Multisim仿真說明書正文

1引言12Multisim的簡介與注意事項13設計過程13.1總體設計要求與內容23.2控制電路的特點24單元模塊34.1電源模塊34.2秒脈沖發(fā)生模塊44.3計數模塊64.4分頻模塊74.5控制電路模塊85交通信號燈的仿真與調試95.1電路的仿真95.2交通燈完整功能的實現125.3調試方法145.4調試中出現的問題、原因分析及解決方法146總結16參考文獻17附錄I器件明細表18附錄II仿真原理圖191引言隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，各種公交、運輸汽車和汽車進入家庭的步伐加快使得城市的汽車數量逐年增加，城市道路交通堵塞、擁擠問題顯得越來越突出，交通在許多城市已經成為“瓶頸”問題。以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統的電路原理、設計計算和實驗調試等問題來進行具體分析討論。本系統由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統中定時器和控制器的標準時鐘信號源，555定時器輸出脈沖信號，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，控制電路控制定時器和譯碼器的工作，驅動電路驅動六只三色LED工作。最后用電路仿真軟件繪制出紅綠燈的完整電路圖。對電子技術的學習起到了良好的輔助作用。2Multisim的簡介與注意事項MultisimlO是美國NI公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬、數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。有了Multisim軟件，就相當于擁有了一個設備齊全的實驗室，可以非常方便的從事電路設計、仿真、分析工作。注意事項A不要長時間使軟件處于仿真狀態(tài)，以免死機A刪除元件、儀器、連線等，一定要在斷開仿真開關的情況下進行A注意數字地與模擬地的差別，使用標準符號>LED數碼管的極性A分模塊調試，最后綜合調試3設計過程交通信號燈是交通信號中的重要組成部分，是道路交通的基本語言。為了加強道路交通安全，減少事故的發(fā)生，提高道路的使用效率，交通信號燈的設計尤為必要，同時，設計交通信號燈所應用的知識涉及范圍廣，通過設計可以牢固掌握所學理論知識，有利于電子技術的學習，將理論與實際有機聯系起來，有利于對電子器件的功能和作用有更深入，更形象的理解。交通信號燈控制系統是典型的數字電路控制系統，通過該系統的設計和仿真，我們可以得到數字及系統的綜合訓練。3.1總體設計要求與內容1總體設計要求要求根據設計要求實現交通燈的現實功能；用Multisim進行仿真設計說明書；2設計內容2.1信號燈白天工作要求某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。如果以4秒T=(R+2R)xCln2=0.7(R+2R)作為時間計量單位，則某一方向1 2 1 2綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5:1:6。從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮;南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬(白天點亮時的工作換燈流程圖如圖3-1所示)。2.2夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮。要求設置一個手動開關，用它控制白天和夜間工作方式。圖3-1交通燈工作換燈流程南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮5t南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮1t南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮5t南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮1t3.2控制電路的特點從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮;南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設計。組合邏輯電路：將十二進制計數器作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅動東西和南北兩個方向的信號燈的點亮。其整體電路框圖如3-2圖所示：圖3-2整體電路框圖4單元模塊根據交通信號燈的工作方式，設計電路分為電源模塊、秒脈沖發(fā)生模塊、計數模塊、分頻模塊和控制電路模塊五部分，這五個模塊的詳細設計如下。4.1電源模塊信號燈采用三極管2N2219驅動，其額定電流與額定電壓應滿足三級管的驅動能力，電源電壓采用直流5V,通過變壓器將市電降壓到交流9V,在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5V電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應滿足整體電路的需要作為一個實際的應用系統直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設設計的交通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅動各芯片使電路其正常工作。因此需要設計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖4-1所示圖4-1直流穩(wěn)壓電源原理圖4.2秒脈沖發(fā)生模塊由于黃燈點亮時按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設計秒脈沖產生電路。秒脈沖產生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時器555（圖4-2是555定時器的原理圖，圖4-3是555定時器的引腳圖）和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡單和調節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時器組成多諧振蕩器（如圖4-4所示）：圖4-2555定時器的原理圖

