基于Multisim13數(shù)字流水燈電路設(shè)計與仿真

范月圓，劉華勇

(1. 江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

基于Multisim13數(shù)字流水燈電路設(shè)計與仿真

范月圓1，劉華勇2

(1. 江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

流水燈的控制可用多種方法實現(xiàn)。以Multisim13仿真軟件為平臺，利用CD4060，74LS164，74LS165設(shè)計和制作基于移位寄存器的數(shù)字流水燈電路，使用虛擬示波器、邏輯分析儀等虛擬元件完成電路的設(shè)計與仿真。

Multisim仿真軟件；流水燈；CD4060；移位寄存器

Multisim是一款常用的EDA 軟件，廣泛應(yīng)用于“電工基礎(chǔ)”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等課程教學(xué)。本文利用Multisim13仿真軟件設(shè)計以移位寄存器為核心的流水燈電路，并對電路性能進(jìn)行仿真分析[1-2]。

1 數(shù)字流水燈

霓虹燈為城市夜景增添了色彩，如流水燈。流水燈的控制可用集成塊構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路、以單片機(jī)為核心的智能控制電路等方法實現(xiàn)。本文的數(shù)字流水燈電路以移位寄存器為核心構(gòu)成。

2 結(jié)構(gòu)框圖

移位寄存器構(gòu)成的數(shù)字流水燈電路主要由脈沖產(chǎn)生電路、移位寄存器、LED彩燈組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生矩形波為移位寄存器電路提供脈沖源，移位寄存器在脈沖作用下依次點(diǎn)亮LED彩燈并循環(huán)，實現(xiàn)流水效果[3]。

圖1 數(shù)字流水燈電路結(jié)構(gòu)框圖

3 單元電路的仿真分析

3.1 脈沖產(chǎn)生電路

脈沖產(chǎn)生電路的主要元件是集成電路CD4060。CD4060是14級二進(jìn)制串行計數(shù)/分頻器和振蕩器，可以實現(xiàn)分頻、振蕩功能。CD4060內(nèi)部是14級分頻器，由Q4～Q14(缺少Q(mào)11)輸出二進(jìn)制分頻信號。CD4060內(nèi)部含兩個串接的反相器，可以外接電阻電容構(gòu)成RC振蕩器，也可外接石英晶體組成石英晶體振蕩器。通常是CD4060外接32 768 Hz的石英晶體振蕩器，通過內(nèi)部多級分頻后得到精密的秒脈沖信號[4]。本電路不需要精密的脈沖信號源，因此選用CD4060外接電阻和電容構(gòu)成 RC 振蕩器，電阻為10 kΩ，電容為0.47 μf，振蕩器的振蕩頻率Q6的輸出頻率

(1)

其他各輸出端的頻率也可參考公式(1)估算。為了進(jìn)一步測試電路的性能，在電路的輸出端連接數(shù)字示波器和邏輯分析儀，如圖2所示。

圖2 脈沖信號產(chǎn)生電路圖

利用虛擬仿真軟件，在其輸出端接數(shù)字示波器，測量電路產(chǎn)生脈沖信號頻率為96.8 Hz，如圖3所示。在CD4060輸出各端接邏輯分析儀，輸出波形如圖4所示。

圖3 數(shù)字示波器測量界面

3.2 移位寄存器電路設(shè)計與仿真

寄存器的基本構(gòu)成單元是觸發(fā)器，在數(shù)字電路中的主要作用是儲存代碼或數(shù)據(jù)。移位寄存器能寄存數(shù)碼，還能移位，即在脈沖作用下，將寄存器中存放的數(shù)碼依次向右或向左移。移位寄存器，根據(jù)移位方向，可分為左移寄存器、右移寄存器、雙向移位寄存器3種；根據(jù)輸入輸出方式，可分為串行輸入串行輸出、串行輸入并行輸出、并行輸入串行輸出、并行輸入并行輸出等4種電路結(jié)構(gòu)[5]。本文采用的74LS165和74LS164均為單向移位寄存器，其中74LS165為8位并行輸入串行輸出移位寄存器，74LS164為8位串行輸入并行輸出移位寄存器。將兩個移位寄存器集成電路連接，設(shè)計和制作單向循環(huán)移動的流水燈電路，如圖5所示。

