基于Multisim心形流水灯电路的设计与仿真*

田亚男，雷红玮，赵海滨

(1.东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110819；2.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110819)

数字电子技术课程是电类相关专业本科生的必修课，是电子技术方面入门性质的技术基础课，具有很强的实用性和实践性。课程主要内容包括数字逻辑基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、可编程逻辑器件、脉冲波形的产生和整形、数/模转换和模/数转换等。通过数字电子技术课程的教学，使学生获得数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；使学生掌握数字电路的分析和设计方法，培养学生应用所学知识分析和解决实际问题的能力，培养学生的工程观念，为进一步的学术研究和工程应用奠定基础。

时序逻辑电路的设计是数字电子技术课程的重点和难点，同时也是生产实际中广泛使用的实用电路。传统的时序逻辑电路教学内容主要围绕计数器、寄存器、脉冲发生器展开，缺少实用性和趣味性，很难激发学生的学习兴趣。

针对这一问题，文章设计了一个基于Multisim软件的心形流水灯电路，该电路通过移位寄存器74LS194N实现，可通过拨码开关设置多种灯光流水模式。在Multisim软件中对电路进行仿真分析和设计验证，获得了预期实验结果。将该仿真电路应用于数字电子技术课程的教学中可以有效提升课程的实用性和高阶性，极大提升了学生的学习兴趣和学习效果。

1 仿真软件Multisim简介

Multisim软件是一款常用的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计、仿真工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。用户可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子电路教育教学活动。通过Multisim和虚拟仪器技术，电子设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图的捕获与仿真，再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

Multisim软件具备丰富的元器件库，涵盖了电子电路设计中使用的绝大部分电子器件。其仿真功能强大，可实现对模拟、数字、射频电路的多模式仿真。软件还提供了大量测量仪器，能满足一般电子电路的测量和分析需求。

2 心形流水灯电路原理

心形流水灯电路如图1所示。该电路由8个发光二极管(Light Emitting Diode，LED)排列成心形，在时钟信号的触发下，可以按照预先设置的流水模式进行循环移位，因此称为心形流水灯。电路由四个模块构成。模块1为复位电路，模块2为流水模式控制电路，模块3为循环移位电路，模块4为显示电路。其中模块3循环移位电路是该电路的核心部分，由两片移位寄存器74LS194N连接而成。74LS194N的功能如表1所示。当清零信号～CLR有效时，输出信号QDQCQBQA置零。当清零信号～CLR无效时，74LS194N在时钟信号上升沿的触发下，根据控制信号S1S0的值，进行保持、右移、左移、送数操作。当S1S0=00时，(QDQCQBQA)n+1=(QDQCQBQA)n，保持当前状态不变。当S1S0=01时，QDn+1=QCn，QCn+1=QBn，QBn+1=QAn，QAn+1=SR，实现了数据右移。当S1S0=10时，QDn+1=SL，QCn+1=QDn，QBn+1=QCn，QAn+1=QBn，实现了数据左移。当S1S0=11时，(QDQCQBQA)n+1=DCBA，实现了并行送数。

表1 74LS194N的功能表

该电路需要控制8个发光二极管按照预设的流水模式点亮，因此利用两片工作在右移状态的74LS194N芯片，将芯片U1的输出QD接至芯片U2的SR输入端，将芯片U2的输出QD接至芯片U1的SR输入端。根据74LS194N的功能表可知，此时芯片U1输出端上的数据按照从QA移到QB再移到QC最后移到QD的方向进行移位，由于芯片U1的输出QD接至芯片U2的SR输入端，因此芯片U1的QD数据移到芯片U2的QA，再移动到QB、QC、QD。由于芯片U2的输出QD接至芯片U1的SR输入端，因此芯片U2的QD数据再移动芯片U1的QA，从而实现8个信号的循环右移功能。用两片74LS194N的8个输出信号控制8个发光二极管，当74LS194N输出高电平时，发光二极管点亮；当74LS194N输出低电平时，发光二极管熄灭。

