數(shù)字電路應用課題設計實驗

1、數(shù)字電路應用課題設計實驗7.1汽車尾燈控制器設計7.1.1設計原理由于汽車左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、剎車、正常行車時，所有燈點亮的次序和是否點亮是不同的， 需要用計數(shù)器（如 74LS160）對輸入的信號進行計數(shù)，再通過譯碼器（如 74LS138）控制不 同信號輸出，譯碼器輸出為高電平時再經(jīng)過處理就可點亮不同的尾燈，從而控制尾燈按要求點亮。由此得出在每種運行狀態(tài)下，各指示燈與給定條件間的關系，即邏輯功能表7.1.1所示。汽車尾燈控制電路設計總體框圖如圖7.1.1所示。顯示驅(qū)動電路R1R2R3 L1L2L3脈沖產(chǎn)生1Hz山記數(shù)電路74160表7.1.1汽車尾燈和汽車運行狀態(tài)開關控制汽車運行狀態(tài)右轉(zhuǎn)尾燈左轉(zhuǎn)尾

2、燈K1k2R1R2R3L1L2L300正常運行舟火火火10左轉(zhuǎn)彎舟火按L1L2L3順序循環(huán)點亮01右轉(zhuǎn)彎按R1R2R3I順序循環(huán)點 亮火火11臨時剎車右轉(zhuǎn)尾燈R1R2R3左轉(zhuǎn)尾燈L1L2L3都同時閃爍開關控制電路譯碼電路74138圖7.1.1汽車尾燈控制電路設計總體框圖實現(xiàn)的主要功能是通過開關控制從而實現(xiàn)汽車尾燈的點亮方式。根據(jù)表7.1.1具體實現(xiàn)如下：當k1k2=00時汽車正常行駛，尾燈完全處于熄滅狀態(tài)，具體實現(xiàn)是74160的輸出“00”通過74138譯碼后為“ 111111”做與非門處理為“ 000000”當k1k2=10時候汽車左轉(zhuǎn)，所以汽車尾燈的左面3個燈按照 1112一13一全滅一L

3、1順序循環(huán)點亮，具體實現(xiàn)是通過在脈沖的作用下，74160的輸出“ 000110”順序循環(huán)和在左轉(zhuǎn)送入 “0”，通過74138譯碼后為“ 100010001”做與非門處理順序循環(huán) 點亮而實現(xiàn)汽車左轉(zhuǎn)。當k1k2=01時汽車右轉(zhuǎn)，所以汽車尾燈右面 3個燈按照R1-R2R3一全滅一 R1順 序循環(huán)點亮，具體實現(xiàn)是通過在脈沖CP的作用下，74160的輸出“ 0001 10”順序循環(huán)和在右轉(zhuǎn)送入“0”，通過74138譯碼后為“100010 001”做與非門處理順序循環(huán)點亮而 實現(xiàn)汽車右轉(zhuǎn)。當k1k2=11時候汽車處于剎車狀態(tài)，汽車的尾燈都同時閃爍，具體實現(xiàn)是所有的尾燈 隨脈沖CP同時閃爍7.1.2設計任

4、務和要求用中小規(guī)模集成電路設計十翻二運算邏輯電路，具體要求如下: 汽車正向行駛時左右兩側(cè)的指示燈全部處于熄滅狀態(tài).汽車右轉(zhuǎn)彎行駛時，右側(cè)的3個指示燈按右循環(huán)順序點亮。汽車左轉(zhuǎn)彎行駛時，左側(cè)的3個指示燈按左循環(huán)順序點亮汽車臨時剎車時，左右兩側(cè)的指示燈同時處于閃爍狀態(tài)。控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖 7.1.2所示。K1、K2控制變量定義如表 7.1.2所示。表7.1.2K1、K2控制變量定義K1K2K1、K2汽車運行狀態(tài)00正向行駛01右轉(zhuǎn)彎行駛10左轉(zhuǎn)彎行駛率11臨時剎車模圖7鼎示融腱瞪吉構(gòu)框圖 汽車狀態(tài)顯示尾燈與汽車埼行的真值斗如表17.1.3所示。"表7.1.2尾燈與汽車運行的真值表K1

5、f列K20H 0111各00111R11R2-R3-L1L2L300三進制計數(shù)器0,00011001111000111111注：這里開關斷開認為是“ 0”狀態(tài)；閉合認為是“ 1”狀態(tài)。尾燈的滅認為是“ 0”狀態(tài);閃爍認為是“1”狀態(tài)。真值表的說明：真值表中的k1代表左轉(zhuǎn)向燈開關（Left ）;真值表中的k2代表右轉(zhuǎn)向燈開關（Right ）;真值表中的 R1, R2, R3汽車右邊三個燈；真值表中的L1, L2, L3汽車左邊三個燈；7.1.3可選用器材1 .數(shù)字邏輯實驗箱2 .+5v直流電源3 . 74LS002 片74LS201 片74LS861 片74LS1381片74LS1611 片74