圖4 脈沖信號發(fā)生器各輸出端波形圖

圖5 移位寄存器仿真電路圖

圖5中，脈沖提供給74LS165的2腳和74LS164的8腳時鐘端，74LS165的1腳為移位/置入控制端，置入功能低電平有效，11腳—14腳，3腳—6腳分別為8位并行數(shù)據(jù)A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H端。A-G端接低電平，H端接高電平，當(dāng)電源接通，74LS165的1腳為低電平，數(shù)據(jù)“00000001”被置入寄存器，一段時間后，1腳在CD4060的Q8分頻頻率和電阻電容作用下變成高電平，此時置數(shù)端被禁止，開啟移位功能，在2腳接入的脈沖信號作用下，數(shù)據(jù)右移1位變成“10000000”，依次類推為“01000000”“00100000”“00010000”“00001000”“00000100”“00000010”“00000001”。74LS165有2個時鐘端，分別是2腳的時鐘CLK端和15腳的CLK INH端，功能相同，可交換使用。一個為低電平且移位/置入控制端高電平時，另一個時鐘可以輸入，因此15腳接低電平。74LS165的9腳串行輸出接74LS164的2腳串行輸入端，將數(shù)據(jù)依次傳輸給74LS164。74LS164的1腳、2腳為串行數(shù)據(jù)輸入端(A，B)，可控制數(shù)據(jù)輸入，A，B中任意一個為低電平時，禁止新數(shù)據(jù)輸入；其中一個為高電平時，另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定QA—QH的狀態(tài)，因此1腳接高電平。74LS164的9腳為清除端(CLEAR)，使輸出端(QA—QH)清零，低電平有效，故9腳接電源端[6]。74LS164的8位輸出端接邏輯分析儀測量后波形如圖6所示。

圖6 移位寄存器輸出波形圖

4 總體電路的設(shè)計與仿真

系統(tǒng)總體電路仿真圖如圖6所示。由CD4060 14級二進(jìn)制串行計數(shù)/分頻器、電阻、電容等元件構(gòu)成的時鐘脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的矩形波為移位寄存器電路提供脈沖源。脈沖提供給74LS165和74LS164構(gòu)成的移位寄存器電路，通過74LS164并行輸出接8盞LED彩燈，并在脈沖作用下移位依次點(diǎn)亮每一盞LED彩燈，8盞彩燈循環(huán)點(diǎn)亮，呈現(xiàn)流水的效果。

5 結(jié)束語

構(gòu)成數(shù)字流水燈的方法很多，本文利用CD4060組成脈沖產(chǎn)生電路。Multisim13可以獲得脈沖波形輸出，利用虛擬數(shù)字示波器可以測得波形圖和頻率。在移位寄存器的輸出端接邏輯分析儀，展現(xiàn)移位寄存器的工作情況。

[1] 王強(qiáng).基于Multisim 的移位寄存器型彩燈控制電路設(shè)計與仿真[J].電子設(shè)計工程,2011(22):129-131.

[2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006: 272-278.

[3] 郭麗穎.基于Multisim的彩燈循環(huán)閃爍電路設(shè)計與仿真[J].實驗室研究與探索,2010(7):187-189.

[4] 吳迪,陳國明.基于CD4060 的電瓶充電全關(guān)機(jī)電路設(shè)計[J].自動化應(yīng)用,2013(2):42-43.

[5] 李春然,楊雅娟.移位寄存器的Multisim仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(22):128-132.

[6] 張凌辰.數(shù)字電子技術(shù)[M].南京:江蘇教育出版社,2013: 212-219.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Design and simulation of digital water lights based on Multisim13

FAN Yueyuan1, LIU Huayong2

(School of Aviation Engineering, Jiangsu Aviation Vocational Technical College, Zhenjiang 212134, China;2. Electrical and Mechanical Engineering Department, Zhenjiang Vocational Technical College, Zhenjiang 212016, China)

Water lights control can be achieved by various methods. The thesis introduced control circuit design and manufacture of shift register lights by CD4060，74LS164，74LS165 in the platform of Multisim13 simulation software, gave a brief introduction to the principles of circuit design and composition methods, used virtual instruments and logic analyzer to realize the design and simulation of cell circuit and overall circuit system.

Multisim simulation software; water lights; CD4060; shift register

2016-06-07

范月圓(1981—)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，講師，碩士，主要從事控制工程及電子技術(shù)研究；劉華勇(1982—)，男，江蘇興化人，講師，碩士，主要從事溫控儀表及電子技術(shù)研究。

TN410.2

A

1008-8148(2017)01-0057-03