第17章 數字電路部分課外練習題——集成運算放大器篇答案

1、電子技術課程設計交通燈控制電路 學院： 專業(yè)，班級： 姓名： 學號： 指導教師 交通燈控制電路設計一設計任務和要求為了確保十字路口的車輛順利暢通地行駛，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈（r）亮，表示該條道路禁止通行；黃燈（y）亮表示停車；綠燈（g）亮表示允許通行。設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：1.設南北方向的紅、黃、綠燈分別為nsr，nsy，nsg；東西方向的紅、黃綠燈分別為ewr，ewy，ewg。2.滿足兩個方向的工作時序：東西方向紅燈亮的時間應等于南北方向黃、綠燈亮的時間之和；南北方向紅燈亮的時間應等于東西方向黃、綠燈亮的時間之和。一個周期為60秒，其中，

2、綠燈亮25秒，黃燈亮5秒，紅燈亮30秒。其中nsg（ewr）nsr（ewg），黃燈用于閃爍提示綠燈變?yōu)榧t燈。交通燈順序工作流程圖如圖1所示：南北亮紅燈30秒后亮綠燈25秒東西亮綠燈25秒東西黃燈閃爍5下南北亮綠燈25秒后，南北黃燈閃爍5下東西亮紅燈30秒南北亮綠燈25秒 圖13.十字路口要有數字顯示裝置，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體要求為：當某方向綠燈亮時，置計數器為某一數值，然后以每秒減1的計數方式工作，直至減到數為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結束，進入另一個方向的工作循環(huán)。例如：當南北方向從紅燈轉換成綠燈時，置南北方向數字顯示為29，并使數顯計數器開始減“1”

3、計數，當減法計數到綠燈滅而黃燈亮（閃耀）時，數碼管顯示的數值應為4，當減法計數到“0”時，黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數碼管的顯示為29.4.可以通過開關將交通燈手動調整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)為只有黃燈閃耀。黃燈一直閃耀，提醒過往行人注意.二總體框圖： 控 制 電 路譯碼譯碼譯碼譯碼東 西 道南 北 道夜間開關5秒30秒30秒秒發(fā)生器計數計數計數計數圖2根據設計任務和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路主要框圖，設計方案可以從以下幾部分進行考慮。1.1hz標準脈沖和分頻部分因十字路口每個方向綠、黃、紅燈亮時間比例分別為5：1：6，所以，如果選5秒為一單位時間

4、，則計數器每計數5秒輸出一個脈沖。這一部分模塊可用74ls160連為5進制計數器即可實現。2.交通燈燈顯部分由燈亮時間比例可知，計數器每工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數器。這里選用中規(guī)模74ls164 八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數器。列出狀態(tài)轉換表，根據狀態(tài)表可列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式。即由74ls164來控制各路口燈的亮滅。設計要求電路可以通過開關將交通燈手動調整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)為只有黃燈閃耀?？赏ㄟ^一單刀雙擲開關和與門來實現。當開關打到高電平時為正常工作狀態(tài)，達到低電平時為夜間狀態(tài)。3. 數字顯示控制部分數字顯示控制部分實際上是一個定時控制電路

5、。當綠或紅燈亮時，使減法計數器開始工作，每來一個秒脈沖，使計數器減1，直到計數器為“0”停止。由于燈顯部分的頻率是數顯部分頻率的1/5，所以要用一個單穩(wěn)態(tài)連接數顯和燈顯部分。譯碼顯示可由計數器輸出驅動bcd碼七段譯碼器，計數器采用可預制加、減計數器，且讓其工作在減法計數狀態(tài)。三選擇器件 一整個實驗用到的器件如下表所示；組數 器件 1 21hz標準脈沖和分頻部分 選用555 74ls160交通燈燈顯部分 74ls164，74ls04， 74ls08，74ls11，74ls32燈顯部分 由74ls192 74ls04 , led發(fā)光二極管 選用555 74ls32,. 74ls08, u2504r

6、 表1二器件介紹 （1）74ls08 74ls08為二輸入端與門。由其邏輯功能表可得，其邏輯功能為“見0得0，全1得1”，即只要兩個輸入端口中有一個為0，則輸出z就為0，當 輸入全為1時，才有輸出z為1。 74ls081234567141312111098vcc 4b 4a 4y 3b 3a 3y1a 1b 1y 2a 2b 2y gnd 74ls08的邏輯表達式為：y=ab（2）74ls32 74ls32是2輸入或門，其邏輯符號和管腳圖如下圖所示?；蜷T的邏輯表達式為y=a+b，其邏輯功能表見下表。由其邏輯功能表可得，當兩個輸入只要有一個為1時，輸出就是1，只有兩個輸入都為0時，輸出才是0，即

