用Multisim仿真彩灯控制系统

　　0 引言

　　在设计控制系统电路时，用Multisim仿真软件对控制系统电路进行设计、仿真、分析，可使工作大大降低成本、节省时间、提高设计质量。本文将以Multisim为工作平台，以四路彩灯为实例，介绍控制系统的设计与仿真的过程。

　　1 系统的设计

　　电路仿真软件Multisim10.1 增加的功能有：自动化API 接口、虚拟NI ELVIS II、NI ELVIS 仪器、增强Multisim 中的NI、LabVIEW仪器、增加部分元器件数据库、扩展Spice 建模能力等。Multisim10.1 提供了一个非常大的元器件数据库，其中包括来自制造商美国AD 和德州仪器公司的大约300 多个新元器件，这些元件包括运算放大器、比较器、模拟开关和电压参考组件；并提供原理图输入接口、全部的数模Spice 仿真功能、VHDL、Verilog 设计接口与仿真功能、FPGA、CPLD综合、RF 设计能力和后处理功能、梯形图仿真。该软件提供了23 种以上虚拟仪器，可以直接通过虚拟仪器观察电路的运行状态。软件还提供500 多个更新的组件以及的通用电力仿真部件，这些部件包括Buck、Boost、Buck- Boost、PWM控制器。单片机仿真方面，Multisim 10.1 内含8051/8052metaLink汇编和C51 精简版编译器。无需像Proteus 那样捆绑Keil C 软件，目标程序直接就可在Multisim 10.1 内生成。

　　利用Multisim设计一个四路彩灯控制器。它要求系统启动后自动从初始状态按规定程序完成3个节拍的循环演示。节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮，灯亮时间1s，共用4s；第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭。共需4s；第三节拍：四路彩灯同时亮0．5s后，同时变暗，进行4次，也需4s。

　　根据系统要求，设计系统硬件框图如图l所示。

　　其中信号发生器采用秒脉冲发生器。用以提供频率为1Hz的时钟信号；四进制分频器将1Hz的时钟信号四分频，产生0．25Hz(即4S)的时钟信号；三进制节拍控制器产生3个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能。可由双向移位寄存器 74LS194完成；灯光电路完成系统循环演示，这里采用LED模拟。

　　1．1 信号发生器

　　信号发生器是由555接成多谐振荡器产生1Hz的脉冲信号。为了简化电路设计，选用1Hz的脉冲信号源代替信号发生器。

　　1．2 四进制分频器

　　分频器可由各种类型的四进制计数器构成。在此，采用74LS74N中的D触发器，连接成图2所示的四进制异步减法计数器。

　　图3为四进制异步减法计数器的波形。

　　1．3 三进制节拍控制器

　　此系统有3个不同的工作节拍，是由状态(Q1、Q0)的三种编码(10、01、11)表示的。选用74LS74N中的D触发器和74LS00D中的与非门构成图4所示的三进制计数器。

　　1．4 节拍程序控制器

　　双相移位寄存器是74LSl94，是产生移动灯光信号的器件。图5是74LS194的逻辑图和功能表。该寄存器由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。具有并行寄存、左移寄存、右移寄存和保持四种工作模式。*****为清零端，低电平有效；CLK为上升沿触发，SL、SR分别为左移和右移串行输入端；SO、S1为两个控制输入端，它们的状态组合可以完成保持、右移、左移、并行输入四种控制功能。当S1=0，S0=0时电路保持原来的状态：当S1=0，SO=1时，数据从右移输入端SR送入寄存器；当s1=1，S0=0时，数据从左移输入端SL送入寄存器；当S1=1，S0=1 时，数据从DCBA并行输入端预置数。

　　本设计利用74LS194寄存器来控制灯进行四个节拍的循环工作：

　　·QD、QC、QB、QA依次为1，相应灯依次点亮；

　　·QD、QC、QB、QA依次为0，相应灯依次熄灭；

　　·QD、QC、QB、QA同时为1，四灯同时点亮；

　　·QD、QC、QB、QA同时为O，四灯同时熄灭。

　　为了完成节拍程序执行器任务，必须使S1、SO、CLK的时序与输入信号时序相配合。

　　2 系统仿真

　　创建仿真原理图如图6所示。

　　2．1 仿真调试

　　Multisim仿真软件对电路的调试非常方便，可以随时更改元件、修改参数、测量数据、观察波形。本系统调试时不能正常工作，经示波器观察后发现，信号有毛刺，加电阻和电容后系统正常工作；CLK经反相器反相后加载，可起到延时作用；节拍程序执行器用于完成每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能，QD、QC、QB、QA直接推动X1、X2、X3、X4完成系统循环演示。

　　3 结束语

　　借助Multisim仿真软件展开设计，既可以验证理论计算的正确性，减少电路器件参数拼凑的麻烦，也简化了反复实验的过程；还可以降低实验成本，大大缩短研制周期。实践证明，本设计达到了四路彩灯控制的目的。