基于Multisim心形流水燈電路的設(shè)計(jì)與仿真*

田亞男，雷紅瑋，趙海濱

(1.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

數(shù)字電子技術(shù)課程是電類相關(guān)專業(yè)本科生的必修課，是電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和實(shí)踐性。課程主要內(nèi)容包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件、脈沖波形的產(chǎn)生和整形、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。通過數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)，使學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識和基本技能；使學(xué)生掌握數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，為進(jìn)一步的學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)是數(shù)字電子技術(shù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是生產(chǎn)實(shí)際中廣泛使用的實(shí)用電路。傳統(tǒng)的時(shí)序邏輯電路教學(xué)內(nèi)容主要圍繞計(jì)數(shù)器、寄存器、脈沖發(fā)生器展開，缺少實(shí)用性和趣味性，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

針對這一問題，文章設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Multisim軟件的心形流水燈電路，該電路通過移位寄存器74LS194N實(shí)現(xiàn)，可通過撥碼開關(guān)設(shè)置多種燈光流水模式。在Multisim軟件中對電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，獲得了預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將該仿真電路應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中可以有效提升課程的實(shí)用性和高階性，極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

1 仿真軟件Multisim簡介

Multisim軟件是一款常用的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)、仿真工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。用戶可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子電路教育教學(xué)活動(dòng)。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，電子設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖的捕獲與仿真，再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。

Multisim軟件具備豐富的元器件庫，涵蓋了電子電路設(shè)計(jì)中使用的絕大部分電子器件。其仿真功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)對模擬、數(shù)字、射頻電路的多模式仿真。軟件還提供了大量測量儀器，能滿足一般電子電路的測量和分析需求。

2 心形流水燈電路原理

心形流水燈電路如圖1所示。該電路由8個(gè)發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)排列成心形，在時(shí)鐘信號的觸發(fā)下，可以按照預(yù)先設(shè)置的流水模式進(jìn)行循環(huán)移位，因此稱為心形流水燈。電路由四個(gè)模塊構(gòu)成。模塊1為復(fù)位電路，模塊2為流水模式控制電路，模塊3為循環(huán)移位電路，模塊4為顯示電路。其中模塊3循環(huán)移位電路是該電路的核心部分，由兩片移位寄存器74LS194N連接而成。74LS194N的功能如表1所示。當(dāng)清零信號～CLR有效時(shí)，輸出信號QDQCQBQA置零。當(dāng)清零信號～CLR無效時(shí)，74LS194N在時(shí)鐘信號上升沿的觸發(fā)下，根據(jù)控制信號S1S0的值，進(jìn)行保持、右移、左移、送數(shù)操作。當(dāng)S1S0=00時(shí)，(QDQCQBQA)n+1=(QDQCQBQA)n，保持當(dāng)前狀態(tài)不變。當(dāng)S1S0=01時(shí)，QDn+1=QCn，QCn+1=QBn，QBn+1=QAn，QAn+1=SR，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)右移。當(dāng)S1S0=10時(shí)，QDn+1=SL，QCn+1=QDn，QBn+1=QCn，QAn+1=QBn，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)左移。當(dāng)S1S0=11時(shí)，(QDQCQBQA)n+1=DCBA，實(shí)現(xiàn)了并行送數(shù)。

表1 74LS194N的功能表

該電路需要控制8個(gè)發(fā)光二極管按照預(yù)設(shè)的流水模式點(diǎn)亮，因此利用兩片工作在右移狀態(tài)的74LS194N芯片，將芯片U1的輸出QD接至芯片U2的SR輸入端，將芯片U2的輸出QD接至芯片U1的SR輸入端。根據(jù)74LS194N的功能表可知，此時(shí)芯片U1輸出端上的數(shù)據(jù)按照從QA移到QB再移到QC最后移到QD的方向進(jìn)行移位，由于芯片U1的輸出QD接至芯片U2的SR輸入端，因此芯片U1的QD數(shù)據(jù)移到芯片U2的QA，再移動(dòng)到QB、QC、QD。由于芯片U2的輸出QD接至芯片U1的SR輸入端，因此芯片U2的QD數(shù)據(jù)再移動(dòng)芯片U1的QA，從而實(shí)現(xiàn)8個(gè)信號的循環(huán)右移功能。用兩片74LS194N的8個(gè)輸出信號控制8個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)74LS194N輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)74LS194N輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。

74LS194N進(jìn)行循環(huán)右移的原始數(shù)據(jù)應(yīng)通過并行數(shù)據(jù)輸入端DCBA置入。模塊2流水模式控制電路即用來為74LS194N提供并行數(shù)據(jù)輸入。該模塊由8路撥碼開關(guān)串聯(lián)8個(gè)1kΩ電阻以及電源VCC和地GND共同構(gòu)成。8路輸出信號從撥碼開關(guān)和電阻之間引出，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，該路輸出為0；當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，該路輸出為1。以圖1模塊2中的撥碼開關(guān)狀態(tài)為例，此時(shí)為兩片74LS194N提供的并行數(shù)據(jù)為“00010000”。該組數(shù)據(jù)置入到74LS194的輸出端后，芯片U1的QA輸出端為高電平，其余輸出端為低電平。這組電平能夠使模塊4顯示電路中的心形圖案中間上方處的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，其余發(fā)光二極管處于熄滅狀態(tài)。通過撥碼開關(guān)控制兩片74LS194N數(shù)據(jù)輸入端DCBA的值，從而控制模塊4中亮燈的個(gè)數(shù)和位置，形成不同的流水模式。