6、LS041 片7.1.4設計方案提示1、王電路的仿真：波形圖如圖 7.1.5所示。(1)汽車左轉(zhuǎn)彎仿真電路圖如圖7.1.4所示,440圖7.1.4左轉(zhuǎn)彎仿真電路圖R1的波形：R1(2)汽車右轉(zhuǎn)彎仿真電路圖如圖7.1.6所示，波形圖如圖 7.1.7所示。圖7.1.5左轉(zhuǎn)彎仿真波形圖仿真波形分析：如圖 7.1.5 ,當k1k2=10的時候，R3R2R1的變化順序為：001010100,由于輸出為高電平時燈亮，所以尾燈的點亮方式為：R1-R2- R3-¥ 器 匚.L。F匚I日日圖 7.1.6L1右轉(zhuǎn)彎仿真電路圖 的波形圖：L2的波形圖:L3的波形圖:圖7.1.7右轉(zhuǎn)波形仿真圖仿真波形分析：

7、如圖 7.1.7所示當k1k2=01的時候，L3L2L1變化順序為：L1.汽車剎車和停車仿真電路圖如圖7.1.8所示，波形圖如圖 7.1.9所示。001 010100,由于輸出為高電平時燈亮，所以尾燈的點亮方式為：L1 L2 L3 一§穌HU不皿匹的T/*?圖7.1.8剎車和停車仿真電路圖圖7.1.9剎車和停車仿真波形圖仿真波形分析：圖 7.1.9 所示當k1k2=11的時候，R1R2R3L1L2L3尾燈都同時閃爍當 K1K2=00的時候，R1R2R3L1L2L3m燈都處于熄滅狀態(tài)。經(jīng)過分析與實際相符合，所以仿真正確總體設計原理圖：經(jīng)過以上(1) (2) (3)的調(diào)試過程和結(jié)果分析，

8、得出所設計的電路圖完全符合設計任 務書的要求，汽車尾燈的功能便可完全實現(xiàn)。7.1.5 參考電路整機邏輯電路圖如圖 7.1.10所示。臼T_3f= r:"EiH-Em.組部一 口U JHoF44.ECWU4«m sc 10A 7d： me 9丁如頡仇5。5 V»'4L .U'.U圖7.1.10參考電路7.1.6 電路擴展提示汽車燈分為信號燈和照明燈， 信號燈又包括位置燈、 制動燈、轉(zhuǎn)向信號燈、后霧燈、示廓燈， 照明燈包括前照燈、霧燈、倒車燈、牌照燈、頂燈、儀表燈、行李箱燈和工具燈等，可通過觀察汽車燈的實際控制規(guī)程， 模擬實現(xiàn)一個貼近實用的汽車燈控制電

9、路，還可以通過5伏供電的燈泡更加直觀逼真地模仿汽車燈的控制和運行狀態(tài)。7.2鑒向倍頻邏輯電路設計7.2.1 設計原理鑒向倍頻邏輯線路由兩部分組成：倍頻電路和鑒向電路。倍頻電路倍頻電路的倍頻系數(shù)因設計要求不同而異。不言而喻，倍頻系數(shù)越高，其電路越復雜。為簡便起見，此處僅介紹四倍頻電路的設計方法。四倍頻的含義即：輸入信號變化一個周期使輸出信號變化四個周期，輸出信號頻率提高為輸入信號頻A 一1 一1一11-1 一1B 1率的四倍。該電路的輸入信號是兩個相差為90o的方波信號，M1 -nnn分別表示為A和B,如圖7.2.1所示。顯然，在方 M2口00波信號變化的一個周期內(nèi)，A、B兩信號共有四個M3一“

10、沿”,四倍頻電路的設計關鍵，就在于檢出這四M4 nnd個“沿”，實現(xiàn)四倍頻。輸出信號如圖7.2.1所示， 圖7.2.1四倍頻原理波形圖分別用M1、M、M、M表示。鑒向電路由于輸入信號 A B之間相位關系發(fā)生變化而使鑒向電路的輸出發(fā)生變化。這種線路設計方法一般有兩種，一種是在電路中設計兩路輸出，一路輸出脈沖信號，另一路輸出方向信號；另一種則是在電路中設計兩路輸出，一路輸出正向脈沖， 如A超前B時該路有脈沖輸出， 另一路輸出反向脈沖，如 A滯后B時，該路有脈沖輸出。A、B兩相信號經(jīng)四倍頻及鑒向電路處理后，便可獲得能鑒別A、B兩信號的相位關系(超前或滯后)的四倍頻脈沖信號。7.2.2 設計任務和要求

