基于Multisim的燈光循環(huán)顯示電路

/電子課程設(shè)計(jì)報(bào)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(hào)：xxxxxxxxxx年級(jí)：20xx專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：1班指導(dǎo)教師：xxxxxxx機(jī)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(jī)械與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.掌握計(jì)數(shù)、譯碼[1]、顯示驅(qū)動(dòng)電路[2]的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。2.根據(jù)不同的要求實(shí)現(xiàn)不同的輸出。2設(shè)計(jì)的原理及方案制定2.1課程設(shè)計(jì)的原理根據(jù)燈光顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),可表示為000→001→010→100→111→100→010→001→000這樣一個(gè)七進(jìn)制循環(huán)。將74LS160計(jì)數(shù)器改造成000→001→010→011→100→101→110→111→000的七進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)器,再將計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)用74LS138譯碼器轉(zhuǎn)換成八個(gè)輸出狀態(tài),將該輸出狀態(tài)通過邏輯運(yùn)算轉(zhuǎn)化成具有三個(gè)輸出狀態(tài)的且與燈光顯示狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)。三個(gè)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(jì)方案制定根據(jù)彩燈顯示的狀態(tài)表分析,該電路由計(jì)數(shù)器、顯示譯碼模塊、顯示驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)000~111狀態(tài)的輸出,顯示譯碼模塊把計(jì)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(jì)數(shù)器顯示譯碼模塊彩燈顯示計(jì)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(jì)方案實(shí)施3.1.1集成555定時(shí)器多諧振蕩器555定時(shí)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(gè)暫穩(wěn)態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個(gè)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(gè)暫穩(wěn)態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個(gè)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(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示,R1,R2和C是外接定時(shí)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(shí),電源經(jīng)R1,R2對(duì)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(shí),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(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān)。充電時(shí)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(shí)間TPL的長短與電容的放電時(shí)間有關(guān),放電時(shí)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(shí),輸出uo。為高電平,放電管VT截止,Vcc再次對(duì)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(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì)數(shù)器74LS160計(jì)數(shù)器[7]不僅用于對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù),還可以用于分頻,定時(shí),產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及數(shù)字運(yùn)算。74LS160是同步置數(shù),異步清零的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。本次試驗(yàn)利用了同步置數(shù)法將160接成8進(jìn)制以實(shí)現(xiàn)控制循環(huán)。當(dāng)清零端CLR為低電平時(shí),不管時(shí)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(shí)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(shí),必須等下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)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(jì)數(shù)是同步的,靠CLK同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)CEP,CET為高電平時(shí),在CLK上升沿作用下Q0-Q3同時(shí)變化,從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。74LS160接成的同步計(jì)數(shù)器如圖4所示。圖474LS160同步計(jì)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(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)輸出高低電平信號(hào)或另一個(gè)代碼。74LS138譯碼器的工作原理：①當(dāng)一個(gè)選通端〔E1為高電平,另兩個(gè)選通端〔</E2>>和</E3>為低電平時(shí),可將地址端〔A0、A1、A2的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時(shí),則Y6輸出端輸出低電平信號(hào)。②利用E1、E2和E3可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成24線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成32線譯碼器。③若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí),74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。④可用在8086的譯碼電路中,擴(kuò)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(duì)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(duì)應(yīng)相應(yīng)Y的序號(hào)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(shí)驗(yàn)將計(jì)數(shù)器的輸出端信號(hào)作為譯碼器的輸入信號(hào),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(duì)應(yīng)著一個(gè)輸出Y。