用逻辑转换仪设计交通信号灯的仿真电路

印健健

（江苏商贸职业学院，江苏南通，226007）

0 引言

本文介绍的用逻辑转换仪设计交通信号灯电路全部在仿真软件上完成，设计思路都是针对初学者学习数字电路设计原理的角度出发，时钟信号源用仿真软件中现成的时钟脉冲信号源，这个时钟脉冲究竟设计成什么电路来替代，读者可查阅资料充分发挥想象，逻辑控制电路的设计全部采用分列式的逻辑门组合而成，至于用什么合适的集成电路来替代这些分列式的逻辑门，读者也可尽情发挥一试，为了让初学者易学易懂，将A、B二条十字路口绿、黄、红信号灯通行的时间设计得较短，且控制方式也相同，当A路依次出现绿灯亮（3秒）→黄灯亮（1秒）时，B路为红灯亮（4秒）；而当B路依次出现绿灯亮（3秒）→黄灯亮（1秒）时，A路为红灯亮（4秒），如此周而复始，交通信号灯控制的一个循环时间为8秒，整个控制过程可由一片同步十进制计数器74LS160D设计成模8计数器来完成。

1 电路设计

1.1 模8计数器设计

74LS160芯片是一个同步十进制计数器，芯片管脚排列见图1，各引脚名称及功能详见表1，如果在Multisim 10原理图区中选中74LS160D芯片，再按F键，会出现74LS160D的功能表帮助信息，见图2，当ENP（CEP）、ENT（CET）和～LOAD（）端都为高电平时，74LS160D工作在计数状态（count）。根据预先设置的绿、黄、红灯亮灭的时间顺序，得出交通灯控制电路的真值表如表2所示。

表1 74LS160D各引脚名称及功能

图1 74LS160D管脚排列及功能

图2 74LS160D功能表帮助信息

秒脉冲时钟信号由CLK端输入1Hz的脉冲信号获得，信号灯8秒一循环就等于模8计数，即QD、QC、QB、QA依次从0000～0111（0～7）不断循环，要实现这一循环，只要将1000（8）信号作为清零信号，只要将QD输出端用一个非门连接到74LS160的清零端CLR即可，因为当QD、QC、QB、QA输出1000（8）时正好清零，如果QD、QC、QB、QA外接一数码管，数码管应依次循环显示0～7。根据以上思路设计后的模8计数器如图3所示。

图3 模8计数器

1.2 用逻辑转换仪生成交通灯的逻辑表达式和逻辑门电路

以GA为例，首先选中逻辑转换仪中ABCD四个输入端，然后输入GA的真值表，再单击，便可自动生成GA的逻辑表达式，见图4。

图4 GA的真值表和逻辑表达式

图5 全自动生成的GA逻辑门电路

图6 将 人工输入逻辑表达式区

图7 人工输入自动生成简化的GA逻辑门电路

除了逻辑表达式RA=B，不需要设计生成逻辑门电路外，同理用同样的方法可以获得其它灯的逻辑表达式和逻辑门电路，如图8～14所示。

图8 全自动生成的YA逻辑门电路

图9 人工合并简化的YA逻辑门电路

图10 全自动生成的GB逻辑门电路

图11 人工输入自动生成简化的GB逻辑门电路

图12 全自动生成的YB逻辑门电路

图13 人工合并简化的YB逻辑门电路

图14 全自动生成已最简化的RB逻辑门电路

1.3 交通灯控制电路的设计

遵循最简的电路设计原则，选择各信号灯最简的逻辑门电路，将它们组合在一起，实现交通灯控制的功能，如图15所示。

2 交通灯控制电路仿真分析

交通灯控制电路的控制规律可以通过图15电路中的指示灯获得，为了更直观地观察各灯之间的时间关系，可以将该电路的指示输出接到逻辑分析仪中，即将GA、YA、RA、GB、YB、RB六个端口依次接入逻辑分析仪进行仿真（见图15），仿真结果如图16所示。从输出的波形中可以看出与真值表描述的关系相同，说明电路设计正确。

图15 交通灯控制电路

图16 交通灯仿真波形

3 结束语

从上述交通灯电路设计过程可知，逻辑转换仪全自动生成的逻辑表达式和逻辑门电路常会出现不是最简的形式，如果不进行简化，那么设计出的交通灯电路尽管也能实现控制功能，但电路过于复杂，如果转化成产品，生产成本和制作难度肯定会增加，所以用逻辑转换仪设计电路时应灵活掌握，如果逻辑转换仪自动生成的逻辑表达式不是最简的形式，应先人工将其化成最简的形式，再人工将其输入到逻辑表达式区内自动生成最简的逻辑电路（见图6、图7、图11）。有时逻辑转换仪即使生成的已是最简的逻辑表达式，但如果人工还能简化的也要进一步作合并简化处理（见图9、图13）。