11、用中小規(guī)模集成電路設計鑒向倍頻邏輯電路，具體要求如下：采用正、負脈沖輸出方法設計鑒向倍頻電路。用JK觸發(fā)器構(gòu)成分相電路，利用標準信號發(fā)生器發(fā)出的時鐘信號產(chǎn)生A、B兩個信號，并用雙向開關控制 A B相位的超前及滯后關系。用2位BC加計數(shù)器、譯碼器及數(shù)碼管構(gòu)成計數(shù)、譯碼顯示電路，用此電路對鑒向輸出脈沖計數(shù)及顯示，并通過雙向開關改變A、B相位的超前、滯后關系，觀察顯示數(shù)值的變化。改變CP脈沖的頻率，觀察有關信號的波形，以分析確定CP脈沖頻率與 A(B)信號頻率的關7.2.3 可選用器材1 .數(shù)字邏輯實驗箱1臺2 .+5v直流電源3 . 74LS1122 片74LS742片74LS1531片74LS1

12、932片74LS081 片7.2.4設計方案提示倍頻電路設計在圖7.2.1中，若取輸出脈沖 MM4的寬度為CP,那么可以考慮 M、M通過A信號驅(qū)動，CP脈沖觸發(fā)的相差為 CP的兩個信號進行相應組合獲得；M3、M同樣可以通過由B信號驅(qū)動，CP脈沖觸發(fā)的兩信號進行相應組合獲得，波形圖如圖 7.2.2所示，通過對波形的分 析可以得出：M1=Q1 /Q2M2=/Q1 Q2M3=Q3 /Q4M4=/Q3 Q4其中：Q、Q可以由A信號驅(qū)動的兩個D觸 發(fā)器輸出端獲得； Q、Q可以由B信號驅(qū)動 的兩個D觸發(fā)器輸出端獲得。鑒向電路設計采用正、反脈沖兩路輸出的設計方法， 其主要思路為：當A信號超前B信號時，A、

13、B經(jīng)過四倍頻后產(chǎn)生的 MM四個脈沖信號 由正脈沖輸出端輸出， 當B信號超前A信號 時，MM四個脈沖信號由負脈沖輸出端輸 出。CP LJLJ_LJI_I I I假設：A超前B時，MM由丫1端輸出， 波形如圖7.2.3所示，根據(jù)波形圖可以得到：Y=A- /B- M1+/A- B- M2+A- B- M 3+/A /B- M4（1 1）A滯后B時，MM由丫2端輸出，波形 如圖7.15.4所示.同理可得：Y2=A - B M 1+/ A / B M2+/ A B M 3+A 2）ABQ1Q2 Q3Q4M1M2M3M41 I LI-I I_LJ_LU-ri n r n cnn_nnntl_linnli圖

14、7.2.2四倍頻電路波形圖ABMiM2M3顯然，用“雙4選1”線路很容易實現(xiàn)式（11）、 式（1 2）所表達的邏輯關系。最簡單的方法是采用 74LS153“雙4選1”芯片。此外，為調(diào)試需要，還應設計分相電路，以獲得A、 B兩個相差為90o的信號；另外，還應設計計數(shù)譯碼顯示 電路，以觀察設計結(jié)果。M4正向反向I I|n n n n . n n n_ru -TLTLTLn_圖7.2.3正向輸出波形圖7.2.5參考電路根據(jù)題目的具體要求，鑒向倍頻參考邏輯電路圖如 圖7.2.5所示。分相電路它由FF-1、FF-2、FF-3三個JK觸發(fā)器組成，F(xiàn)F-1 為一個二分頻器，利用其 Q與/Q控制FF-2及FF

15、-3 ,使 之輸出的兩個信號正交即相差 90°。K撥至下方，A超前 B90o, K1撥至上方；A滯后B90oo C接至FF-2的J,保證 了不論初始狀態(tài)如何，S端波形落后于 C波形90°。波形A B - M1 M2 M3- 一 一M4正向 反向圖7.2.4反向輸出波形圖圖如圖7.2.6所示。四倍頻電路工作波形圖如圖7.2.2所示。該電路由FF-4、FF-5、FF-6和FF-7四個D觸發(fā)器及 四個與門組成。由于FF-4和FF-5觸發(fā)狀態(tài)變化時間相差 一個CP周期，因此其輸出 Q和Q相位亦相差一個CP,通 過與門1和與門2組合輸出A信號的兩個“沿”脈沖 M 和M。同樣，F(xiàn)F-6

16、、FF-7和與門3、與門4完成B信號的 兩個“沿”脈沖 M和M的輸出。表7.2.1 74LS153功能表數(shù)據(jù)選擇輸出ENBENAY00Y=Co01Y=Ci10Y=C211Y=C3圖7.2.5鑒向倍頻參考邏輯電路圖鑒向電路它由74LS153。雙4選1”芯片構(gòu)成，其功能表如表7.2.1所示。根據(jù)真值表可得輸出方程為：Y=/ENB - /ENA- C0+/ENB ENA- C 1+ENB- /ENA C 2+ENB- ENA- C3計數(shù)譯碼顯示電路它由 74LS1931、74LS193- 2 兩個計數(shù)器，74LS248 1、 74LS248-2兩個譯碼驅(qū)動器及 LC501111共陰極七段數(shù)碼 管和清

