电子技术应用实验仿真

实验题目___ ___

姓名____ ______

学号___

指导老师_____ _______一、实验项目名称

___交通控制灯___

二、实验内容

设计并实现一个十字路口的交通控制灯。

具体要求为：以4个红色指示灯、4个绿色指示灯和4个黄色指示灯模拟路口的东、西、南、北4个方向的红、绿、黄交通灯。控制这些指示灯，使它们按下列规律亮和灭：

1.东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮。东、西方向通车，时间30秒；

2.东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，时间2秒；

3.东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，南、北方向通车，时间30秒；

4.东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁，时间2秒；

5.返回1，继续运行。

设计提示：

(1）黄灯闪烁可通过连续亮0.5秒，灭0.5秒实现；

(2）设计中的时钟信号可由555多谐振荡器及分频电路产生。

实验内容及要求：设计满足要求的电路，并在Multisim中进行电路连接、仿真和调试。在试验报告中简要地说明实验原理，画出实验电路图，在实验报告相应位置附上实验中的仿真结果和波形。

三、方案论证

为满足黄灯闪烁，即连续亮0.5秒，灭0.5秒的目的，设计中的时钟信号由555产生周期为0.5秒，即频率为2Hz的基信号，以不单设分频电路，而是将模为的计数器转化为模128的计数器，达到简化实验步骤的目的。

控制模块是整个仿真的核心，总体分为4个步骤实现，即前60个计数为东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮状态，后4个计数为东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，后60个计数为东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，最后4个计数为东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁。以此列出状态表，得到表达式，实现对东西南北四个方向交通灯的控制。

具体实验过程如下

频率为2Hz的信号源

模128的计数器

控制电路

东西、南北方向的红黄绿灯

图 1 实验流程图

四、 电路器件原理简介

本实验所用到的器件有555多谐振荡器，74LS163D 计数器，门器件和数字探针。其中，555多谐振荡器用来构成频率为2Hz 的信号源，2片74LS163D 构成模128的计数器，用门器件构成组合逻辑电路控制交通灯的亮灭，红黄绿的数字探针代表东西和南北方向的交通灯。具体介绍如下：

4.1 555多谐振荡器

多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

4.1.1 电路组成

图 2 电路组成图

用555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示：图中电容C 、电阻1R 和2R 作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接1R 、2R 相连处，用以控制电容C 的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF 电容接地。

4.1.1 工作原理

图 3 工作原理图

多谐振荡器的工作波形如图3所示：

电路接通电源的瞬间，由于电容C 来不及充电，0c V V ，所以555定时器状态为1，输出o V 为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc 对电容C 充电，电路进入暂稳态I ，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC 充、放电回路的参数。

暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出o V 的正向脉冲宽度1w t

1120.7w t R C R （1）

暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo 的负向脉冲宽度2w t

220.7w C t R （2）

振荡周期T

12120.72w w T

t t R C R （3） 输出信号的占空比d 11121212

2w w w w t t R R d T t t R R （4）

为此为了实现理想的信号源，利用上式便可得出。

4.2 74LS163D 计数器

计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图如图4所示。图中，CR 是低电平有效的同步清零输入端，LR 是低电平有效才同步并行置

数控制端，CTp 、CTt 使能端，CO 是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，D0～D3是数据输出端。

图 4 引脚图

其功能表如表1所示

表 1 功能表

由两片74LS163级联便可实现模128的计数器。

五、 单元电路设计

5.1信号源设计

1212111212120.722w w w w w w T

t t R R t t R R d T t t R C

R (5)

为此为了实现频率为2Hz ，即周期为0.5s ，占空比为60%的555多谐振荡器，先确定C 为10uF ，由上式联立求解得到1R 、2R 分别为14.43K 、28.86K 。电路图如下所示：

图5由555构成的多谐振动器信号源

5.2模128计数器设计

单独一个74LS163只可实现模32的计数器，所以需要2片74LS163级联实现模128的计数器，电路图如下所示：

图6模128计数器

5.3控制电路设计

由状态增值表表示各计数状态下，交通灯的熄灭情况,共分为四个部分，其中

WE-R 、WE-Y 、WE-G 分别表示东西方向的红灯、黄灯、绿灯，而SN-R 、SN-Y 、SN-G 分别表示南北方向的红灯、黄灯和绿灯。

表 2 交通灯增值表

计数状态（Q6-Q0）

WE-R WE-Y WE-G SN-R SN-Y SN-G 0000000 0 0 1 1 0 0 0000001 0 0 1 1 0 0 … 0 0 1 1 0 0 0111011 0 0 1 1 0 0 0111100 0 1 0 1 0 0 0111101 0 0 0 1 0 0 0111110 0 1 0 1 0 0 0111111 0 0 0 1 0 0 1000000 1 0 0 0 0 1 1000001 1 0 0 0 0 1 … 1 0 0 0 0 1 1111011 1 0 0 0 0 1 1111100 1 0 0 0 1 0 1111101 1 0 0 0 0 0 1111110 1 0 0 0 1 0 1111111 1 0 0 0 0 0

由表可得各交通灯的表达式

6''654320''

65432'

6

'654320'

65432()()WE R Q WE Y Q Q Q Q Q Q WE F Q Q Q Q Q SN R Q SN Y Q Q Q Q Q Q SN F

Q Q Q Q

Q (6)

由此得到组合逻辑控制电路如下：

图 7 控制电路

图8总电路图

七、实验数据整理及结果分析

7.1时钟信号仿真

图9

测量得到其周期T=495.726ms，与实验要求相差甚小，符合题目7.2时钟与东西方向红灯仿真

图10

测量得到东西方向红灯波形周期为：T=.106s 7.3时钟与东西方向黄灯仿真

图11 测量得到东西方向黄灯波形周期为：T=.156s7.4时钟与东西方向绿灯仿真

图12测量得到东西方向绿灯波形周期为：T=.346s

7.5时钟与南北方向红灯仿真

图13测量得到南北方向红灯波形周期为：T=.269s7.6时钟与南北方向黄灯仿真

图14 测量得到南北方向黄灯波形周期为：T=.332s 7.7时钟与南北方向绿灯仿真

图15 测量得到南北方向绿灯波形周期为：T=.250s最终可实现：

1.东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮。东、西方向通车，时间30秒；

2.东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，时间2秒；

3.东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，南、北方向通车，时间30秒；

4.东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁，时间2秒；

八、实验中遇到的问题及解决方法

在组合逻辑电路中，将各交通灯用关于Q6-Q0的控制量表达式容易出错，可选择画卡诺图来解决。

九、实验结论

Mulitisim编程易于理论设计及设计电路的修改，对进一步了解数字电路有很大的帮助，并且本次实验让我初步接触了小型数字电路系统的设计。可使用一个555构成的多谐振荡器和2片LS163D构成模128的计数器，以及一些组合逻辑电路和数字探针实现了一个交通灯控制电路。