圖4-3555定時器的引腳圖圖4-4用555定時器組成多諧振蕩器根據周期與頻率的計算公式：T,(R+2xR)xCxln2,(R+2xR)xCx0.7

1 2 1 2電源電壓q,其中電路圖中c3的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01uf的瓷片電容。再次課程設計中要求輸出T=1S,選取電容C2=1uf,R2=560k歐姆，根據震蕩周期計算，選擇電阻R1=430K歐姆。當元件選取完成后，根據電路原理圖連接電路即可。4.3計數模塊由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為十二進制（綠、黃、紅的時間比例為5：1：6），因此需要設計十二進制計數器，循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數器，擬選用8位串入并出移位寄存器74LS164（其引腳圖如圖4-5所示）：圖4-574LS164引腳圖應用電路：用74LS164組成的12進制扭環(huán)型計數器電路，其電路圖如下圖4-6所示：圖4-612進制扭環(huán)型計數器

4.4分頻模塊十二進制計數器的時間單位為4秒，即它的CP脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調一致，4秒脈沖應該利用秒脈沖經分頻獲得，這就需要設計一個4分頻器電路。秒脈沖經4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數器的CP脈沖。本次課程設計使用兩個D觸發(fā)器組成4分頻器電路，如圖4-7所示：圖4-7四分頻的電路原理圖3學皐or23學皐or23學皐or23學皐or274LS74是一個邊沿觸發(fā)器數字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路模塊。圖4-8為其引腳排列和邏輯符號：圖4-874LS74的引腳圖~1PR_3->1CLK1Q51D-~1Q1卜?1CLR功能說明：74LS74內含兩個獨立的上升沿雙D觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數據輸入（D）、置位輸入訂復位輸入商、時鐘輸入（CP）和數據輸出。F、R的低電平使輸出預D D DD置或清除，而與其它輸入端的電平無關。當F、R均無效（高電平式）時，符合DD建立時間要求的D數據在CP上升沿作用下傳送到輸出端。4.5控制電路模塊邏輯控制電路是本設計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮（一般經驅動電路去控制信號燈）。根據白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現。組合邏輯電路的真值表如表4-3所示，邏輯控制原理圖如圖4-9所示：表4-3組合邏輯電路的真值表計數器輸出南北信號東西信號QaQbQcQdQeQfNSGNSYNSREWGEWYEWR000000100001100000100001110000100001111000100001111100100001111110100001111111010100011111001100001111001100000111001100000011001100000001001010000000100001根據表4-4寫出組合邏輯電路輸出與輸入的表達式，經化簡得：NSG=QQEWG=QQEF EFNSY€QQEWY€QQEF EFNSR€QEWR€QF F由上述表達式可以看出，組合邏輯電路用到兩個非門，四個兩輸入與門。本次課設非門選用TTL集成門74LS04，與門選用TTL集成門74LS08。在此基礎上，表達式需要修改，以實現課設要求。白天和夜間綜合考慮組合邏輯電路表達式和門電路的修改按設計要求，夜間僅有南北和東西方向的黃燈點亮，而其它燈熄滅。為此，在夜間應使74LS164停止循環(huán)工作，可通過開關將74LS164的R接地，使 D74LS164的所有Q端全部清零。白天R為高電平，74LS164循環(huán)工作。D由74LS164組成的12進制扭環(huán)形計數器電路中的開關就是白天、夜間控制開關。在夜間由于R=0使所有的74LS164的Q端清零，需修改表達式：D組合邏輯電路輸出與輸入的表達式為：ESG=2~Q~R~E_F_DNSY=QQ+REFDNSR=QRFD