17、零電路組成，兩位數(shù)碼管顯示最大值為99。在參考原理圖中，各芯片的電源和地以及管腳未引出和 標注，實驗時查閱有關手冊即可。7.2.6電路擴展提示CP Q1 - - - - - /Q2 J C(Q1)111S(Q2) _ ._ ： I)圖7.2.6分向電路波形圖鑒向倍頻電路被廣泛運用于通信系統(tǒng)及其他電子系統(tǒng)里。在調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)里使用倍頻電路可以擴展調(diào)頻信號的最大線性頻偏。 對振蕩器的輸出進行倍頻，可以得到更高的所需振蕩頻率， 降低了主振的振蕩頻率，有利于提高頻率穩(wěn)定度。在頻率合成器里，倍頻電路也是不可缺少 的組成部分?？蓴U展設計成多輸出鑒向倍頻電路，且可按需輸出指定方向和倍頻的信號。7.3 拔河游戲

18、機7.3.1 設計原理電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排 LED 發(fā)光二極管表示拔河的“電子繩”。游戲雙方各擁有一個比賽時使用的單脈沖按鈕,參與者按動一次按鈕就產(chǎn)生一個脈沖, 誰按的頻率快產(chǎn)生的脈沖就多, 由發(fā)光的LED 燈的左右偏移模擬拔河過程，LED燈的偏移方向和位移由比賽雙方所給出的脈沖數(shù)實時決定，該功 能需要用計數(shù)電路通過加減計數(shù)來實現(xiàn)。當移動到某方的最后一個LED燈時，則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負。甲乙通過輸入單脈沖，用可逆計數(shù)器實現(xiàn)加減，通過七段數(shù)碼管實時顯示雙方勝利局數(shù)，用開關設計的裁判可以實現(xiàn)電路的復位功能。7.3.2 設計任務和要

19、求用中小規(guī)模集成電路設計拔河游戲機邏輯電路，具體要求如下：比賽開始時，由裁判下達命令后，甲乙雙方才能輸入信號，否則，由于電路具有自鎖功能，使輸入信號無效?！半娮永K”至少由9個LED管構(gòu)成，裁判下達“開始比賽”的命令后，位于“電子繩”中點的LED點亮。甲乙雙方通過按鍵輸入信號，使發(fā)亮的LED管向自己一方移動， 并阻止其向?qū)Ψ揭苿?。當一方終點的LED管點亮時，表示比賽結(jié)束。這時，電路自鎖，保持當前狀態(tài)不變，除非由裁判使電路復位。要求可通過設置實現(xiàn)多局定勝負，并實時顯示雙方當前勝利局數(shù)。7.3.3 可選用器材1 . 數(shù)字邏輯實驗箱1 臺2 .+5v 直流電源3 74LS1541 片74LS1931

20、片74LS904 片74LS081 片74ls001 片74ls861 片74LS041 片74LS321 片7.3.4 設計方案提示輸入：甲，乙和裁判的脈沖輸出：9個LED發(fā)光二極管；甲的贏局數(shù)（4位二進制）；乙的贏局數(shù)（4位二進制）；該課題的核心是如何實現(xiàn)兩個脈沖分別控制一個可逆計數(shù)器的加減記數(shù)，同時裁判脈沖能對計數(shù)器進行重置，以及重置之前的自鎖功能。可逆計數(shù)器原始狀態(tài)輸出4 位二進制數(shù)0000，經(jīng)譯碼器輸出使中間的一只發(fā)光二極管發(fā)亮。當按動A、 B 兩個按鍵時，分別產(chǎn)生兩個脈沖信號，經(jīng)整形后分別加到可逆計數(shù)器，可逆計數(shù)器輸出的代碼經(jīng)譯碼器譯碼后驅(qū)動發(fā)光二極管點亮并產(chǎn)生位移，當亮點移到任何

21、一方終端后，由于控制電路作用，使這一狀態(tài)被鎖定，而對輸入脈沖不起作用。如按到復位鍵，亮點又回到中點位置，比賽又可重新開始。將雙方終端二極管的正端分別經(jīng)兩個與非門后接至兩個二十進制計數(shù)器的加計數(shù)端，當任一方取勝，該方終端二極管發(fā)亮，產(chǎn)生一個下降沿使其對應的計數(shù)器計數(shù)。這樣，計數(shù)器的輸出即顯示了勝者取勝的盤數(shù)。1. 計數(shù)器可逆計數(shù)器要有兩個輸入端，四個輸出端，要進行加/ 減計數(shù)，因此可選用74LS193 雙時鐘二進制同步加/減計數(shù)器來完成。2. 整形電路74LS193是可逆計數(shù)器，控制加減的CP脈沖分別加至up腳和dn腳，此時當電路要求進行加法計數(shù)時，減法輸入端dn 須為高電平；減法計數(shù)時，加法輸