7、“見1得1，全0得0”。 74ls32邏輯功能表輸入輸出aby000011101111（3）74ls04 74ls04是反相器。反相器的功能表如下表所示，當輸入為高電平時輸出等于低電平，而輸入為低電平時輸出等于高電平，輸出與輸入的電平之間是反相向關系。非門的邏輯表達式為：y= 反相器功能表輸入a輸出y1001 （4）u2504r u2504r是四輸入端的或門，其器件的功能是，四個輸入端輸入見1為1。只有四個輸入端q0，q1，q2,q3中有一個輸入端輸入1時輸出y才為1,見1為1，全0為0。（5）555定時器介紹555定時器是由比較器c1和c2，基本rs觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管td三部分組

8、成。 vh是比較器c1的輸入端，v12是比較器c2的輸入端。c1和c2的參考電壓vr1和vr2由vcc經三個五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端vco懸空時，vr1=2/3vcc,vr2=1/3vcc。如果vco外接固定電壓，則vr1=vco,vr2=1/2vco. rd是置零輸入端。只要在rd端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使rd處于高電平。圖中的數碼18為器件引腳的編號。 555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構成脈沖產生和整形電路。（a）電路組成555集成定時器由四個部分組成： 1、 基本rs觸發(fā)器：

9、由兩個“與非”門組成2、 比較器：c1、c2是兩個電壓比較器3、分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構成分壓器，為比較器c1和c2提供參考電壓。4、晶體管開卷和輸出緩沖器： 晶體管vt構成開關，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器g3，其作用是提高定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。(b) 基本功能當5腳懸空時，比較器c1和c2比較電壓分別為2/3vcc和1/3vcc。當vi12/3vcc，vi21/3vcc時，比較器c1輸出低電平，比較器c2輸出高電平，基本rs觸發(fā)器被置0,放電三極管t導通，輸出端vo為低電平。 當vi12/3vcc，vi21/3vcc時，比較器c1輸出

10、高電平，比較器c2輸出低電平，基本rs觸發(fā)器被置1,放電三極管t截止，輸出端vo為高電平。當vi11/3vcc時，基本rs觸發(fā)器r =1、s =1,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜合上述分析，可得555定時器功能表如下表所示。555定時器功能表輸 入輸 出閾值輸入(vi1)觸發(fā)輸入(vi2)復位()輸出()放電管t00導通 11截止10導通1不變不變如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0-vcc之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化，進而影響電路的工作狀態(tài)。（6）74ls192.74ls192為十進制同步加、減計數器（雙時鐘），既可進行加法

11、計數，又可進行減法計數，且有異步置數和清零功能。當輸入脈沖接到cpu時，計數器實現加法計數，當輸入脈沖接到cpd時實現減法計數。如下圖74ls192的管腳圖所示，p0p3為輸人，q0q3為輸出，mr為清零端，并且為高電平有效，mr=1時產生異步清零信號，輸出為“0000”，因此在計數狀態(tài)下應令mr=0。為置數端，當=0時計數器置數。、分別為借位輸出和進位輸出。 當輸入脈沖接到cpu時，計數器實現加法計數，當輸入脈沖接到cpd時實現減法計數。如下圖74ls192的管腳圖所示，p0p3為輸人，q0q3為輸出，mr為清零端，并且為高電平有效，mr=1時產生異步清零信號，輸出為“0000”，因此在計數

12、狀態(tài)下應令mr=0。為置數端，當=0時計數器置數。、分別為借位輸出和進位輸出。 （7）led發(fā)光二極管led是發(fā)光二極管light emitting diode的英文縮寫。led顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅動，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠、規(guī)格品種全等特點。目前l(fā)ed顯示屏作為新一代的信息傳播媒體，已經成為城市信息現代化建設的標志。管腳分別接輸出段的、（8）74ls8674ls86是四2輸入異或門。異或門的邏輯符號如右圖所示，由異或門的功能表可得，當兩輸入端口輸入不同電平時，輸出為高電平1；當兩輸入端口輸入相同電平時，輸出

13、為低電平0。（9）74ls1174ls11為三輸入的與門，由其邏輯功能表可得，其邏輯功能為“見0得0，全1得1”，即只要三個輸入端口中有一個為0，則輸出z就為0，當輸入全為1時，才有輸出z為1。（10）74ls16474ls164是8位移位寄存器，其邏輯功能表如下表所示。74ls164為上升沿觸發(fā)，串行輸入，并行輸出，具有異步清零功能，當=0時，qaqh全為0，當=1時，若控制端a、b全為1時，輸出端由qa 輸入1，且其它輸出端口依次為其前一時刻前一輸出端口的狀態(tài)；當a、b全為0時，輸出端由qa 輸入0，且其它輸出端口依次為其前一時刻前一輸出端口的狀態(tài)。（11）74ls160：74ls160為

