用邏輯轉換儀設計交通信號燈的仿真電路

印健健

（江蘇商貿職業學院，江蘇南通，226007）

0 引言

本文介紹的用邏輯轉換儀設計交通信號燈電路全部在仿真軟件上完成，設計思路都是針對初學者學習數字電路設計原理的角度出發，時鐘信號源用仿真軟件中現成的時鐘脈沖信號源，這個時鐘脈沖究竟設計成什么電路來替代，讀者可查閱資料充分發揮想象，邏輯控制電路的設計全部采用分列式的邏輯門組合而成，至于用什么合適的集成電路來替代這些分列式的邏輯門，讀者也可盡情發揮一試，為了讓初學者易學易懂，將A、B二條十字路口綠、黃、紅信號燈通行的時間設計得較短，且控制方式也相同，當A路依次出現綠燈亮（3秒）→黃燈亮（1秒）時，B路為紅燈亮（4秒）；而當B路依次出現綠燈亮（3秒）→黃燈亮（1秒）時，A路為紅燈亮（4秒），如此周而復始，交通信號燈控制的一個循環時間為8秒，整個控制過程可由一片同步十進制計數器74LS160D設計成模8計數器來完成。

1 電路設計

1.1 模8計數器設計

74LS160芯片是一個同步十進制計數器，芯片管腳排列見圖1，各引腳名稱及功能詳見表1，如果在Multisim 10原理圖區中選中74LS160D芯片，再按F鍵，會出現74LS160D的功能表幫助信息，見圖2，當ENP（CEP）、ENT（CET）和～LOAD（）端都為高電平時，74LS160D工作在計數狀態（count）。根據預先設置的綠、黃、紅燈亮滅的時間順序，得出交通燈控制電路的真值表如表2所示。

表1 74LS160D各引腳名稱及功能

圖1 74LS160D管腳排列及功能

圖2 74LS160D功能表幫助信息

秒脈沖時鐘信號由CLK端輸入1Hz的脈沖信號獲得，信號燈8秒一循環就等于模8計數，即QD、QC、QB、QA依次從0000～0111（0～7）不斷循環，要實現這一循環，只要將1000（8）信號作為清零信號，只要將QD輸出端用一個非門連接到74LS160的清零端CLR即可，因為當QD、QC、QB、QA輸出1000（8）時正好清零，如果QD、QC、QB、QA外接一數碼管，數碼管應依次循環顯示0～7。根據以上思路設計后的模8計數器如圖3所示。

圖3 模8計數器

1.2 用邏輯轉換儀生成交通燈的邏輯表達式和邏輯門電路

以GA為例，首先選中邏輯轉換儀中ABCD四個輸入端，然后輸入GA的真值表，再單擊，便可自動生成GA的邏輯表達式，見圖4。

圖4 GA的真值表和邏輯表達式

圖5 全自動生成的GA邏輯門電路

圖6 將 人工輸入邏輯表達式區

圖7 人工輸入自動生成簡化的GA邏輯門電路

除了邏輯表達式RA=B，不需要設計生成邏輯門電路外，同理用同樣的方法可以獲得其它燈的邏輯表達式和邏輯門電路，如圖8～14所示。

圖8 全自動生成的YA邏輯門電路

圖9 人工合并簡化的YA邏輯門電路

圖10 全自動生成的GB邏輯門電路

圖11 人工輸入自動生成簡化的GB邏輯門電路

圖12 全自動生成的YB邏輯門電路

圖13 人工合并簡化的YB邏輯門電路

圖14 全自動生成已最簡化的RB邏輯門電路

1.3 交通燈控制電路的設計

遵循最簡的電路設計原則，選擇各信號燈最簡的邏輯門電路，將它們組合在一起，實現交通燈控制的功能，如圖15所示。

2 交通燈控制電路仿真分析

交通燈控制電路的控制規律可以通過圖15電路中的指示燈獲得，為了更直觀地觀察各燈之間的時間關系，可以將該電路的指示輸出接到邏輯分析儀中，即將GA、YA、RA、GB、YB、RB六個端口依次接入邏輯分析儀進行仿真（見圖15），仿真結果如圖16所示。從輸出的波形中可以看出與真值表描述的關系相同，說明電路設計正確。

圖15 交通燈控制電路

圖16 交通燈仿真波形

3 結束語

從上述交通燈電路設計過程可知，邏輯轉換儀全自動生成的邏輯表達式和邏輯門電路常會出現不是最簡的形式，如果不進行簡化，那么設計出的交通燈電路盡管也能實現控制功能，但電路過于復雜，如果轉化成產品，生產成本和制作難度肯定會增加，所以用邏輯轉換儀設計電路時應靈活掌握，如果邏輯轉換儀自動生成的邏輯表達式不是最簡的形式，應先人工將其化成最簡的形式，再人工將其輸入到邏輯表達式區內自動生成最簡的邏輯電路（見圖6、圖7、圖11）。有時邏輯轉換儀即使生成的已是最簡的邏輯表達式，但如果人工還能簡化的也要進一步作合并簡化處理（見圖9、圖13）。