基于Multisim的灯光循环显示电路
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电子课程设计报告题目：基于Multisim的灯光循环显示电路课程：
学生姓名： xxxx
学生学号： xxxxxxxxxx
年级： 20xx
专业：自动化
班级： 1 班
指导教师： xxxxxxx
机械与电气工程学院制
2015年3月
基于Multisim的灯光循环显示电路
学生：xxx
指导教师：xxx
机械与电气工程学院自动化专业
1 课程设计的任务与要求
1. 掌握计数、译码[1]、显示驱动电路[2]的设计与调试方法。
2. 根据不同的要求实现不同的输出。
2 设计的原理及方案制定
课程设计的原理
根据灯光显示状态转化为数字信号，可表示为000→001→010→100→111→100→010→001→000这样一个七进制循环。将74LS160计数器改造成000→001→010→011→100→101→110→111→000的七进制循环计数器，再将计数器的输出状态用74LS138译码器转换成八个输出状态，将该输出状态通过逻辑运算转化成具有三个输出状态的且与灯光显示状态一一对应的状态信号。三个彩灯红、绿、黄循环显示[3]。彩灯显示的状态表如表所示。
表1 彩灯显示状态表
课程设计方案制定
根据彩灯显示的状态表分析，该电路由计数器、显示译码模块、显示驱动电路构成。计数器实现000~111状态的输出，显示译码模块把计数器的输出转换成彩灯显示状态，由发光二极管显示输出。彩灯显示电路框图如图1所示。
图1 彩灯显示电路框图
3 设计方案实施
集成555定时器多谐振荡器
555定时器[4] [5]多谐振荡器[6] 是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换。多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。
由555定时器构成的多谐振荡器如图2所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端和低电平触发端并接后接到R2和C的连接处，将放电端接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C 的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。
图2多谐振荡器电路图
如图2所示，R1，R2，和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（THR引脚）和低电平的触发端（TRI）引脚并接后到R2和C的连接处，将放电端（DIS 脚）接到R1，R2的连接处。根据555振荡器周期公式T=（R1+2R2）*C*Ln2,由图2中所示的各个元器件的参数，可以求出周期T=（28860+57720*2)**= ，占空比=周期内高电平所占时间/周期=（R1+R2）*C*Ln2/T=
由多谐振荡器产生的暂稳态电路的波形如图3所示。
图3 暂稳态电路的波形图
74LS160计数器
74LS160计数器[7]不仅用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频，定时，产生节拍脉冲和脉冲序列以及数字运算。74LS160是同步置数，异步清零的十进制计数器。本次试验利用了同步置数法将160接成8进制以实现控制循环。当清零端CLR 为低电平时，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清零功能，并且使得清零端为低电平的状态的时间极短，故较为稳定。74LS160的预置是同步的。当置入控制器为低电平时，必须等下一个时钟信号到达，才能将其置零，故该状态包含在稳定的循环状态内74LS160的计数是同步的，靠CLK同时加在四个触发器上而实现的。当CEP,CET为高电平时，在CLK上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。74LS160接成的同步计数器如图4所示。
图4 74LS160同步计数器引脚图
74LS138译码器
74LS138为3线-8线译码器。共有 54LS138和 74LS138 两种线路结构型式。译码器是将每个输入的二进制代码译成对应输出高低电平信号或另一个代码。
74LS138译码器的工作原理：
①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和(/E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
②利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。
③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
④可用在8086的译码电路中，扩展内存。
关于74LS138的引脚功能介绍：A0~A2：地址输入端 STA（E1）：选通端/STB （/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效）/Y0~/Y7：输出端（低电平有效）
VCC：电源正GND：地A0~A2对应Y0——Y7；A0,A1,A2以二进制形式输入，然后转
换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平；
下图为74LS138的逻辑图。
图5 74LS138译码器的逻辑图
此次实验将计数器的输出端信号作为译码器的输入信号，G1接高电平G2接
低电平，译码器处于工作状态，A,B,C地址输入端对应着一个输出Y。
显示驱动电路
显示驱动电路由译码器分别连接三个不同颜色的LED灯即红蓝黄各一个构成，在实验仿真过程中，译码器的输出信号将转化为驱动灯管[8]发光的信号，译码器的