3.1.4顯示驅(qū)動(dòng)電路顯示驅(qū)動(dòng)電路由譯碼器分別連接三個(gè)不同顏色的LED燈即紅藍(lán)黃各一個(gè)構(gòu)成,在實(shí)驗(yàn)仿真過程中,譯碼器的輸出信號(hào)將轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)燈管[8]發(fā)光的信號(hào),譯碼器的輸出每次只能有一個(gè)狀態(tài),通過一個(gè)與非門[9]可以達(dá)到輸出的循環(huán)顯示,即三個(gè)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(gè)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(gè)不同顏色的紅藍(lán)黃LED彩燈循環(huán)顯示的時(shí)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(shí)器多諧振蕩器〔相關(guān)參數(shù)需改動(dòng)一個(gè)74LS1383-8線譯碼器一個(gè)三輸入端與非門元器件四個(gè)74LS160計(jì)數(shù)器一個(gè)LED顯示燈紅藍(lán)黃各一個(gè)5V電源一個(gè)電容兩個(gè)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(jì)的仿真實(shí)現(xiàn)4.1仿真軟件介紹本次試驗(yàn)是利用Multisim10[10]軟件完成的一個(gè)電路仿真實(shí)驗(yàn),Multisim10軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具,Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)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(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)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(diǎn)：<1>直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái),繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上,輕點(diǎn)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(shí)物相似,測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。<2>豐富的元器件庫：Multisim大大擴(kuò)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(shí)能方便的對(duì)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(yùn)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(kuò)充和更新服務(wù)。<3>豐富的測(cè)試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)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(tái)同時(shí)調(diào)用。<4>完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)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(diǎn)一零點(diǎn)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(jì)要求。<5>強(qiáng)大的仿真能力：Multisim既可對(duì)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(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因,仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。4.2設(shè)計(jì)仿真實(shí)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(shí)驗(yàn)原理圖將各個(gè)元器件排列好。并用導(dǎo)線將其正確的連接好,然后點(diǎn)擊Multisim10軟件中的運(yùn)行按鈕,進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)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(huì)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(shí)及電路實(shí)驗(yàn)原理可以得出示波器高電平的時(shí)候燈光顯示電路的LED燈才會(huì)循環(huán)顯示。下面是試驗(yàn)仿真過程中結(jié)果圖。圖7試驗(yàn)仿真時(shí)彩燈顯示電路圖圖8實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)暫穩(wěn)態(tài)電路的輸出波形圖電路由計(jì)數(shù)器、顯示譯碼模塊、顯示驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)000~111狀態(tài)的循環(huán)輸出,顯示譯碼模塊把計(jì)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(jì)算周期T為1.0101s,即三個(gè)不同顏色的紅藍(lán)黃LED彩燈循環(huán)顯示的時(shí)間間隔為1.0101s。而且仿真結(jié)果驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。5總結(jié)及體會(huì)通過這幾天的課程設(shè)計(jì),讓我體會(huì)到要想制作一個(gè)正確的課程設(shè)計(jì)的困難,不僅需要很長的時(shí)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(shí)候根本不會(huì)使用這個(gè)軟件,后來不斷的摸索,學(xué)習(xí),終于對(duì)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(shí)候,各種問題都接踵而至,這時(shí)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(jiān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,很開心。這次試驗(yàn)使我深刻認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性,光有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)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(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。通過這次課程設(shè)計(jì),我們深感自己動(dòng)手操作的重要性。我們?cè)谡n堂上接觸到的多半是蒼白的理論,在實(shí)踐層面上只有一定的指導(dǎo)作用。但是真正在實(shí)際運(yùn)用過程中,我們?nèi)绻狈Ρ匾募皶r(shí)鍛煉,那將會(huì)感覺到力不從心。理工科本來就是一門集思維和動(dòng)手能力于一體的學(xué)科,要想真正掌握好,思考、假設(shè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)把書本上的理論知識(shí)在實(shí)際運(yùn)用中加以利用,鞏固了理論知識(shí)的同時(shí)也增強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力。我們學(xué)習(xí)理論知識(shí)的最終目的還是要走向?qū)嶋H運(yùn)用,通過這種模擬式的學(xué)習(xí),我們加深認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)踐的差異。通過這個(gè)課程設(shè)計(jì),我們大家把整個(gè)學(xué)習(xí)階段的各種學(xué)科知識(shí)竄聯(lián)在一起,更好地認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)是一個(gè)系統(tǒng)工程。我們的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是在為以后的實(shí)踐環(huán)節(jié)做鋪墊,我們的每一個(gè)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(shí)我也在實(shí)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(shí)踐活動(dòng)。把理論知識(shí)結(jié)合到實(shí)踐層面去,理論結(jié)合實(shí)際學(xué)習(xí)才會(huì)更有聲有色。要把我們學(xué)到理論知識(shí)的真正利用到生產(chǎn)實(shí)際中還需要大量的實(shí)踐和運(yùn)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(shí)間