22、入up 也必須為高電平，若直接由A、 B 鍵產(chǎn)生的脈沖加到up 腳或 dn 腳，那么就有很多時間在進行計數(shù)輸入時另一計數(shù)輸入端為低電平，使計數(shù)器不能計數(shù)，雙方按鍵均失去作用，拔河賽不能正常進行。加一整形電路，使A、 B 鍵出來的脈沖經(jīng)整形后變?yōu)橐粋€占空比很大的脈沖，這樣就減少了進行某一計數(shù)時另一計數(shù)輸入為低電平的可能性，從而使每一次鍵都能進行有效的計數(shù)。整形電路是由兩個與門和8 個與非門來實現(xiàn)其相應功能。3. 譯碼電路可選用4線16線74LS154譯碼器。譯碼器的輸出 Q0Q4 Q12Q15接9個發(fā)光二極 管，這樣，當信號輸出為高電平時發(fā)光二極管點亮。比賽準備，譯碼器輸入為0000， Q0 輸

23、出為0，中心處二極管首先點亮，當編碼器進行加法計數(shù)時，亮點向右移，進行減法計數(shù)時，亮點向左移。4. 控制電路為指示出誰勝誰負，需用一個控制電路。當亮點移到任何一方的終端時，判該方為勝，此時雙方的按鍵均宣告無效。此時電路可用一個異或門和一個與非門來實現(xiàn)。將雙方終端二極管的正極接至異或門的兩個輸入端，負極接至與非門的兩個端口，當獲勝一方為“ 1 ”，而另一方則為“0”，異或門輸出為“1”，經(jīng)非門產(chǎn)生低電平“0”，再送到計數(shù)器的置數(shù)端，再將計數(shù)器的輸出端接到輸入端，于是計數(shù)器停止計數(shù)，處于預置狀態(tài)，使計數(shù)器對輸入脈沖不起作用。5. 勝負顯示將雙方終端二極管正極經(jīng)與非門后的輸出端分別接到兩個74LS9

24、0計數(shù)器的A端，74LS90的四組4位BC加分別接到實驗裝置的四組譯碼顯示器的A、B、C D插入口。當一方取勝時， 該方終端二極管發(fā)亮，同時相應的數(shù)碼管進行加一計數(shù)，于是就實現(xiàn)了雙方取勝次數(shù)的顯示。6. 復位為能進行多次比賽，需要進行復位操作，使亮點返回中心點，可用一個開關控制74LS193的清零端即可。勝負顯示器的復位也應用一個開關來控制勝負計數(shù)器的清零端R,使其重新計數(shù)。7.3.5 參考電路整機邏輯電路圖如圖7.3.1 所示。7.3.6 電路擴展提示拔河游戲是模仿實際拔河的過程，其和實際的拔河有所不同，可以考慮通過倍頻電路來實現(xiàn)單脈沖信號的“加速”，通過“秘技”的形式來“保贏”，而且“加速

25、”過程可控（可取消） 另外，還可對雙方拔河隊員的操控閑置時間進行控制，超過一定時間，報警并使游戲鎖定或者復位。7.4 交通燈控制邏輯電路設計7.4.1 設計原理為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，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。交通燈控制器的系統(tǒng)框圖如圖7.4.1所示。7.4.2 設計任務和要求圖7.4.1交通燈控制器系統(tǒng)框圖用中小規(guī)模集成電路設計交通燈控制邏輯電路，具體要求如下: 滿足如圖7.4.2順序工作流程。圖中設南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR NSY NS甑西方向的紅、黃、綠燈分別

26、為 EWR EWY EWG它們的工作方式，有些必須是并行進行的， 即 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向 黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮， 東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向 黃燈亮。圖7.4.2交通燈順序工作流程圖綠燈時間之和。時序工作流程圖如圖 所示。圖7.4.3中，假設每個單位時間為7.4.33秒，則南北、西方向綠、黃、紅燈亮時間分別15秒、3秒、18秒， 一次循環(huán)為36秒。其中紅燈亮的時間為綠燈、黃燈 亮的時間之和，黃燈是間歇閃耀。十字路口要有數(shù)字顯示， 作為時間提示，以便人 們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，61JT-L_r應滿足兩個方向的工作時序：

27、即東西方向 亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之 和，南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、圖7.4.3交通燈時序工作流程圖置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式工作, 至減到數(shù)為“ 0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工18,并使數(shù)顯計數(shù)器開始作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。例如：當南北方向從紅燈轉(zhuǎn)換成綠燈時，置南北方向數(shù)字顯示為18。減“1”計數(shù)。當減到綠燈滅而黃燈亮 （閃耀）時，數(shù)顯的值應為3,當減到“0”時，此時黃 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(shù)顯為可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。在完成上述任務后，可以對電路進行以下幾方面的電路

