基于Multisim的燈光循環(huán)顯示電路

/電子課程設(shè)計報告題目：基于Multisim的燈光循環(huán)顯示電路課程：學(xué)生姓名：xxxx學(xué)生學(xué)號：xxxxxxxxxx年級：20xx專業(yè)：自動化班級：1班指導(dǎo)教師：xxxxxxx機械與電氣工程學(xué)院制2015年3月基于Multisim的燈光循環(huán)顯示電路學(xué)生：xxx指導(dǎo)教師：xxx機械與電氣工程學(xué)院自動化專業(yè)1課程設(shè)計的任務(wù)與要求1.掌握計數(shù)、譯碼[1]、顯示驅(qū)動電路[2]的設(shè)計與調(diào)試方法。2.根據(jù)不同的要求實現(xiàn)不同的輸出。2設(shè)計的原理及方案制定2.1課程設(shè)計的原理根據(jù)燈光顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,可表示為000→001→010→100→111→100→010→001→000這樣一個七進(jìn)制循環(huán)。將74LS160計數(shù)器改造成000→001→010→011→100→101→110→111→000的七進(jìn)制循環(huán)計數(shù)器,再將計數(shù)器的輸出狀態(tài)用74LS138譯碼器轉(zhuǎn)換成八個輸出狀態(tài),將該輸出狀態(tài)通過邏輯運算轉(zhuǎn)化成具有三個輸出狀態(tài)的且與燈光顯示狀態(tài)一一對應(yīng)的狀態(tài)信號。三個彩燈紅、綠、黃循環(huán)顯示[3]。彩燈顯示的狀態(tài)表如表所示。表1彩燈顯示狀態(tài)表CLKBRＹ００００１００１２０１循環(huán)循環(huán)顯示３１００４１１１５１００６０１０７００１2.2課程設(shè)計方案制定根據(jù)彩燈顯示的狀態(tài)表分析,該電路由計數(shù)器、顯示譯碼模塊、顯示驅(qū)動電路構(gòu)成。計數(shù)器實現(xiàn)000~111狀態(tài)的輸出,顯示譯碼模塊把計數(shù)器的輸出轉(zhuǎn)換成彩燈顯示狀態(tài),由發(fā)光二極管顯示輸出。彩燈顯示電路框圖如圖1所示。計數(shù)器顯示譯碼模塊彩燈顯示計數(shù)器顯示譯碼模塊彩燈顯示圖1彩燈顯示電路框圖3設(shè)計方案實施3.1.1集成555定時器多諧振蕩器555定時器[4][5]多諧振蕩器[6]是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路,由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波,故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路,由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波,故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換,故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示,R1,R2和C是外接定時元件,電路中將高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端并接后接到R2和C的連接處,將放電端接到R1,R2的連接處。由于接通電源瞬間,電容C來不及充電,電容器兩端電壓uc為低電平,小于〔1/3Vcc,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平,輸出uo為高電平,放電管VT截止。這時,電源經(jīng)R1,R2對電容C充電,使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)uc上升到〔2/3Vcc時,輸出uo為低電平,放電管VT導(dǎo)通,把uc從〔1/3Vcc上升到〔2/3Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)T充=〔R1＋R2C。由于放電管VT導(dǎo)通,電容C通過電阻R2和放電管放電,電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān),放電時間常數(shù)T放＝R2C0隨著C的放電,uc下降,當(dāng)uc下降到〔1/3Vcc時,輸出uo。為高電平,放電管VT截止,Vcc再次對電容c充電,電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解,接通電源后,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn),則輸出可得矩形波。電路一旦起振后,uc電壓總是在〔1/3～2/3Vcc之間變化。圖2多諧振蕩器電路圖如圖2所示,R1,R2,和C是外接定時元件,電路中將高電平觸發(fā)端〔THR引腳和低電平的觸發(fā)端〔TRI引腳并接后到R2和C的連接處,將放電端〔DIS腳接到R1,R2的連接處。根據(jù)555振蕩器周期公式T=〔R1+2R2*C*Ln2,由圖2中所示的各個元器件的參數(shù),可以求出周期T=〔28860+57720*2>*0.00001*0.7=1.0101s,占空比=周期內(nèi)高電平所占時間/周期=〔R1+R2*C*Ln2/T=0.6由多諧振蕩器產(chǎn)生的暫穩(wěn)態(tài)電路的波形如圖3所示。圖3暫穩(wěn)態(tài)電路的波形圖74LS160計數(shù)器74LS160計數(shù)器[7]不僅用于對時鐘脈沖計數(shù),還可以用于分頻,定時,產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及數(shù)字運算。74LS160是同步置數(shù),異步清零的十進(jìn)制計數(shù)器。