基于Multisim13数字流水灯电路设计与仿真

范月圆，刘华勇

(1. 江苏航空职业技术学院 航空工程学院，江苏 镇江 212134；2. 江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏 镇江 212016)

基于Multisim13数字流水灯电路设计与仿真

范月圆1，刘华勇2

(1. 江苏航空职业技术学院 航空工程学院，江苏 镇江 212134；2. 江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏 镇江 212016)

流水灯的控制可用多种方法实现。以Multisim13仿真软件为平台，利用CD4060，74LS164，74LS165设计和制作基于移位寄存器的数字流水灯电路，使用虚拟示波器、逻辑分析仪等虚拟元件完成电路的设计与仿真。

Multisim仿真软件；流水灯；CD4060；移位寄存器

Multisim是一款常用的EDA 软件，广泛应用于“电工基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程教学。本文利用Multisim13仿真软件设计以移位寄存器为核心的流水灯电路，并对电路性能进行仿真分析[1-2]。

1 数字流水灯

霓虹灯为城市夜景增添了色彩，如流水灯。流水灯的控制可用集成块构成的数字逻辑电路、以单片机为核心的智能控制电路等方法实现。本文的数字流水灯电路以移位寄存器为核心构成。

2 结构框图

移位寄存器构成的数字流水灯电路主要由脉冲产生电路、移位寄存器、LED彩灯组成，结构框图如图1所示。脉冲产生电路产生矩形波为移位寄存器电路提供脉冲源，移位寄存器在脉冲作用下依次点亮LED彩灯并循环，实现流水效果[3]。

图1 数字流水灯电路结构框图

3 单元电路的仿真分析

3.1 脉冲产生电路

脉冲产生电路的主要元件是集成电路CD4060。CD4060是14级二进制串行计数/分频器和振荡器，可以实现分频、振荡功能。CD4060内部是14级分频器，由Q4～Q14(缺少Q11)输出二进制分频信号。CD4060内部含两个串接的反相器，可以外接电阻电容构成RC振荡器，也可外接石英晶体组成石英晶体振荡器。通常是CD4060外接32 768 Hz的石英晶体振荡器，通过内部多级分频后得到精密的秒脉冲信号[4]。本电路不需要精密的脉冲信号源，因此选用CD4060外接电阻和电容构成 RC 振荡器，电阻为10 kΩ，电容为0.47 μf，振荡器的振荡频率Q6的输出频率

(1)

其他各输出端的频率也可参考公式(1)估算。为了进一步测试电路的性能，在电路的输出端连接数字示波器和逻辑分析仪，如图2所示。

图2 脉冲信号产生电路图

利用虚拟仿真软件，在其输出端接数字示波器，测量电路产生脉冲信号频率为96.8 Hz，如图3所示。在CD4060输出各端接逻辑分析仪，输出波形如图4所示。

图3 数字示波器测量界面

3.2 移位寄存器电路设计与仿真

寄存器的基本构成单元是触发器，在数字电路中的主要作用是储存代码或数据。移位寄存器能寄存数码，还能移位，即在脉冲作用下，将寄存器中存放的数码依次向右或向左移。移位寄存器，根据移位方向，可分为左移寄存器、右移寄存器、双向移位寄存器3种；根据输入输出方式，可分为串行输入串行输出、串行输入并行输出、并行输入串行输出、并行输入并行输出等4种电路结构[5]。本文采用的74LS165和74LS164均为单向移位寄存器，其中74LS165为8位并行输入串行输出移位寄存器，74LS164为8位串行输入并行输出移位寄存器。将两个移位寄存器集成电路连接，设计和制作单向循环移动的流水灯电路，如图5所示。