EWG=QQREFDEWY=QQ+REFDEWR=EWR=由邏輯真值表以及上述分析可得，邏輯控制原理圖如圖3-7所示:3-7邏輯控制原理圖5交通信號燈的仿真與調試5.1電路的仿真1直流電源電壓仿真在Multisim中進行仿真測電壓數值如圖5-1所示:圖圖5-1電源仿真圖2對555定時器進行仿真圖5-2555定時器仿真圖3秒脈沖波形仿真用示波器觀察555定時器產生1s脈沖的波形如圖5-3上半部分的波形，經四分頻器后的脈沖波形如圖5-3下半部分的波形。圖5-3IS脈沖波形與經四分頻器后的脈沖波形圖TimeChannel^AChannel^B11*+■18.ULI0￡LI.LILIOV5.ULILIV724-*18.UULIsLi.LiLiDV5.ULiLiVT2-T1D.DDDsD.DDDV0.ODDVReverseSaveTimebase脂』&3s/DiwChannd諸加何燦iuChann@日Tngger現庁呉J巨g[&t|Xposition也￥positionp—Yposition11.4—Level|o |V[onAid|b/a|a/b|AC|口|DCat|口]□匚-|rTypeSin-jJ .知to.Nmw5.2交通燈完整功能的實現1白天工作方式交通燈從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。

圖5-4東西方向紅燈亮南北方向綠燈亮LED4LED6LED4LED6圖圖5-5東西方向紅燈亮南北方向黃燈亮LED6LED6圖圖5-6東西方向綠燈亮南北方向紅燈亮-L.R5R4R3R2.220LL[1220L甲220LL[1220LU220I,6LED1、頌-L.R5R4R3R2.220LL[1220L甲220LL[1220LU220I,6LED1、頌LED3'密LED5宜祝LED2'嶺LED4R1220|,^-'<LED6圖圖5-7東西方向黃燈亮南北方向紅燈亮LED6LED622夜間工作方式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮，如圖5-8所示:圖5-8交通燈夜晚工作圖-L.R5R4R3R2甲220L#2201甲220LL[1220L甲-L.R5R4R3R2甲220L#2201甲220LL[1220L甲220L6立気ED1'頊二LED35密LED5、伝LED210MLED4R1」220|,乂瑚LED6125.3調試方法1首先調試555定時器。用示波器觀察555定時器輸出波形，確定555定時器是否正常工作，振蕩頻率是否是2Hz。調節(jié)電位器R1,使555定時器產生頻率為1Hz的方波信號。2調試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是0.25Hzo3調試十二進制計數示電路，將秒信號輸送各計數器觀察是否工作正常。4整體調試。各部分電路連接起來，觀察交通燈是否正常工作。5.4調試中出現的問題、原因分析及解決方法1燈不正常發(fā)光原因有可能是線路接觸不良造成的，有些線沒有連接起來。2軟件運行時，Tran的時間運行時過慢，按毫秒計時，因此等待時間會很長。原因應該是軟件的設置問題，可通過Simulate下拉菜單中的Interactivesimulationsetting進行調節(jié)，將maximumtimestep的時間改為0.01s即可加快運行速度。主要設置步驟如圖5-9、5-10所示：5-12步驟1ViewPlaceMCUSimulateTransferToolsReportsOptionsWindowHelp|>Run■IPau^eF5F&■StopInstrumentsInteradziveSimulatio-nSettings...廖屬口"■DigitalSimulationSettings...tlcuitlAnalysee.45TLjni：=LTL國P&stprocessor...SimulationErrorLog/AuditTrailXSpiceCoiTimandLineInterface國Nuhzimeter?FunctionGenerator賈Wattmeter倒QfcilIoscopeFourChannelDscillo!屬BodePlotter理FrequencyCounterLo：MSimulationSettinas...3WordGenerator題LogicAnalyzer5-13步驟26總結通過這一周的《電子技術》課程設計（交通信號燈控制電路的設計和仿真），讓自己把快要忘記的知識又溫習了一遍，認識到數字電路的設計需要扎實的知識功底，還有認真仔細的態(tài)度。在課程設計過程中，遇到了很多問題，包括開始軟件的正確安裝，各種元件的查找以及電路的連接，在課程設計過程中認識到很多的不足，面對這些要虛心的向同學和老師請教，在這個過程中也有很多的錯誤，比如電路連接中元件之間的連接方式，錯誤時會使數據顯示不正常，以至于最終的交通