28、改進或擴展。1）設某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向 （如東西）為次干道；由于主干道車輛、 行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間，可選定為次干道綠燈亮的時間2倍或3倍。2）用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。 并一個一個向前移動，表示汽車在行駛； 十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動;當某一方向綠燈亮時，這一方向的發(fā)光二極管接通， 當遇到黃燈亮時，移位發(fā)光二極管就停止，而過了紅燈亮時，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。7.4.3 可選用器材1 .數(shù)字邏輯實驗箱1臺2 .+5v直流電源3 . 74LS741 片

29、74LS1641片74LS1934片74LS001片74LS321 片74LS082 片74LS041 片74LS112 片7.4.4設計方案提示7.4.1 。設計方案可以從根據(jù)設計任務和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路主要框圖 以下幾部分進行考慮。秒脈沖和分頻器因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮時間比例分別為5:1:6 ,所以，若選4秒（也可以3秒）為一單位時間，則計數(shù)器每計 4秒輸出一個脈沖。交通燈控制器由圖7.4.3 波形 圖可知，計數(shù)器每次 工作循環(huán)周期為12, 所以可以選用12進制 計數(shù)器。計數(shù)器可以 用單觸發(fā)器組成，也 可以用中規(guī)模集成計 數(shù)器。這里我們選用 中規(guī)模 74LS164

30、八位 移位寄存器組成扭環(huán) 形12進制計數(shù)器。扭 環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表 如表7.4.1 所小。根 據(jù)狀態(tài)表，我們不難 列出東西方向和南北 方向綠、黃、紅燈的計數(shù)器輸出P南北方向東西方問QQQQQQNSGNSYNSREWGi EWYEWR0000000100001110000010000121100001000013111000100001411110010000151111100T0001611111100110070111110011008001111001100900011100110010000011001100110000010010T0表7.4.1 狀態(tài)表邏輯表達式:東西方向綠：EWG=

31、Q Q5南北方向綠：NSG=/Q/Q5黃：EWY=/Q- Q5(EWY =EWYCP)黃：NSY=Q/Qs(NSY =NSY CP1)紅：EWR=/QM: NSR=Q由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。顯示控制部分顯示控制部分，實際是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1,直到計數(shù)器為“ 0”而停止。譯碼顯示可用74LS248BC刑七段譯碼器，顯示器用共陰極LED顯示器，計數(shù)器采用可預置加、減法計數(shù)器，如 74LS168、74LS193 等。手動/自動控制，夜間控制可用一選擇開關進行，置開關

32、在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈處在某一位置上， 開關在自動位置時， 則交通信號燈按自動循環(huán)工作方式運行。夜間時，將夜間開關接通，黃燈閃亮。汽車模擬運行控制7.4.5參考電路圖7.4.4汽車模擬控制電路圖用移位寄存器組成汽車 模擬控制系統(tǒng)，即當某一方向 綠燈亮時，則綠燈亮“ G'信 號，使該路方向的移位通路打 開，而當黃、紅燈亮時，則使 該方向的移位停止。如圖 7.4.4所示，為南北方向汽車 模擬控制電路。根據(jù)設計任務和要求，交通信號燈控制器參考邏輯電路圖如圖7.4.5所示。單次手動及脈沖電路單次脈沖是由二個與非門組成的 RS觸發(fā)器產(chǎn)生的，當按下Ki時，有一個脈沖輸出使 74LS1

33、64 移位計數(shù)，實現(xiàn)手動控制。K2在自動位置時，由秒脈沖電路經(jīng)分頻后（4分頻）輸入給74LS164, 這樣，74LS164為每4秒向前移一位（計數(shù)1次）。秒脈沖電路可用晶振或 RC振蕩電路構(gòu)成?？刂破鞑糠炙?4LS164組成扭環(huán)形計數(shù)器，然后經(jīng)譯碼后，輸出十字路口南北、東西二個方向 的控制信號。其中黃燈信號須滿足閃耀，并在夜間時，使黃燈閃亮，而綠、紅燈滅。數(shù)字顯示部分當南北方向綠燈亮，而東西方向紅燈亮時，使南北方向的74LS168以減法計數(shù)器方式工作，當減到“ 0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西 方向紅燈滅信號（EWR=0）,使與門關斷，減法計數(shù)器工作結(jié)束，而

34、南北方向紅燈亮，使另一 方向一東西方向減法計數(shù)器開始工作。在減法計數(shù)開始之前，由黃燈亮信號使減法計數(shù)器先置入數(shù)據(jù)，圖中接入U/D和/（LD）的信號就是由黃燈亮（為高電平）時，置入數(shù)據(jù)。黃燈滅（Y=0）,而紅燈亮（R=1）開始減計數(shù)。汽車模擬控制電路這一部分電路參考圖7.4.4。當黃燈（Y）或紅燈（R）亮時，RI這端為高（H）電平，在 CP移位脈沖作用下向前移位，高電平" H'從 QH一直移到 Q（圖中74LS164-1）由于綠燈在紅燈 和黃燈為高電平時，它為低電平，所以74LS164-1Qa的信號就不能送到 74LS164-2移位寄存器的RI端。這樣，就模擬了當黃、紅燈亮時汽

