基于Multisim 10的4路循环LED灯的仿真与制作

基于Multisim 10的4路循环LED灯的仿真与制作
倪丽惠
【摘要】本文基于Multisim 10仿真软件，利用计数器74LS163及集成双向移位寄存器74LS194实现了4路循环LED灯的设计、仿真与制作。

【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】2页(P1-1,2)
【关键词】4路循环LED灯;74LS163;74LS194;Multisim 10
【作者】倪丽惠
【作者单位】苏州高等职业技术学校苏州 216009
【正文语种】中文
倪丽惠苏州高等职业技术学校苏州 216009
在《数字电子技术》学科的学习中，时序逻辑电路是重要的章节，里面涉及到很多集成芯片，单单从理论层面对各芯片的功能进行讲解，学生容易产生混淆而且教学效果差。

为了提高学生的学习兴趣，强化学生对芯片功能的理解，本文研究设计了4路循环LED灯电路，让学生充分掌握74LS163和74LS194这两个芯片的功能
及应用。

为了符合高职校的项目化教学，设计完电路后，还要求学生对设计的电路进行仿真与制作。

仿真是为了验证电路设计的正确性，制作是为了提高学生实际的动手能力，提升综合素养。

1.1 芯片介绍
本文设计的4路循环LED灯电路主要用到了74LS163和74LS194两个集成芯片。

74LS163为4位二进制同步计数器，具有同步清零、同步置数等功能。

74LS194
是中规模集成4位双向移位寄存器，具有左移、右移、置数、保持及清零5种功能，其逻辑符号见图1，功能表见表1。

：异步清零端，低电平有效。

S1、S0：工作方式选择控制端。

为高电平时，选择移位寄存器的工作方式。

CP：同步时钟输入端，上升沿引起移位寄存器状态的转换。

SR、SL分别是右移和左移串行输入。

A、B、C和D是并行输入端；QD和QA分别是右移和左移时的串行输出端，QA、QB、QC和QD 为并行输出端。

1.2 电路设计要求
利用Multisim 10仿真软件设计一个4路循环LED灯控制电路，要求在16秒内
能实现左移/右移功能，且左右移自动切换，LED灯的具体花型如表2所示。

表2 花型表
第一种花型实现左移，四路LED灯先从右向左逐次渐亮，然后再从右向左逐次渐灭，共用8秒；第二种花型实现右移，四路LED灯先从左向右逐次渐亮，然后再
从左向右逐次渐灭，共用8秒。

循环一次需要16秒，由花型表可知，循环经过0000→0001→0011→0111→1111→1110→1100→1000→0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001这些状态。

根据系统要求，设计系统硬件框图如图2所示。

其中时钟信号由信号发生器提供，用以提供频率为1 Hz 的时钟信号，74LS163实现节拍控制，74LS194实现花型
控制，花型演示模块完成系统循环演示，由4路LED灯模拟。

学生把握了电路整体框架之后，进行电路的设计。

在该设计中，由74LS163的时钟信号由信号发生器提供，将1Hz的信号接入时钟信号端CLK。

且74LS163本身实现16进制计数器，即该芯片的信号输入端A、B、C和D空置，使能端ENP和
ENT、清零端CLR及置数端LOAD都接高电平（见图3）。

只要信号发生器有信号提供，74LS163就循环进行16秒计数。

在设计电路部分，LED灯左/右移动的设计是该设计的一个难点。

为了突破这个难点，引导学生根据具体花型，结合花型分析表（见表3），观察74LS163的输出端与74LS194的输入端之间的关系，得出74LS194控制表达式（见式3-1及3-2），实现LED灯的左右移功能，且左/右移自动切换。

由式3-1可得，74LS163的输出端QD与74LS194的输入端S0相连，
74LS163的输出端QD经过一个非门，非门的输出端与74LS194的输入端S1相连。

由式3-2可得，74LS163的输出端QC经过一个非门，非门的输出端分别与74LS194的输入端SL及SR相连（见图3）。

攻克难点后，学生便可轻松的完成电路设计，画出理论上正确的电路原理图。

为了使电路的功能更加完善，在电路设计中，考虑到利用74LS194的清零端CLR，结合一个单刀双掷开关，实现整个电路的清零功能（见图3），即清零端CLR为低电平时，可使4路LED灯同时熄灭。

电路原理图的设计只是停留在理论层面，不能充分引起学生的兴趣，为了增强知识的趣味性及进一步验证电路的可行性，利用Multisim10 软件对电路进行仿真，仿真的电路原理图如图3所示。

仿真时，信号发生器选择波形为方波，频率50Hz，占空比50%，幅度5V（峰值）。

如果设置的频率为1Hz，仿真运行速度太慢，需要等待很长时间才能看到电路仿真效果，但依据仿真电路做实物时，供给电路的实际频率为1Hz。

仿真现象表明4路LED灯的亮灭情况与理论分析一致，电路的正确性得到验证。

根据电路仿真图3，确定元器件如下：集成芯片74LS194一片，集成芯片
74LS163一片，集成芯片74LS04一片，芯片底座3个，不带自锁的轻触开关1个，LED灯4盏，万用板一块。

为了节省焊接时间，提高电路实现的成功率，在制作前可以先画布局布线图，布局布线需要牢记：信号引脚置左侧，电源引脚置上方，开关元件置下方，板子正面布横线，板子反面布竖线。

从电路的设计、到电路的仿真、再到电路的布局布线，电路的组装与焊接轻松就能完成，制作好电路后，先接通信号发生器，选择方波，频率调至1Hz左右，峰峰值调至7V左右，然后接通 5V 直流电源，即可看到4路LED灯的左右移动及亮灭效果。

本文基于Multisim 10仿真软件，设计并仿真了4路循环LED灯电路，让学生充分掌握74LS163和74LS194这两个芯片的功能及应用。

仿真结果与理论分析一致，验证了该电路设计的正确性和可行性。

应用 Multisim 软件进行电路的仿真突破了在传统实验中硬件设备条件的限制，也加强了学生学习的趣味性，进而能够更好地培养学生的实验技能、提高学生的电路设计能力，也为以后从事电子技术方面的工作打下良好的基础。

但需要说明的是，Multisim 软件虽然功能强大，但也只能作为一种模拟电路的方法，它与实际电路还是有区别的，应根据实际情况做适当调整和改进。

在《数字电子技术》学科的教学中，应多鼓励学生根据已学的知识进行电路的设计与完善，并利用Multisim软件进行仿真验证，实现知识的创新。

【相关文献】
[1]刘文武基于multisim10的16路竞赛抢答器设计与仿真．现代电子技术．第34卷第23期．2012年12月．
[2]阎石．数字电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2006．
[3]任骏原．数字电子技术实验[M]．沈阳：东北大学出版社，2010．
[4]毛期俭．数字电路与逻辑设计实验及应用[M]．北京：人民邮电出版社，2005。