本次試驗利用了同步置數(shù)法將160接成8進(jìn)制以實現(xiàn)控制循環(huán)。當(dāng)清零端CLR為低電平時,不管時鐘端CLK狀態(tài)如何,即可完成清零功能,并且使得清零端為低電平的狀態(tài)的時間極短,故較為穩(wěn)定。74LS160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器為低電平時,必須等下一個時鐘信號到達(dá),才能將其置零,故該狀態(tài)包含在穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)內(nèi)74LS160的計數(shù)是同步的,靠CLK同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng)CEP,CET為高電平時,在CLK上升沿作用下Q0-Q3同時變化,從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。74LS160接成的同步計數(shù)器如圖4所示。圖474LS160同步計數(shù)器引腳圖74LS138譯碼器74LS138為3線-8線譯碼器。共有54LS138和74LS138兩種線路結(jié)構(gòu)型式。譯碼器是將每個輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)輸出高低電平信號或另一個代碼。74LS138譯碼器的工作原理：①當(dāng)一個選通端〔E1為高電平,另兩個選通端〔</E2>>和</E3>為低電平時,可將地址端〔A0、A1、A2的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時,則Y6輸出端輸出低電平信號。②利用E1、E2和E3可級聯(lián)擴展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴展成32線譯碼器。③若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時,74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。④可用在8086的譯碼電路中,擴展內(nèi)存。關(guān)于74LS138的引腳功能介紹：A0~A2：地址輸入端STA〔E1：選通端/STB〔/E2、/STC〔/E3：選通端〔低電平有效/Y0~/Y7：輸出端〔低電平有效VCC：電源正GND：地A0~A2對應(yīng)Y0——Y7；A0,A1,A2以二進(jìn)制形式輸入,然后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制,對應(yīng)相應(yīng)Y的序號輸出低電平,其他均為高電平；下圖為74LS138的邏輯圖。圖574LS138譯碼器的邏輯圖此次實驗將計數(shù)器的輸出端信號作為譯碼器的輸入信號,G1接高電平G2接低電平,譯碼器處于工作狀態(tài),A,B,C地址輸入端對應(yīng)著一個輸出Y。3.1.4顯示驅(qū)動電路顯示驅(qū)動電路由譯碼器分別連接三個不同顏色的LED燈即紅藍(lán)黃各一個構(gòu)成,在實驗仿真過程中,譯碼器的輸出信號將轉(zhuǎn)化為驅(qū)動燈管[8]發(fā)光的信號,譯碼器的輸出每次只能有一個狀態(tài),通過一個與非門[9]可以達(dá)到輸出的循環(huán)顯示,即三個不同顏色的紅藍(lán)黃LED彩燈循環(huán)顯示。根據(jù)555振蕩器周期公式T=〔R1+2R2*C*Ln2,由圖2中所示的各個元器件數(shù),可以求出周期T=〔28860+57720*2>*0.00001*0.7=1.0101s及每隔周期T即1.0101s,三個不同顏色的紅藍(lán)黃LED彩燈循環(huán)顯示的時間間隔為1.0101s。3.2元器件選擇表2元件清單表元器件名稱元器件所需數(shù)量555定時器多諧振蕩器〔相關(guān)參數(shù)需改動一個74LS1383-8線譯碼器一個三輸入端與非門元器件四個74LS160計數(shù)器一個LED顯示燈紅藍(lán)黃各一個5V電源一個電容兩個導(dǎo)線若干3.3系統(tǒng)整體電路圖圖6系統(tǒng)的整體電路圖4設(shè)計的仿真實現(xiàn)4.1仿真軟件介紹本次試驗是利用Multisim10[10]軟件完成的一個電路仿真實驗,Multisim10軟件是一個專門用于電子線路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設(shè)計工具,Multisim是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來,并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點：<1>直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺,繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上,輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來,軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似,測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。<2>豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB的元器件庫,Multisim提供了世界主流供應(yīng)商的超過17000多種元器件,同時能方便的對元器件的各種參數(shù)進(jìn)行修改能利用模型生成器以及代碼模型生成創(chuàng)建型等功能,創(chuàng)建自己需要的元器件。