim 10[7]引入到电路设计中,使电路设计、仿真、测试融合在一起,大大提高了电路设计的可靠性和成功率.

[1] 卢翠珍.基于数字集成电路流水灯的设计[J].现代电子技术, 2011(9):185-187. LU Cui-zhen.Design of Water Lights Based on Digital Integrated Circuit[J].Modern Electronics Technique,2011(9):185-187.

[2] 王强.基于Multisim的移位寄存器型彩灯控制电路设计与仿真[J].电子设计工程,2011(11):129-131. WANG Qiang.Control circuit design and simulation of the shift-register Lantern based on Multisim[J].Electronics DesignEngineering,2011(11):129-131.

图4 8路彩灯控制系统Fig. 4 8-channel colorful lights control system

图5 寄存器控制端波形图Fig. 5 Register control terminal waveform

[3] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4] 程勇.实例讲解Multisim 10电路仿真[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[5] 马敬敏.集成计数器74LS161的Multisim仿真[J].现代电子技术,2011(2):166-170. MA Jing-min.Multisim-based Simulation of Integrated Counter 74LS161[J].Modern Electronics Technique,2011(2):166-170.

[6] 宫玉芳.基于Multisim的八路彩灯控制系统的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表,2012(2):129-133. GONG Yu-fang.Design and simulation of 8-channel colorful lights control system based on multisim[J].Automation & Instrume Ntation,2012(2):166-170.

[7] 习大力.基于Multisim8的电压串联负反馈放大器仿真[J].电子科技,2013(4):140-142. XI Da-li.Simulation of the voltage series negative feedback amplifier based on Multisim8[J].Electronic Science and Technology,2013(4):140-142.

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稿件编号:201308045

宋 瑾(1980-),女,江苏苏州人,硕士,讲师.研究方向:电子线路设计.