李海燕 任文平 李鹏 李威威 池宗琳

云南大学信息学院，云南 昆明 650091

1. 概述

NI Multisim 软件是目前主流的电路虚拟仿真工具，该软件为电路仿真提供了丰富的元器件库、直观的图形界面和完备的分析方法。本文以彩灯控制电路为例，在Multisim 11.0环境下对其时钟信号产生电路、顺序脉冲产生电路、彩灯驱动电路、直流电源和加/减计数控制电路几个功能模块进行仿真分析，最终实现彩灯控制电路的模拟仿真，旨在演示Multisim在模拟电路仿真方面的应用，为以后研究其他模型提供系统的研究方案。

2.彩灯控制系统功能

在电路中，彩灯一般是指发光二极管、白炽灯或不同色彩的灯泡，其控制方法有很多种，如单片机控制，这种控制方法编程简单，控制的图案花样多，外接电路简单。除了单片机控制之外，还可以利用数字电路来控制，其电路结构也比较简单，制作和调试容易，成本低。

本文使用数字电路对彩灯进行控制。彩灯控制电路包括时钟产生电路、顺序脉冲产生电路、彩灯驱动电路及直流电源等组成部分。其中，顺序脉冲产生电路是彩灯控制电路的关键部分，因为彩灯的变化完全是由该电路输出的控制信号决定。改变时序控制信号，即脉冲的产生顺序或周期，就可以控制各个彩灯的点亮时间和顺序。彩灯控制电路的电路图如图1所示。

3. 彩灯控制电路功能模块仿真

3.1 时钟发生电路

时钟信号由555定时器组成的自激多谐振荡器产生，如图2所示。在自激多谐振荡电路中，电位器R1用于调节振荡频率，以便改变彩灯流动点亮的速度。利用示波器测试该电路的输出波形，如图3所示。

3.2.顺序脉冲产生电路

图1 彩灯控制电路

图2 555构成的自激多谐振荡器

顺序脉冲产生电路一般由计数器和译码器构成，其功能是在时钟信号的作用下，输出在时间上有先后顺序的脉冲。其中，计数器应具有加法计数和减法计数的功能，以便改变彩灯依次点亮的方向。此处选用CD4510为十进制加/减计数器，可以输出4位BCD码，并且驱动负载的能力强，能输出较大的驱动电流。图1中C3、R3组成微分电路，接在计数器的清零端，启动电路时，使清零端瞬间得到一个高电平，从而使计数器清零。译码器采用CD4028,它是4线-10线译码器，正好与计数器CD4510配合，计数器产生的4位BCD码输入到CD4028的输入端时，其10个输出端的对应端变成高电平。

3.3.彩灯驱动电路

彩灯控制电路中有6路彩灯，按孔雀开屏的形状进行排列，彩灯的数量逐渐增多。为了能使彩灯正常发光，电路应该提供足够大的驱动电流，采用单管放大器就可满足这一要求。将顺序脉冲产生电路的输出信号接到晶体管的基极上，将二极管的集电极接到发光二极管上，这样集电极能获得较大的驱动电流，从而驱动二极管正常发光。如果彩灯数量更多时，需用使用复合管才能驱动所有彩灯的工作。

3.4.直流电源

直流电源在本电路中有两路输出，一路输出到桥式整流电容滤波电路，该输出电压为7V，为晶体管的集电极电源，也是发光二极管的电源；另一路经稳压电路，获得5V的电压，作为本控制电路中的数字电路部分的电源，如时钟电路、计数器和译码器的电源。

3.5.加/减计数控制电路

由于要求彩灯点亮顺序具有双向流动的效果，所以计数器应交替进行加法和减法计数，这就需要计数器的计数方式控制端U/D能得到交替的高低电平控制信号，才能达到实验要求。加/减计数控制电路利用三极管反相器和D触发器来进行设计，控制计数器的计数方式，使计数器反复进行加法—减法—加法—减法—…计数的交替，从而控制彩灯灯光的双向流动效果。

将时钟产生电路、顺序脉冲产生电路、彩灯驱动电路及直流电源等功能模块连接后，可得到图1所示完整的彩灯控制电路。

图3 自激多谐振荡器输出波形

4. 结语

彩灯控制电路相对比较复杂，由多个单元电路组成，综合性很强。应用Multisim仿真软件可以方便地设计各个功能电路模块，快速准确地对彩灯控制电路性能进行仿真分析，避免了仪器仪表误差或电路接触不好导致的影响，可以不受元器件种类、数量限制，提高了电子电路的设计效率。对于复杂的综合性电路，本科生无需编程或复杂的数学推导而直接看到仿真结果，在此基础上进一步展开深入的分析设计和改进，这不仅可以激发电子类及计算机类学生的自主学习兴趣，还对提高本科生的理论与实践结合能力具有积极的指导和促进作用。

[1]National Instruments Electronic Workbench Group. Professional Edition Release Notes NI Circuit Design Suit (Version 11.0). 2010.

[2]吴大正，王松林，王玉华. 电路基础[M]. 2版. 西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[3]康华光，陈大钦. 电子技术基础（模拟部分）[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，1999.

[4]杨颂华，冯毛官，孙万蓉，胡立山. 数字电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.