李海燕 任文平 李鵬 李威威 池宗琳

云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091

1. 概述

NI Multisim 軟件是目前主流的電路虛擬仿真工具，該軟件為電路仿真提供了豐富的元器件庫(kù)、直觀的圖形界面和完備的分析方法。本文以彩燈控制電路為例，在Multisim 11.0環(huán)境下對(duì)其時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、順序脈沖產(chǎn)生電路、彩燈驅(qū)動(dòng)電路、直流電源和加/減計(jì)數(shù)控制電路幾個(gè)功能模塊進(jìn)行仿真分析，最終實(shí)現(xiàn)彩燈控制電路的模擬仿真，旨在演示Multisim在模擬電路仿真方面的應(yīng)用，為以后研究其他模型提供系統(tǒng)的研究方案。

2.彩燈控制系統(tǒng)功能

在電路中，彩燈一般是指發(fā)光二極管、白熾燈或不同色彩的燈泡，其控制方法有很多種，如單片機(jī)控制，這種控制方法編程簡(jiǎn)單，控制的圖案花樣多，外接電路簡(jiǎn)單。除了單片機(jī)控制之外，還可以利用數(shù)字電路來(lái)控制，其電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，制作和調(diào)試容易，成本低。

本文使用數(shù)字電路對(duì)彩燈進(jìn)行控制。彩燈控制電路包括時(shí)鐘產(chǎn)生電路、順序脈沖產(chǎn)生電路、彩燈驅(qū)動(dòng)電路及直流電源等組成部分。其中，順序脈沖產(chǎn)生電路是彩燈控制電路的關(guān)鍵部分，因?yàn)椴薀舻淖兓耆怯稍撾娐份敵龅目刂菩盘?hào)決定。改變時(shí)序控制信號(hào)，即脈沖的產(chǎn)生順序或周期，就可以控制各個(gè)彩燈的點(diǎn)亮?xí)r間和順序。彩燈控制電路的電路圖如圖1所示。

3. 彩燈控制電路功能模塊仿真

3.1 時(shí)鐘發(fā)生電路

時(shí)鐘信號(hào)由555定時(shí)器組成的自激多諧振蕩器產(chǎn)生，如圖2所示。在自激多諧振蕩電路中，電位器R1用于調(diào)節(jié)振蕩頻率，以便改變彩燈流動(dòng)點(diǎn)亮的速度。利用示波器測(cè)試該電路的輸出波形，如圖3所示。

3.2.順序脈沖產(chǎn)生電路

圖1 彩燈控制電路

圖2 555構(gòu)成的自激多諧振蕩器

順序脈沖產(chǎn)生電路一般由計(jì)數(shù)器和譯碼器構(gòu)成，其功能是在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，輸出在時(shí)間上有先后順序的脈沖。其中，計(jì)數(shù)器應(yīng)具有加法計(jì)數(shù)和減法計(jì)數(shù)的功能，以便改變彩燈依次點(diǎn)亮的方向。此處選用CD4510為十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器，可以輸出4位BCD碼，并且驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力強(qiáng)，能輸出較大的驅(qū)動(dòng)電流。圖1中C3、R3組成微分電路，接在計(jì)數(shù)器的清零端，啟動(dòng)電路時(shí)，使清零端瞬間得到一個(gè)高電平，從而使計(jì)數(shù)器清零。譯碼器采用CD4028,它是4線-10線譯碼器，正好與計(jì)數(shù)器CD4510配合，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的4位BCD碼輸入到CD4028的輸入端時(shí)，其10個(gè)輸出端的對(duì)應(yīng)端變成高電平。

3.3.彩燈驅(qū)動(dòng)電路

彩燈控制電路中有6路彩燈，按孔雀開(kāi)屏的形狀進(jìn)行排列，彩燈的數(shù)量逐漸增多。為了能使彩燈正常發(fā)光，電路應(yīng)該提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，采用單管放大器就可滿足這一要求。將順序脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號(hào)接到晶體管的基極上，將二極管的集電極接到發(fā)光二極管上，這樣集電極能獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，從而驅(qū)動(dòng)二極管正常發(fā)光。如果彩燈數(shù)量更多時(shí)，需用使用復(fù)合管才能驅(qū)動(dòng)所有彩燈的工作。

3.4.直流電源

直流電源在本電路中有兩路輸出，一路輸出到橋式整流電容濾波電路，該輸出電壓為7V，為晶體管的集電極電源，也是發(fā)光二極管的電源；另一路經(jīng)穩(wěn)壓電路，獲得5V的電壓，作為本控制電路中的數(shù)字電路部分的電源，如時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)器和譯碼器的電源。

3.5.加/減計(jì)數(shù)控制電路

由于要求彩燈點(diǎn)亮順序具有雙向流動(dòng)的效果，所以計(jì)數(shù)器應(yīng)交替進(jìn)行加法和減法計(jì)數(shù)，這就需要計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方式控制端U/D能得到交替的高低電平控制信號(hào)，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。加/減計(jì)數(shù)控制電路利用三極管反相器和D觸發(fā)器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方式，使計(jì)數(shù)器反復(fù)進(jìn)行加法—減法—加法—減法—…計(jì)數(shù)的交替，從而控制彩燈燈光的雙向流動(dòng)效果。

將時(shí)鐘產(chǎn)生電路、順序脈沖產(chǎn)生電路、彩燈驅(qū)動(dòng)電路及直流電源等功能模塊連接后，可得到圖1所示完整的彩燈控制電路。

圖3 自激多諧振蕩器輸出波形

4. 結(jié)語(yǔ)

彩燈控制電路相對(duì)比較復(fù)雜，由多個(gè)單元電路組成，綜合性很強(qiáng)。應(yīng)用Multisim仿真軟件可以方便地設(shè)計(jì)各個(gè)功能電路模塊，快速準(zhǔn)確地對(duì)彩燈控制電路性能進(jìn)行仿真分析，避免了儀器儀表誤差或電路接觸不好導(dǎo)致的影響，可以不受元器件種類、數(shù)量限制，提高了電子電路的設(shè)計(jì)效率。對(duì)于復(fù)雜的綜合性電路，本科生無(wú)需編程或復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而直接看到仿真結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開(kāi)深入的分析設(shè)計(jì)和改進(jìn)，這不僅可以激發(fā)電子類及計(jì)算機(jī)類學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，還對(duì)提高本科生的理論與實(shí)踐結(jié)合能力具有積極的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。

[1]National Instruments Electronic Workbench Group. Professional Edition Release Notes NI Circuit Design Suit (Version 11.0). 2010.

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[4]楊頌華，馮毛官，孫萬(wàn)蓉，胡立山. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.