印健健

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇南通，226007）

0 引言

本文介紹的用邏輯轉(zhuǎn)換儀設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈電路全部在仿真軟件上完成，設(shè)計(jì)思路都是針對(duì)初學(xué)者學(xué)習(xí)數(shù)字電路設(shè)計(jì)原理的角度出發(fā)，時(shí)鐘信號(hào)源用仿真軟件中現(xiàn)成的時(shí)鐘脈沖信號(hào)源，這個(gè)時(shí)鐘脈沖究竟設(shè)計(jì)成什么電路來(lái)替代，讀者可查閱資料充分發(fā)揮想象，邏輯控制電路的設(shè)計(jì)全部采用分列式的邏輯門(mén)組合而成，至于用什么合適的集成電路來(lái)替代這些分列式的邏輯門(mén)，讀者也可盡情發(fā)揮一試，為了讓初學(xué)者易學(xué)易懂，將A、B二條十字路口綠、黃、紅信號(hào)燈通行的時(shí)間設(shè)計(jì)得較短，且控制方式也相同，當(dāng)A路依次出現(xiàn)綠燈亮（3秒）→黃燈亮（1秒）時(shí)，B路為紅燈亮（4秒）；而當(dāng)B路依次出現(xiàn)綠燈亮（3秒）→黃燈亮（1秒）時(shí)，A路為紅燈亮（4秒），如此周而復(fù)始，交通信號(hào)燈控制的一個(gè)循環(huán)時(shí)間為8秒，整個(gè)控制過(guò)程可由一片同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160D設(shè)計(jì)成模8計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 模8計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

74LS160芯片是一個(gè)同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，芯片管腳排列見(jiàn)圖1，各引腳名稱及功能詳見(jiàn)表1，如果在Multisim 10原理圖區(qū)中選中74LS160D芯片，再按F鍵，會(huì)出現(xiàn)74LS160D的功能表幫助信息，見(jiàn)圖2，當(dāng)ENP（CEP）、ENT（CET）和～LOAD（）端都為高電平時(shí)，74LS160D工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)（count）。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的綠、黃、紅燈亮滅的時(shí)間順序，得出交通燈控制電路的真值表如表2所示。

表1 74LS160D各引腳名稱及功能

圖1 74LS160D管腳排列及功能

圖2 74LS160D功能表幫助信息

秒脈沖時(shí)鐘信號(hào)由CLK端輸入1Hz的脈沖信號(hào)獲得，信號(hào)燈8秒一循環(huán)就等于模8計(jì)數(shù)，即QD、QC、QB、QA依次從0000～0111（0～7）不斷循環(huán)，要實(shí)現(xiàn)這一循環(huán)，只要將1000（8）信號(hào)作為清零信號(hào)，只要將QD輸出端用一個(gè)非門(mén)連接到74LS160的清零端CLR即可，因?yàn)楫?dāng)QD、QC、QB、QA輸出1000（8）時(shí)正好清零，如果QD、QC、QB、QA外接一數(shù)碼管，數(shù)碼管應(yīng)依次循環(huán)顯示0～7。根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)后的模8計(jì)數(shù)器如圖3所示。

圖3 模8計(jì)數(shù)器

1.2 用邏輯轉(zhuǎn)換儀生成交通燈的邏輯表達(dá)式和邏輯門(mén)電路

以GA為例，首先選中邏輯轉(zhuǎn)換儀中ABCD四個(gè)輸入端，然后輸入GA的真值表，再單擊，便可自動(dòng)生成GA的邏輯表達(dá)式，見(jiàn)圖4。

圖4 GA的真值表和邏輯表達(dá)式

圖5 全自動(dòng)生成的GA邏輯門(mén)電路

圖6 將 人工輸入邏輯表達(dá)式區(qū)

圖7 人工輸入自動(dòng)生成簡(jiǎn)化的GA邏輯門(mén)電路

除了邏輯表達(dá)式RA=B，不需要設(shè)計(jì)生成邏輯門(mén)電路外，同理用同樣的方法可以獲得其它燈的邏輯表達(dá)式和邏輯門(mén)電路，如圖8～14所示。

圖8 全自動(dòng)生成的YA邏輯門(mén)電路

圖9 人工合并簡(jiǎn)化的YA邏輯門(mén)電路

圖10 全自動(dòng)生成的GB邏輯門(mén)電路

圖11 人工輸入自動(dòng)生成簡(jiǎn)化的GB邏輯門(mén)電路

圖12 全自動(dòng)生成的YB邏輯門(mén)電路

圖13 人工合并簡(jiǎn)化的YB邏輯門(mén)電路

圖14 全自動(dòng)生成已最簡(jiǎn)化的RB邏輯門(mén)電路

1.3 交通燈控制電路的設(shè)計(jì)

遵循最簡(jiǎn)的電路設(shè)計(jì)原則，選擇各信號(hào)燈最簡(jiǎn)的邏輯門(mén)電路，將它們組合在一起，實(shí)現(xiàn)交通燈控制的功能，如圖15所示。

2 交通燈控制電路仿真分析

交通燈控制電路的控制規(guī)律可以通過(guò)圖15電路中的指示燈獲得，為了更直觀地觀察各燈之間的時(shí)間關(guān)系，可以將該電路的指示輸出接到邏輯分析儀中，即將GA、YA、RA、GB、YB、RB六個(gè)端口依次接入邏輯分析儀進(jìn)行仿真（見(jiàn)圖15），仿真結(jié)果如圖16所示。從輸出的波形中可以看出與真值表描述的關(guān)系相同，說(shuō)明電路設(shè)計(jì)正確。

圖15 交通燈控制電路

圖16 交通燈仿真波形

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述交通燈電路設(shè)計(jì)過(guò)程可知，邏輯轉(zhuǎn)換儀全自動(dòng)生成的邏輯表達(dá)式和邏輯門(mén)電路常會(huì)出現(xiàn)不是最簡(jiǎn)的形式，如果不進(jìn)行簡(jiǎn)化，那么設(shè)計(jì)出的交通燈電路盡管也能實(shí)現(xiàn)控制功能，但電路過(guò)于復(fù)雜，如果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，生產(chǎn)成本和制作難度肯定會(huì)增加，所以用邏輯轉(zhuǎn)換儀設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)靈活掌握，如果邏輯轉(zhuǎn)換儀自動(dòng)生成的邏輯表達(dá)式不是最簡(jiǎn)的形式，應(yīng)先人工將其化成最簡(jiǎn)的形式，再人工將其輸入到邏輯表達(dá)式區(qū)內(nèi)自動(dòng)生成最簡(jiǎn)的邏輯電路（見(jiàn)圖6、圖7、圖11）。有時(shí)邏輯轉(zhuǎn)換儀即使生成的已是最簡(jiǎn)的邏輯表達(dá)式，但如果人工還能簡(jiǎn)化的也要進(jìn)一步作合并簡(jiǎn)化處理（見(jiàn)圖9、圖13）。