输出每次只能有一个状态，通过一个与非门[9]可以达到输出的循环显示，即三个不
同颜色的红蓝黄LED彩灯循环显示。根据555振荡器周期公式T=（R1+2R2）*C*Ln2,由图2中所示的各个元器件数，可以求出周期T=（28860+57720*2)**=及每隔周期T 即，三个不同颜色的红蓝黄LED彩灯循环显示的时间间隔为。
元器件选择
表2 元件清单表
元器件名称元器件所需数量
555定时器多谐振荡器（相关参数需改
一个
动）
74LS138 3-8线译码器一个
三输入端与非门元器件四个
74LS160计数器一个
LED显示灯红蓝黄各一个
5V电源一个
电容两个
导线若干
系统整体电路图
图6系统的整体电路图
4 设计的仿真实现
仿真软件介绍
本次试验是利用Multisim10[10]软件完成的一个电路仿真实验，Multisim10软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人
桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真
与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件特点：
(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。
(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库，Multisim提供了世界主流供应商的超过17000多种元器件，同时能方便的对元器件的各种参数进行修改能利用模型生成器以及代码模型生成创建型等功能，创建自己需要的元器件。元件库中包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。
(3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。
(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。
(5)强大的仿真能力：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。
设计仿真实现
在Multisim10的元件库中将元件清单表所需元器件一一找出，并在
Multisim10的操作界面中将元器件按照电路仿真实验原理图将各个元器件排列好。并用导线将其正确的连接好，然后点击Multisim10软件中的运行按钮，进行电路实验仿真，电路仿真过程中可以观察到灯光显示电路中的红，蓝和黄LED灯循环闪烁显示，显示时间间隔为即图7所示现象，当然也可根据555振荡器周期公式T=
（R1+2R2）*C*Ln2，通过改变电阻R1，R2及电容C的设定值从而改变这个循环的显示周期，然后双击暂稳态电路中的示波器，会观察到循环显示高低电平的方波即图8所示现象，而且结合所学知识及电路实验原理可以得出示波器高电平的时候灯光显示电路的LED灯才会循环显示。下面是试验仿真过程中结果图。
图7试验仿真时彩灯显示电路图
图8实验仿真时暂稳态电路的输出波形图
电路由计数器、显示译码模块、显示驱动电路构成。计数器实现000~111状态的循环输出，显示译码模块把计数器的输出转换成彩灯显示状态，由LED灯显示输出，红，黄，蓝灯交替显示，通过计算周期T为，即三个不同颜色的红蓝黄LED彩灯循环显示的时间间隔为。而且仿真结果验证了试验设计的正确性。
5 总结及体会
通过这几天的课程设计，让我体会到要想制作一个正确的课程设计的困难，不仅需要很长的时间，还要很多的精力。由于没有学过Multisim仿真软件，所以刚开始的时候根本不会使用这个软件，后来不断的摸索，学习，终于对它有了一些了解，能够更好的去利用它了。本来觉得很容易的电路图但是进行仿真的时候，各种问题都接踵而至，这时候才发现还有很多东西自己根本就不了解，想过放弃，但在同学的帮助下坚持下来了，并且通过查阅书籍及各种资料完整的仿真出了实验结果，很开心。这次试验使我深刻认识到理论与实际相结合的重要性，光有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得出结论，才能真正掌握本领，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计，我们深感自己动手操作的重要性。我们在课堂上接触到的多半是苍白的理论，在实践层面上只有一定的指导作用。但是真正在实际运用过程中，我们如果缺乏必要的及时锻炼，那将会感觉到力不从心。理工科本来就是一门集思维和动手能力于一体的学科，要想真正掌握好，思考、假设和实验验证都是必不可少的。在通过很
多的理论学习之后，我们通过课程设计和相关的实验把书本上的理论知识在实际运用中加以利用，巩固了理论知识的同时也增强了我们的动手能力。
我们学习理论知识的最终目的还是要走向实际运用，通过这种模拟式的学习，我们加深认识到理论与实践的差异。通过这个课程设计，我们大家把整个学习阶段的各种学科知识窜联在一起，更好地认识到学习是一个系统工程。我们的每一个环节都是在为以后的实践环节做铺垫，我们的每一个环节都是要有所掌握才可以顺利完成任务。遇到的各种问题都要亲自去解决是一件很不容易的事情，同时我也在实践过程中修复了以往学习的很多漏洞。自身也得到了不同程度的完善和提升。希望以后能多举行多参与这类型的实践活动。把理论知识结合到实践层面去，理论结合实际学习才会更有声有色。要把我们学到理论知识的真正利用到生产实际中还需要大量的实践和运用。我忘不了自己在这一过程中的努力与收获，我们也相信付出与收获成正比，我们付出的越多，相应地收获也就越多。我们有大块的时间在准备，在学习的过程中，我要不断地改进和学习，多多交流才能更好更轻松地学习。
6参考文献
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