流水燈實驗設計與仿真

◇寶雞文理學院電子電氣工程學院 韓芝俠 王曉利 張文娟

為幫助學生理解掌握中規(guī)模數(shù)字集成器件的應用，本文在Multisim環(huán)境下完成了8路流水燈實驗設計與仿真，并拓展到如何設計10路或16路流水燈，以此訓練電類工科學生電路分析和設計能力，提高學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力。

計數(shù)器、譯碼器是數(shù)字電路中使用最多的中規(guī)模集成器件，本文以此為核心設計了流水燈控制電路，并在Multisim環(huán)境下進行了虛擬仿真，結果直觀清晰，電路調試方便[1]。此實驗設計方案只是一個用于學習和實踐的簡化案例，旨在讓學生感受學以致用的價值，提高學習興趣及電路分析和設計能力。隨著后續(xù)課程的學習，將會有其他更好更簡潔的技術方案[2]。

1 任務要求及設計方案

任務要求：8路彩燈能夠自動循環(huán)點亮，產(chǎn)生一種流動變化的效果，俗稱流水燈控制。

設計方案：先設計8進制計數(shù)器，以控制8路信號；計數(shù)器的輸出接3-8譯碼器的輸入，以產(chǎn)生8個輸出信號中唯一有效的輸出脈沖，后級再接入發(fā)光二極管以顯示流水燈效果。設計框圖如圖1所示。

圖1 設計框圖

器件介紹如下所示。

74160是異步清零、同步預置數(shù)的集成十進制計數(shù)器[3]，CLK時鐘輸入端，上升沿有效；～CLR 異步清零端，低電平有效；～LOAD同步預置數(shù)控制端，低電平有效；ENP/ENT工作狀態(tài)控制端，高電平有效；DCBA數(shù)據(jù)輸入端，用于預置計數(shù)器初始狀態(tài)；QDQCQBQA計數(shù)器輸出端。

74LS138是集成3-8譯碼器[3]，CBA是地址輸入端，Y0-Y7是八個輸出譯碼線，低電平有效；還有三個使能端，只有G1=1，G2A+G2B=0時，譯碼器才處于工作狀態(tài)，例如CBA=001，Y1號輸出線上有信號，為低電平0，其余輸出線都為高電平1；當使能端不滿足上述狀態(tài)時，譯碼器禁止工作，輸出全部為1。

2 流水燈實驗設計與仿真

在Multisim環(huán)境下給出如圖2所示的實驗設計電路。其中：

時鐘信號：CLK來自于信號源提供的方波信號，頻率1 Hz，幅值5 V。

計數(shù)器：利用一片74160，采用同步預置數(shù)法設計八進制計數(shù)器。若DCBA預置0000，則置數(shù)控制端～LOAD=0的信號就從QDQCQBQA= 0111的狀態(tài)譯出，即將QCQBQA通過與非門送到～LOAD端（因為它是同步預置數(shù)，低電平有效），同時將～CLR端、ENP/ENT接高電平。工作時每來一個CLK上升沿，計數(shù)器累計加1，當計到0111時，盡管～LOAD=0，但必須等到下一個CLK上升沿到來，才會將0000置入計數(shù)器，所以穩(wěn)定的計數(shù)狀態(tài)中包含0111，從而實現(xiàn)0到7共8個計數(shù)狀態(tài)的循環(huán)。

譯碼器：因為要依次控制8個燈中的其中1個點亮，所以采用一片74LS138即可，按功能表要求將三個使能端G1G2AG2B如 圖2依次接高、低電平，三個地址端CBA接計數(shù)器的低三位輸出端QCQBQA。

顯示電路：因為譯碼器正常譯碼時，只有1個輸出譯碼線為低電平，其余7個都是高電平，所以將譯碼器的輸出接到發(fā)光二極管的陰極，陽極則通過限流電阻接到高電平上。

仿真分析：在Multisim下啟動仿真運行按鈕，則八個發(fā)光二極管從上到下輪流被點亮，一次只亮一個，產(chǎn)生一種流水燈效果。

3 拓展知識

歸納總結該電路工作過程，思考以下問題：

（1）如果將圖2中所有發(fā)光二極管的位置反向，則實現(xiàn)的就是八個發(fā)光二極管從上到下輪流被熄滅，一次只滅一個，產(chǎn)生一種流水燈效果。

圖2 8路流水燈控制電路

（2）如何實現(xiàn)10路流水燈控制？可直接用一片74160實現(xiàn)十進制計數(shù)器設計，不需要門電路；再用2片3-8譯碼器擴展成為4-16譯碼器。重難點是計數(shù)器的輸出與譯碼器地址端、使能端的連接。即兩片譯碼器的CBA分別相連后對應接到計數(shù)器的QCQBQA上，第一片的使能端G1接 高電平，G2AG2B與第二片的G1相接作為變量D對應接到計數(shù)器的QD上，第二片的G2AG2B接 低電平。10個發(fā)光二極管分別接到第一片的八個輸出譯碼線上及第二片的低兩位輸出譯碼線上。當D=0時，第一片譯碼器工作，第二片禁止，輸出由第一片決定；當D=1時，第一片禁止，第二片工作，輸出由第二片決定。

（3）如何實現(xiàn)16路流水燈控制？只需將步驟2中的十進制計數(shù)器換成十六進制計數(shù)器，如74161，這樣就可以設計10以上16以內的任意進制計數(shù)器，16個燈來自于2片譯碼器的所有輸出即可。

（4）如果要求流水燈變化時頻率快慢可調，則利用555定時器設計一個多諧振蕩器，自動產(chǎn)生時鐘脈沖信號，其中一個固定電阻串接電位器，方便調節(jié)頻率。

4 結語

基于Multisim的電路設計和仿真，方便學生及時消化理解課堂知識，驗證設計思路，激發(fā)學習興趣[4]。本文通過數(shù)字電路中一個具體實例的設計、仿真及分析，進而引申到設計任務要求不同時如何進行變通，引發(fā)學生積極思考并拓展訓練所學知識，使學生熟悉并掌握《數(shù)字電子技術》課程中典型電路的分析、設計、仿真等完整步驟和方法，以培養(yǎng)工科學生分析問題、解決問題、實踐動手及創(chuàng)新思維能力。