基于Multisim心形流水燈電路的設計與仿真*

田亞男，雷紅瑋，趙海濱

(1.東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110819；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110819)

數字電子技術課程是電類相關專業本科生的必修課，是電子技術方面入門性質的技術基礎課，具有很強的實用性和實踐性。課程主要內容包括數字邏輯基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、半導體存儲器、可編程邏輯器件、脈沖波形的產生和整形、數/模轉換和模/數轉換等。通過數字電子技術課程的教學，使學生獲得數字電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能；使學生掌握數字電路的分析和設計方法，培養學生應用所學知識分析和解決實際問題的能力，培養學生的工程觀念，為進一步的學術研究和工程應用奠定基礎。

時序邏輯電路的設計是數字電子技術課程的重點和難點，同時也是生產實際中廣泛使用的實用電路。傳統的時序邏輯電路教學內容主要圍繞計數器、寄存器、脈沖發生器展開，缺少實用性和趣味性，很難激發學生的學習興趣。

針對這一問題，文章設計了一個基于Multisim軟件的心形流水燈電路，該電路通過移位寄存器74LS194N實現，可通過撥碼開關設置多種燈光流水模式。在Multisim軟件中對電路進行仿真分析和設計驗證，獲得了預期實驗結果。將該仿真電路應用于數字電子技術課程的教學中可以有效提升課程的實用性和高階性，極大提升了學生的學習興趣和學習效果。

1 仿真軟件Multisim簡介

Multisim軟件是一款常用的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計、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，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子電路教育教學活動。通過Multisim和虛擬儀器技術，電子設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖的捕獲與仿真，再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。

Multisim軟件具備豐富的元器件庫，涵蓋了電子電路設計中使用的絕大部分電子器件。其仿真功能強大，可實現對模擬、數字、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個發光二極管(Light Emitting Diode，LED)排列成心形，在時鐘信號的觸發下，可以按照預先設置的流水模式進行循環移位，因此稱為心形流水燈。電路由四個模塊構成。模塊1為復位電路，模塊2為流水模式控制電路，模塊3為循環移位電路，模塊4為顯示電路。其中模塊3循環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。當清零信號～CLR有效時，輸出信號QDQCQBQA置零。當清零信號～CLR無效時，74LS194N在時鐘信號上升沿的觸發下，根據控制信號S1S0的值，進行保持、右移、左移、送數操作。當S1S0=00時，(QDQCQBQA)n+1=(QDQCQBQA)n，保持當前狀態不變。當S1S0=01時，QDn+1=QCn，QCn+1=QBn，QBn+1=QAn，QAn+1=SR，實現了數據右移。當S1S0=10時，QDn+1=SL，QCn+1=QDn，QBn+1=QCn，QAn+1=QBn，實現了數據左移。當S1S0=11時，(QDQCQBQA)n+1=DCBA，實現了并行送數。

表1 74LS194N的功能表

該電路需要控制8個發光二極管按照預設的流水模式點亮，因此利用兩片工作在右移狀態的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74LS194N的功能表可知，此時芯片U1輸出端上的數據按照從QA移到QB再移到QC最后移到QD的方向進行移位，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數據移到芯片U2的QA，再移動到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數據再移動芯片U1的QA，從而實現8個信號的循環右移功能。用兩片74LS194N的8個輸出信號控制8個發光二極管，當74LS194N輸出高電平時，發光二極管點亮；當74LS194N輸出低電平時，發光二極管熄滅。

74LS194N進行循環右移的原始數據應通過并行數據輸入端DCBA置入。模塊2流水模式控制電路即用來為74LS194N提供并行數據輸入。該模塊由8路撥碼開關串聯8個1kΩ電阻以及電源VCC和地GND共同構成。8路輸出信號從撥碼開關和電阻之間引出，當開關閉合時，該路輸出為0；當開關打開時，該路輸出為1。以圖1模塊2中的撥碼開關狀態為例，此時為兩片74LS194N提供的并行數據為“00010000”。該組數據置入到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光二極管點亮，其余發光二極管處于熄滅狀態。通過撥碼開關控制兩片74LS194N數據輸入端DCBA的值，從而控制模塊4中亮燈的個數和位置，形成不同的流水模式。

圖1 心形流水燈電路

當74LS194N工作在右移狀態時，芯片的控制信號S1S0等于01。當74LS194N置入數據時，芯片的控制信號S1S0等于11。因此，還需要一個控制端來控制兩片74LS194N的S1端。模塊1復位電路的功能即為產生S1控制信號。該模塊由開關S2并聯電容C1，再串聯電阻R2、電源VCC和地GND共同構成。輸出信號(記做s1)由電容C1和電阻R2之間引出。當開關S2按下時，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芯片工作在送數狀態，將DCBA上的數據送到輸出端QDQCQBQA；當開關打開時，電源VCC、電容C1、電阻R2和地GND形成回路，電容C1開始充電，充電時間常數τ=R2*C1=10kΩ*1uF=10ms，工程應用中可近似認為經過3～5τ電容充電過程結束，電容電壓達到穩態值VCC。此時電源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。

模塊4顯示電路由8個綠光發光二極管排列成心形圖案而構成。為了增強電路在Multisim軟件中的仿真顯示效果，用Multisim中提供的探針(Probe)代替發光二極管。心形圖案中間上方及相鄰的左側三個發光二極管由芯片U1的QAQBQCQD控制；心形圖案中間下方及相鄰的右側三個發光二極管由芯片U2的QAQBQCQD控制。當74LS194N循環右移時，流水燈的控制信號將按照逆時針方向循環移動。在制作實物電路時，仍采用發光二極管，需要注意的是綠光發光二極管的正向導通電壓為2.5～2.9V，工作電流一般在5～30mA，因此使用時應串聯限流電阻。

3 實驗結果分析

在Multisim軟件中完成電路的連接，首先調節撥碼開關，使一個開關打開，其余開關閉合，將流水燈設置成一燈流水模式。然后開始Multisim仿真，將復位開關S2按下一段時間后彈開，用示波器觀測復位電路的輸出S1的波形，如圖2所示。當開關S2按下后，復位電路的輸出信號S1立即變為高電平5V；當一段時間后開關S2彈開，可以看到S1信號大約經過30ms變為低電平0V。該仿真結果與理論計算結果一致。

圖2 復位電路的輸出波形

復位開關S2彈開后，74LS194N開始進入右移狀態，觀察模塊4顯示電路，可以看到一個亮燈按照心形路徑 循環流動。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亮。通過調節撥碼開關，還可以將流水燈設置為二燈流水、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流水燈同時點亮，并循環流動。

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 結論

文章設計了一個心形流水燈電路，采用兩片移位寄存器74LS194N芯片實現，在Multisim軟件中進行了仿真與驗證。與其他常見的流水燈電路設計方案相比，本設計可以預設多種燈光流水模式，增強了電路的實用性和趣味性。經過簡單地修改，即可將該電路應用到其他生產生活場景中，例如電子搖獎器電路、節日彩燈電路等。

采用Multisim軟件進行設計和仿真，便于學生進行設計的改進與擴展，使電路的設計不受時間、空間、器件等客觀因素的限制，為教學實踐活動提供了有力保障。文章設計的心形流水燈電路多次應用于數字電子技術課程的教學中，受到了學生的好評，有效提升了課程的實用性和高階性，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。