圖1 心形流水燈電路

當(dāng)74LS194N工作在右移狀態(tài)時(shí)，芯片的控制信號S1S0等于01。當(dāng)74LS194N置入數(shù)據(jù)時(shí)，芯片的控制信號S1S0等于11。因此，還需要一個(gè)控制端來控制兩片74LS194N的S1端。模塊1復(fù)位電路的功能即為產(chǎn)生S1控制信號。該模塊由開關(guān)S2并聯(lián)電容C1，再串聯(lián)電阻R2、電源VCC和地GND共同構(gòu)成。輸出信號(記做s1)由電容C1和電阻R2之間引出。當(dāng)開關(guān)S2按下時(shí)，電容C1放電，模塊1的輸出s1直接連接到電源VCC上，即輸出邏輯1，使兩片74LS194N芯片工作在送數(shù)狀態(tài)，將DCBA上的數(shù)據(jù)送到輸出端QDQCQBQA；當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電源VCC、電容C1、電阻R2和地GND形成回路，電容C1開始充電，充電時(shí)間常數(shù)τ=R2*C1=10kΩ*1uF=10ms，工程應(yīng)用中可近似認(rèn)為經(jīng)過3～5τ電容充電過程結(jié)束，電容電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值VCC。此時(shí)電源VCC、電容C1、電阻R2和地GND形成的回路中電流為0，電阻R2上沒有壓降，因此模塊1的輸出s1為0V，即輸出邏輯0，使74LS194N芯片工作在右移狀態(tài)。

模塊4顯示電路由8個(gè)綠光發(fā)光二極管排列成心形圖案而構(gòu)成。為了增強(qiáng)電路在Multisim軟件中的仿真顯示效果，用Multisim中提供的探針(Probe)代替發(fā)光二極管。心形圖案中間上方及相鄰的左側(cè)三個(gè)發(fā)光二極管由芯片U1的QAQBQCQD控制；心形圖案中間下方及相鄰的右側(cè)三個(gè)發(fā)光二極管由芯片U2的QAQBQCQD控制。當(dāng)74LS194N循環(huán)右移時(shí)，流水燈的控制信號將按照逆時(shí)針方向循環(huán)移動(dòng)。在制作實(shí)物電路時(shí)，仍采用發(fā)光二極管，需要注意的是綠光發(fā)光二極管的正向?qū)妷簽?.5～2.9V，工作電流一般在5～30mA，因此使用時(shí)應(yīng)串聯(lián)限流電阻。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在Multisim軟件中完成電路的連接，首先調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)，使一個(gè)開關(guān)打開，其余開關(guān)閉合，將流水燈設(shè)置成一燈流水模式。然后開始Multisim仿真，將復(fù)位開關(guān)S2按下一段時(shí)間后彈開，用示波器觀測復(fù)位電路的輸出S1的波形，如圖2所示。當(dāng)開關(guān)S2按下后，復(fù)位電路的輸出信號S1立即變?yōu)楦唠娖?V；當(dāng)一段時(shí)間后開關(guān)S2彈開，可以看到S1信號大約經(jīng)過30ms變?yōu)榈碗娖?V。該仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖2 復(fù)位電路的輸出波形

復(fù)位開關(guān)S2彈開后，74LS194N開始進(jìn)入右移狀態(tài)，觀察模塊4顯示電路，可以看到一個(gè)亮燈按照心形路徑 循環(huán)流動(dòng)。用Multisim提供的邏輯分析儀獲取74LS194N的輸出波形，如圖3所示。這種按順序依次輸出的高電平使流水燈依次點(diǎn)亮。通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)，還可以將流水燈設(shè)置為二燈流水、三燈流水、四燈流水、間隔流水等模式。二燈流水模式的輸出波形如圖4所示。這種波形使相鄰的兩個(gè)流水燈同時(shí)點(diǎn)亮，并循環(huán)流動(dòng)。

圖3 一燈流水模式的輸出波形

圖4 二燈流水模式的輸出波形

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一個(gè)心形流水燈電路，采用兩片移位寄存器74LS194N芯片實(shí)現(xiàn)，在Multisim軟件中進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。與其他常見的流水燈電路設(shè)計(jì)方案相比，本設(shè)計(jì)可以預(yù)設(shè)多種燈光流水模式，增強(qiáng)了電路的實(shí)用性和趣味性。經(jīng)過簡單地修改，即可將該電路應(yīng)用到其他生產(chǎn)生活場景中，例如電子搖獎(jiǎng)器電路、節(jié)日彩燈電路等。

采用Multisim軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，便于學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的改進(jìn)與擴(kuò)展，使電路的設(shè)計(jì)不受時(shí)間、空間、器件等客觀因素的限制，為教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)提供了有力保障。文章設(shè)計(jì)的心形流水燈電路多次應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中，受到了學(xué)生的好評，有效提升了課程的實(shí)用性和高階性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。