35、車停止的功能。而當綠燈亮，黃、紅燈滅（G=1,R=Q Y=0）時，74LS164-1、74LS164-2者B能在CP移位脈沖作用下向前移位。這就意味著， 綠燈亮時汽車向前運行這一功能。圖7.4.5交通信號燈控制器參考邏輯電路圖7.4.6電路擴展提示交通燈是日常生活中較常見的事物，其控制流程可通過觀察容易獲得，本題目所提要求為十字路口的交通燈控制，可擴展為五岔路口或者六岔路口等，另外，目前交通燈控制存在很多不合理的地方（如前后多個交通燈之間不存在邏輯關聯(lián)、時間設置死板不宜調(diào)整等），可以有針對性的提出解決方案，并在所設計的電路中予以體現(xiàn)。7.5家用空調(diào)控制系統(tǒng)7.5.1設計原理目前，家庭用的空調(diào)越

36、來越多地采用電子控制電路從而取代原來的機械控制器，這使得空調(diào)的功能更強，操作也更為簡便。圖 7.5.1為空調(diào)操作面板示意圖。r強 中 弱Lil I 口二 口匚 辱眠 自然 正常L4| L5| L6|圖7.5.1為空調(diào)操作面板示意圖在面板上有六個指示燈指示空調(diào)的狀態(tài)。三個按鍵分別為不同的操作：風速、風種、停止。其操作方式和狀態(tài)指示如下：1、空調(diào)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)時，所有指示燈不亮。此時只有按“風速”鍵空調(diào)才會響應，其 初始工作狀態(tài)為“風速”：弱，“風種”：正常，且相應的指示燈亮。2、空調(diào)一經(jīng)啟動后，再按動“風速”鍵可循環(huán)選擇弱、中或強三種狀態(tài)中的一種狀態(tài)；同時，按動“風種”鍵可循環(huán)選擇正常、自然或睡眠

37、三種狀態(tài)的某一種狀態(tài)。3、在空調(diào)任意工作狀態(tài)下，按“停止”鍵空調(diào)停止工作，所有指示燈熄滅?！帮L速”的弱、中、強對應空調(diào)的轉(zhuǎn)動由慢到快?！帮L種”在正常位置是指空調(diào)連續(xù)運轉(zhuǎn)；在“自然”位置，是表示空調(diào)模擬產(chǎn)生自然風，即運轉(zhuǎn)4秒，間斷4秒的方式；在“睡眠”位置，是產(chǎn)生輕柔的微風，空調(diào)運轉(zhuǎn) 8秒，間斷 8秒的方式。扇操作狀態(tài)的所有變換過程如圖7.5.2所示。7.5.2 設計任務和要求用中小規(guī)模集成電路家用空調(diào)控制系統(tǒng)邏輯電路，具體要求如下：用三個按鍵來實現(xiàn)“風速”、“風種”、“停止”的不同選擇。用六個發(fā)光二極管分別表示“風速”、“風種”的三種狀態(tài)（實驗模擬時用三個發(fā)光二極 管模擬電機輸出）。空調(diào)在停轉(zhuǎn)

38、狀態(tài)時，只有按“風速”鍵才有效，按其余兩鍵不響應。7.5.3 可選用器材1 .數(shù)字邏輯實驗箱1臺2 .+5v直流電源3 . 74LS744 片74LS1511片74LS002 片74LS081 片7.5.4設計方案提示1、狀態(tài)鎖存器“風速”、“風種”這兩種操作各有三種工作狀態(tài)和一種停止狀態(tài)需要保存和指示，因而對于每種操作都可以采用三個觸發(fā)器來鎖存狀態(tài)，觸發(fā)器輸出1表示工作狀態(tài)有效，0表示無效，當三個輸出為全 。則表示停止狀態(tài)。為了簡化設計，可以考慮采用帶有直接清零端的觸發(fā)器，這樣將停止鍵與清零端相連就可以實現(xiàn)停止的功能，簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如圖7.5.3所示。圖中橫線下數(shù)字XXX為 Q2、Q1、

39、Q0的輸出信號。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖，利用卡諾圖化簡后，可得到QO Q1、Q2的輸出信號邏輯表達式（它們可適用于“風速”及“風種”電路） ：Qn1 =Q1n &q1n 1 = QnQn1 =q1n可選用4D上升沿觸發(fā)器74LS175構(gòu)成。圖7.5.3簡化空調(diào)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2、觸發(fā)脈沖的形成根據(jù)前面的邏輯表達式，我們可以利用D觸發(fā)器建立起“風速”及“風種”鎖存狀態(tài)電路，但這兩部分電路的輸出信號狀態(tài)的變化還有賴于各自的觸發(fā)脈沖。在“風速”部分的電 路中，可以利用“風速”按鍵（K1）所產(chǎn)生的脈沖信號作為 D觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖。而“風種” 部分電路的觸發(fā)脈沖 CP則是由“風速” （K1）、“風種” （