图4 脉冲信号发生器各输出端波形图

图5 移位寄存器仿真电路图

图5中，脉冲提供给74LS165的2脚和74LS164的8脚时钟端，74LS165的1脚为移位/置入控制端，置入功能低电平有效，11脚—14脚，3脚—6脚分别为8位并行数据A，B，C，D，E，F，G，H端。A-G端接低电平，H端接高电平，当电源接通，74LS165的1脚为低电平，数据“00000001”被置入寄存器，一段时间后，1脚在CD4060的Q8分频频率和电阻电容作用下变成高电平，此时置数端被禁止，开启移位功能，在2脚接入的脉冲信号作用下，数据右移1位变成“10000000”，依次类推为“01000000”“00100000”“00010000”“00001000”“00000100”“00000010”“00000001”。74LS165有2个时钟端，分别是2脚的时钟CLK端和15脚的CLK INH端，功能相同，可交换使用。一个为低电平且移位/置入控制端高电平时，另一个时钟可以输入，因此15脚接低电平。74LS165的9脚串行输出接74LS164的2脚串行输入端，将数据依次传输给74LS164。74LS164的1脚、2脚为串行数据输入端(A，B)，可控制数据输入，A，B中任意一个为低电平时，禁止新数据输入；其中一个为高电平时，另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定QA—QH的状态，因此1脚接高电平。74LS164的9脚为清除端(CLEAR)，使输出端(QA—QH)清零，低电平有效，故9脚接电源端[6]。74LS164的8位输出端接逻辑分析仪测量后波形如图6所示。

图6 移位寄存器输出波形图

4 总体电路的设计与仿真

系统总体电路仿真图如图6所示。由CD4060 14级二进制串行计数/分频器、电阻、电容等元件构成的时钟脉冲产生电路产生的矩形波为移位寄存器电路提供脉冲源。脉冲提供给74LS165和74LS164构成的移位寄存器电路，通过74LS164并行输出接8盏LED彩灯，并在脉冲作用下移位依次点亮每一盏LED彩灯，8盏彩灯循环点亮，呈现流水的效果。

5 结束语

构成数字流水灯的方法很多，本文利用CD4060组成脉冲产生电路。Multisim13可以获得脉冲波形输出，利用虚拟数字示波器可以测得波形图和频率。在移位寄存器的输出端接逻辑分析仪，展现移位寄存器的工作情况。

[1] 王强.基于Multisim 的移位寄存器型彩灯控制电路设计与仿真[J].电子设计工程,2011(22):129-131.

[2] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006: 272-278.

[3] 郭丽颖.基于Multisim的彩灯循环闪烁电路设计与仿真[J].实验室研究与探索,2010(7):187-189.

[4] 吴迪,陈国明.基于CD4060 的电瓶充电全关机电路设计[J].自动化应用,2013(2):42-43.

[5] 李春然,杨雅娟.移位寄存器的Multisim仿真[J].现代电子技术,2010(22):128-132.

[6] 张凌辰.数字电子技术[M].南京:江苏教育出版社,2013: 212-219.

〔责任编辑： 卢 蕊〕

Design and simulation of digital water lights based on Multisim13

FAN Yueyuan1, LIU Huayong2

(School of Aviation Engineering, Jiangsu Aviation Vocational Technical College, Zhenjiang 212134, China;2. Electrical and Mechanical Engineering Department, Zhenjiang Vocational Technical College, Zhenjiang 212016, China)

Water lights control can be achieved by various methods. The thesis introduced control circuit design and manufacture of shift register lights by CD4060，74LS164，74LS165 in the platform of Multisim13 simulation software, gave a brief introduction to the principles of circuit design and composition methods, used virtual instruments and logic analyzer to realize the design and simulation of cell circuit and overall circuit system.

Multisim simulation software; water lights; CD4060; shift register

2016-06-07

范月圆(1981—)，女，江苏镇江人，讲师，硕士，主要从事控制工程及电子技术研究；刘华勇(1982—)，男，江苏兴化人，讲师，硕士，主要从事温控仪表及电子技术研究。

TN410.2

A

1008-8148(2017)01-0057-03