14、可預置的十進制同步計數器，其管腳圖如右圖所示。在ct74ls160中l(wèi)d為預置數控制端，d0-d3為數據輸入端，c為進位輸出端，rd為異步置零端，q0-q3位數據輸出端，ep和et為工作狀態(tài)控制端。由其功能表可得，當置數端為0時，輸出全為0。預置數端為0，當脈沖到達時，計數器置數；當置數和預置數端都為1，且ep=et=1時，計數器進行加法計數；當ep=0，ep=1時，輸出不變，且rco=0；當et=1時，各輸出及rco都保持不變。四功能模塊1.1hz標準脈沖和分頻部分圖3 1hz標準脈沖和分頻模塊圖此模塊右半部分用555定時器連成多諧振蕩器產生秒脈沖，多諧振蕩器的周期為t=（r1+2r2）c2

15、。選定c為10nf，r1為0.901676m，則r2為72.1501m。將多諧振蕩器輸出的秒脈沖作為74ls160的脈沖，讓74ls160在秒脈沖的控制下工作。74ls160采用置數法連接為5進制的計數器，將a、b、c、d四個輸入端口接地，由于74ls160的置數端是同步置數，所以要在輸出為“0100”時，產生置數信號，令計數器置為“0000”。又由于置數端是低電平有效，所以可通過qc加反相器再與其它三個輸出端口相與，作為置數信號。這樣連成的計數器就為5進制計數器，并把置數信號加反相器作為分頻器的輸出，供給燈顯部分。2.交通燈燈顯模塊此模塊選用74ls164來實現，74ls164的狀態(tài)轉換表如

16、表1所示。由此狀態(tài)轉換表可得東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式，如表2所示。由于在綠燈變紅燈之前，黃燈要求閃耀幾次，所以用1hz的標準脈沖和ewy或nsy黃燈信號相“與”即可。對于要求電路可以通過開關將交通燈手動調整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)只有黃燈閃耀?？赏ㄟ^一單刀雙擲開關和與門來實現。將各燈的控制信號都通過一個與門與開關處輸出的信號相與，令開關打到高電平時為正常工作狀態(tài)，達到低電平時為夜間狀態(tài)。由于夜間紅綠燈都滅，黃燈閃爍，所以要將開關輸出的信號經反相器后輸入與門。燈顯模塊的電路圖如圖4所示：圖4 交通燈燈顯模塊圖3. 數字顯示控制部分（1）由于在紅綠燈亮期間要進行倒計時顯示就要有譯碼顯

17、示電路，可將定時電路和三十進制計數器輸出分別接南北，東西干道譯碼顯示電路。（2）定時電路(a)秒脈沖是交通管理器的時間基準，由于本課程對秒信號的要求不高，所以用一般的電路就可以實現可用數字鐘電路中實現1khz的555基礎定時器構成的振動電路，將參數改為1hz的振動信號，也可以用rc環(huán)形振蕩器。在提供脈沖信號后，使減法計數器開始工作，每來一個秒脈沖，使計數器減1，直到計數器為“0”停止。由于燈顯部分的頻率是數顯部分頻率的1/5，所以要用一個單穩(wěn)態(tài)連接數顯和燈顯部分。（b）此模塊選用十進制同步加、減計數器（雙時鐘）74ls192和七段數碼顯示管dcd_hex來實現。采用74ls192的減法計數功能

18、，把減計數脈沖輸入接秒脈沖，加計數脈沖輸入接高電平。每個路口用兩片74ls192設計為30進制計數器，令第一片74ls192的借位輸出作為第二片的計數脈沖。數字顯示由29減到0，然后通過置數信號再次置為29，依次循環(huán)下去。觀察表1的74ls164狀態(tài)轉換表，狀態(tài)5和狀態(tài)11時，黃燈閃爍，而此時恰好有q4、q5狀態(tài)為1、0和0、1，若在此時采用一個異或門連接q4、q5，當黃燈閃爍時異或門輸出1，由于燈顯部分的每一狀態(tài)持續(xù)時間為5秒，所以異或門輸出1的持續(xù)時間也為5秒，5秒之后又變?yōu)榈碗娖?，且低電平要持續(xù)25秒。此時若在異或門后接一個單穩(wěn)態(tài)，且令暫態(tài)時間為1秒，由于單穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，所以需通過一個反相器接到置數端，而74ls192是異步置數，因此當黃燈停止閃爍時，數顯部分置數為29，新的循環(huán)開始。選用的七段譯碼顯示管dcd_hex具有譯碼功能。數字顯示部分的電路模塊圖如圖5所示。在multism2001中仿真次模塊，為了能夠盡快看到仿真結果，可將從燈控部分輸出的置數信號的頻率擴大1000倍，即用200hz代替0.2hz，可見，兩組數碼顯示管顯示的數據從29減到0，再置數到29，再依次減到0，并且兩組數據是同步的。可得，數字顯示模塊的控制