基于Multisim的彩灯控制系统的仿真

摘要：Multisim是目前各种电子电路辅助分析与设计软件中最优秀的软件之一，该软件具有模拟和数字电路的设计、分析、仿真功能。提出了一种基于Multisim的四路彩灯控制系统设计与仿真方法，并在实际中得到了测试和应用。
关键词：控制系统；Multisim；四路彩灯

0 引言
    在设计控制系统电路时，用Multisim仿真软件对控制系统电路进行设计、仿真、分析，可使工作大大降低成本、节省时间、提高设计质量。本文将以Multisim为工作平台，以四路彩灯为实例，介绍控制系统的设计与仿真的过程。

1 系统的设计
    利用Multisim设计一个四路彩灯控制器。它要求系统启动后自动从初始状态按规定程序完成3个节拍的循环演示。第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮，灯亮时间1s，共用4s；第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭。共需4s；第三节拍：四路彩灯同时亮0．5s后，同时变暗，进行4次，也需4s。
    根据系统要求，设计系统硬件框图如图l所示。


    其中信号发生器采用秒脉冲发生器。用以提供频率为1Hz的时钟信号；四进制分频器将1Hz的时钟信号四分频，产生0．25Hz(即4S)的时钟信号；三进制节拍控制器产生3个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能。可由双向移位寄存器 74LS194完成；灯光电路完成系统循环演示，这里采用LED模拟。
1．1 信号发生器
    信号发生器是由555接成多谐振荡器产生1Hz的脉冲信号。为了简化电路设计，选用1Hz的脉冲信号源代替信号发生器。
1．2 四进制分频器
    分频器可由各种类型的四进制计数器构成。在此，采用74LS74N中的D触发器，连接成图2所示的四进制异步减法计数器。


    图3为四进制异步减法计数器的波形。


1．3 三进制节拍控制器
    此系统有3个不同的工作节拍，是由状态(Q1、Q0)的三种编码(10、01、11)表示的。选用74LS74N中的D触发器和74LS00D中的与非门构成图4所示的三进制计数器。


1．4 节拍程序控制器
    双相移位寄存器是74LSl94，是产生移动灯光信号的核心器件。图5是74LS194的逻辑图和功能表。该寄存器由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。具有并行寄存、左移寄存、右移寄存和保持四种工作模式。*****为清零端，低电平有效；CLK为上升沿触发，SL、SR分别为左移和右移串行输入端；SO、S1为两个控制输入端，它们的状态组合可以完成保持、右移、左移、并行输入四种控制功能。当S1=0，S0=0时电路保持原来的状态：当S1=0，SO=1时，数据从右移输入端SR送入寄存器；当s1=1，S0=0时，数据从左移输入端SL送入寄存器；当S1=1，S0=1 时，数据从DCBA并行输入端预置数。


    本设计利用74LS194寄存器来控制灯进行四个节拍的循环工作：
    ·QD、QC、QB、QA依次为1，相应灯依次点亮；
    ·QD、QC、QB、QA依次为0，相应灯依次熄灭；
    ·QD、QC、QB、QA同时为1，四灯同时点亮；
    ·QD、QC、QB、QA同时为O，四灯同时熄灭。
    为了完成节拍程序执行器任务，必须使S1、SO、CLK的时序与输入信号时序相配合。

2 系统仿真
    创建仿真原理图如图6所示。


2．1 仿真调试
    Multisim仿真软件对电路的调试非常方便，可以随时更改元件、修改参数、测量数据、观察波形。本系统调试时不能正常工作，经示波器观察后发现，信号有毛刺，加电阻和电容后系统正常工作；CLK经反相器反相后加载，可起到延时作用；节拍程序执行器用于完成每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能，QD、QC、QB、QA直接推动X1、X2、X3、X4完成系统循环演示。

3 结束语
    借助Multisim仿真软件展开设计，既可以验证理论计算的正确性，减少电路器件参数拼凑的麻烦，也简化了反复实验的过程；还可以降低实验成本，大大缩短研制周期。实践证明，本设计达到了四路彩灯控制的目的。