74LS194N进行循环右移的原始数据应通过并行数据输入端DCBA置入。模块2流水模式控制电路即用来为74LS194N提供并行数据输入。该模块由8路拨码开关串联8个1kΩ电阻以及电源VCC和地GND共同构成。8路输出信号从拨码开关和电阻之间引出，当开关闭合时，该路输出为0；当开关打开时，该路输出为1。以图1模块2中的拨码开关状态为例，此时为两片74LS194N提供的并行数据为“00010000”。该组数据置入到74LS194的输出端后，芯片U1的QA输出端为高电平，其余输出端为低电平。这组电平能够使模块4显示电路中的心形图案中间上方处的发光二极管点亮，其余发光二极管处于熄灭状态。通过拨码开关控制两片74LS194N数据输入端DCBA的值，从而控制模块4中亮灯的个数和位置，形成不同的流水模式。

图1 心形流水灯电路

当74LS194N工作在右移状态时，芯片的控制信号S1S0等于01。当74LS194N置入数据时，芯片的控制信号S1S0等于11。因此，还需要一个控制端来控制两片74LS194N的S1端。模块1复位电路的功能即为产生S1控制信号。该模块由开关S2并联电容C1，再串联电阻R2、电源VCC和地GND共同构成。输出信号(记做s1)由电容C1和电阻R2之间引出。当开关S2按下时，电容C1放电，模块1的输出s1直接连接到电源VCC上，即输出逻辑1，使两片74LS194N芯片工作在送数状态，将DCBA上的数据送到输出端QDQCQBQA；当开关打开时，电源VCC、电容C1、电阻R2和地GND形成回路，电容C1开始充电，充电时间常数τ=R2*C1=10kΩ*1uF=10ms，工程应用中可近似认为经过3～5τ电容充电过程结束，电容电压达到稳态值VCC。此时电源VCC、电容C1、电阻R2和地GND形成的回路中电流为0，电阻R2上没有压降，因此模块1的输出s1为0V，即输出逻辑0，使74LS194N芯片工作在右移状态。

模块4显示电路由8个绿光发光二极管排列成心形图案而构成。为了增强电路在Multisim软件中的仿真显示效果，用Multisim中提供的探针(Probe)代替发光二极管。心形图案中间上方及相邻的左侧三个发光二极管由芯片U1的QAQBQCQD控制；心形图案中间下方及相邻的右侧三个发光二极管由芯片U2的QAQBQCQD控制。当74LS194N循环右移时，流水灯的控制信号将按照逆时针方向循环移动。在制作实物电路时，仍采用发光二极管，需要注意的是绿光发光二极管的正向导通电压为2.5～2.9V，工作电流一般在5～30mA，因此使用时应串联限流电阻。

3 实验结果分析

在Multisim软件中完成电路的连接，首先调节拨码开关，使一个开关打开，其余开关闭合，将流水灯设置成一灯流水模式。然后开始Multisim仿真，将复位开关S2按下一段时间后弹开，用示波器观测复位电路的输出S1的波形，如图2所示。当开关S2按下后，复位电路的输出信号S1立即变为高电平5V；当一段时间后开关S2弹开，可以看到S1信号大约经过30ms变为低电平0V。该仿真结果与理论计算结果一致。

图2 复位电路的输出波形

复位开关S2弹开后，74LS194N开始进入右移状态，观察模块4显示电路，可以看到一个亮灯按照心形路径 循环流动。用Multisim提供的逻辑分析仪获取74LS194N的输出波形，如图3所示。这种按顺序依次输出的高电平使流水灯依次点亮。通过调节拨码开关，还可以将流水灯设置为二灯流水、三灯流水、四灯流水、间隔流水等模式。二灯流水模式的输出波形如图4所示。这种波形使相邻的两个流水灯同时点亮，并循环流动。

图3 一灯流水模式的输出波形

图4 二灯流水模式的输出波形

4 结论

文章设计了一个心形流水灯电路，采用两片移位寄存器74LS194N芯片实现，在Multisim软件中进行了仿真与验证。与其他常见的流水灯电路设计方案相比，本设计可以预设多种灯光流水模式，增强了电路的实用性和趣味性。经过简单地修改，即可将该电路应用到其他生产生活场景中，例如电子摇奖器电路、节日彩灯电路等。

采用Multisim软件进行设计和仿真，便于学生进行设计的改进与扩展，使电路的设计不受时间、空间、器件等客观因素的限制，为教学实践活动提供了有力保障。文章设计的心形流水灯电路多次应用于数字电子技术课程的教学中，受到了学生的好评，有效提升了课程的实用性和高阶性，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。