元件庫中包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件,且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型,還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務(wù)。<3>豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外,Multisim新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。<4>完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外,Multisim新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等,基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計要求。<5>強大的仿真能力：Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真,也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?尤其是新增了射頻<RF>電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因,仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。4.2設(shè)計仿真實現(xiàn)在Multisim10的元件庫中將元件清單表所需元器件一一找出,并在Multisim10的操作界面中將元器件按照電路仿真實驗原理圖將各個元器件排列好。并用導(dǎo)線將其正確的連接好,然后點擊Multisim10軟件中的運行按鈕,進(jìn)行電路實驗仿真,電路仿真過程中可以觀察到燈光顯示電路中的紅,藍(lán)和黃LED燈循環(huán)閃爍顯示,顯示時間間隔為1.0101s即圖7所示現(xiàn)象,當(dāng)然也可根據(jù)555振蕩器周期公式T=〔R1+2R2*C*Ln2,通過改變電阻R1,R2及電容C的設(shè)定值從而改變這個循環(huán)的顯示周期,然后雙擊暫穩(wěn)態(tài)電路中的示波器,會觀察到循環(huán)顯示高低電平的方波即圖8所示現(xiàn)象,而且結(jié)合所學(xué)知識及電路實驗原理可以得出示波器高電平的時候燈光顯示電路的LED燈才會循環(huán)顯示。下面是試驗仿真過程中結(jié)果圖。圖7試驗仿真時彩燈顯示電路圖圖8實驗仿真時暫穩(wěn)態(tài)電路的輸出波形圖電路由計數(shù)器、顯示譯碼模塊、顯示驅(qū)動電路構(gòu)成。計數(shù)器實現(xiàn)000~111狀態(tài)的循環(huán)輸出,顯示譯碼模塊把計數(shù)器的輸出轉(zhuǎn)換成彩燈顯示狀態(tài),由LED燈顯示輸出,紅,黃,藍(lán)燈交替顯示,通過計算周期T為1.0101s,即三個不同顏色的紅藍(lán)黃LED彩燈循環(huán)顯示的時間間隔為1.0101s。而且仿真結(jié)果驗證了試驗設(shè)計的正確性。5總結(jié)及體會通過這幾天的課程設(shè)計,讓我體會到要想制作一個正確的課程設(shè)計的困難,不僅需要很長的時間,還要很多的精力。由于沒有學(xué)過Multisim仿真軟件,所以剛開始的時候根本不會使用這個軟件,后來不斷的摸索,學(xué)習(xí),終于對它有了一些了解,能夠更好的去利用它了。本來覺得很容易的電路圖但是進(jìn)行仿真的時候,各種問題都接踵而至,這時候才發(fā)現(xiàn)還有很多東西自己根本就不了解,想過放棄,但在同學(xué)的幫助下堅持下來了,并且通過查閱書籍及各種資料完整的仿真出了實驗結(jié)果,很開心。這次試驗使我深刻認(rèn)識到理論與實際相結(jié)合的重要性,光有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合,從理論中得出結(jié)論,才能真正掌握本領(lǐng),從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。通過這次課程設(shè)計,我們深感自己動手操作的重要性。我們在課堂上接觸到的多半是蒼白的理論,在實踐層面上只有一定的指導(dǎo)作用。但是真正在實際運用過程中,我們?nèi)绻狈Ρ匾募皶r鍛煉,那將會感覺到力不從心。理工科本來就是一門集思維和動手能力于一體的學(xué)科,要想真正掌握好,思考、假設(shè)和實驗驗證都是必不可少的。在通過很多的理論學(xué)習(xí)之后,我們通過課程設(shè)計和相關(guān)的實驗把書本上的理論知識在實際運用中加以利用,鞏固了理論知識的同時也增強了我們的動手能力。我們學(xué)習(xí)理論知識的最終目的還是要走向?qū)嶋H運用,通過這種模擬式的學(xué)習(xí),我們加深認(rèn)識到理論與實踐的差異。通過這個課程設(shè)計,我們大家把整個學(xué)習(xí)階段的各種學(xué)科知識竄聯(lián)在一起,更好地認(rèn)識到學(xué)習(xí)是一個系統(tǒng)工程。我們的每一個環(huán)節(jié)都是在為以后的實踐環(huán)節(jié)做鋪墊,我們的每一個環(huán)節(jié)都是要有所掌握才可以順利完成任務(wù)。遇到的各種問題都要親自去解決是一件很不容易的事情,同時我也在實踐過程中修復(fù)了以往學(xué)習(xí)的很多漏洞。自身也得到了不同程度的完善和提升。希望以后能多舉行多參與這類型的實踐活動。把理論知識結(jié)合到實踐層面去,理論結(jié)合實際學(xué)習(xí)才會更有聲有色。要把我們學(xué)到理論知識的真正利用到生產(chǎn)實際中還需要大量的實踐和運用。我忘不了自己在這一過程中的努力與收獲,我們也相信付出與收獲成正比,我們付出的越多,相應(yīng)地收獲也就越多。我們有大塊的時間