40、K2）按鍵的信號和空調(diào)工作狀態(tài)信 號（設ST為空調(diào)工作狀態(tài)，ST=0停，ST=1運轉(zhuǎn)）三者組合而成的。當空調(diào)處于停止狀態(tài)（ST=0） 時，按K2鍵無效，CP信號將保持低電平；只有按 K1鍵后，CP信號才會變成高電平，空調(diào) 也同時進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)（ST=1）。進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)后，CP信號不再受K1鍵的控制，而是由 K2鍵 所控制。由此，我們可列出如表7.5.1所示的CP信號狀態(tài)表，并可得到其輸出邏輯表達式：cp =kST K2ST（式中K1為風速鍵的狀態(tài)，K2為風種鍵的狀態(tài)）由于ST信號可由“風速”電路輸出的三個信號組合而成。因而從表7.5.2所示的ST信號狀態(tài)表可得ST = Q0QlQ2當ST=0時，

41、表示空調(diào)停轉(zhuǎn)。當ST=1時，表示空調(diào)運轉(zhuǎn)。最終，可以得到cp的邏輯表達式CP = K1QoQiQ2 * （QqQ路）。這三個輸出端與指示空調(diào)轉(zhuǎn)速狀態(tài)的三個端子不同，還需要考慮“風種”的不同選擇方 式。如果用1表示某檔速度的選通，用 0表示某檔速度的關斷，那么“風種”信號的輸入就使得某檔電機速度被連續(xù)或間斷地選中，例如風種選擇“自然”風，風速選擇“中”時，電機將運行在中速并開“ 4秒”?！?秒”，反映到面板上為 L2和L5燈亮。表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速控制端“中”上就是出現(xiàn)連續(xù)的 1狀態(tài)或間斷的1和0狀態(tài)。4、風種模式的產(chǎn)生在風種選擇之后，信號通過74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇芯片，輸出需要的信號，正常狀態(tài) 用

42、高電平即可，自然狀態(tài) T=8s的脈沖信號可借助 555芯片產(chǎn)生方波，圖 7.5.4是相應參考 電路，至于睡眠狀態(tài)中周期為 16s的開8秒停8秒，可將上述信號經(jīng)過 74LS74進行二分頻 產(chǎn)生。:555 TIME? RATED：T=8s的方波信號圖7.5.4方波信號產(chǎn)生電路7.5.5參考電路根據(jù)題目的具體要求，空調(diào)邏輯控制電路圖如圖7.5.5所示。電路圖7.5.5可以從以下幾個部分予以說明：1、狀態(tài)鎖存器電路“風速”、“風種”兩種狀態(tài)鎖存器電路均采用三片74LS74 （可考慮用二片 4D觸發(fā)器74LS175替代）構(gòu)成，6個D觸發(fā)器的輸出端分別與三個狀態(tài)指示燈相連。每片74LS74的清零端（CLR

43、均與停止鍵（K3）相連。2、觸發(fā)脈沖電路鍵K1按動后形成的觸發(fā)信號作為“風速”狀態(tài)鎖存電路的觸發(fā)信號。鍵K1、K2及部分門電路74LS00、74LS08構(gòu)成了 “風種”狀態(tài)電路觸發(fā)信號CR空調(diào)停轉(zhuǎn)時，ST= 0, K1=0,故圖7.5.5中與非門U2輸出為高電平，U3輸出也為高電平，因而 U4輸出的CP信號為低電平。當按下K1鍵后，K1輸出高電平，U2輸出低電平，故 CP變?yōu)楦唠娖?，并使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，“風種”功能處于“正?！睜顟B(tài)。同時，由于 K1鍵輸出的上升沿信號，也使“風速”電路的觸發(fā)器輸出處于“弱”狀態(tài)，空調(diào)開始運轉(zhuǎn)，ST= 1?？照{(diào)運轉(zhuǎn)后，U2輸出始終為高電平，這樣 CP信號與K2的狀態(tài)

44、相同。每次按下 K2并釋放后，CP 信號上就會產(chǎn)生一個上升沿使“風種”狀態(tài)發(fā)生變化。在工作過程中，CP的波形圖如圖7.5.6所示。在實驗時，可選用實驗箱中的單次脈沖開關表示K1、K2。tit中軍申L3 L2 LI 弱中強 合留為 74LS08L6L5 L4正常自饌唾聯(lián)74LS0ESP風種部分116風速部分01011IA.0 -J ；&74LS74-inLLT4LS1J1 ""u bl K Cd B>i bl Ba W&及74LSJ8KI -_JT_E2 "-"LT圖 7.5.574LS241STKIK2CP圖7.5.6CP的波形圖3

45、、“風種”三種方式的控制電路在“風種”的三種選擇方式中，在“正常”位置時，空調(diào)為連續(xù)運行方式，在“自然”和“睡眠”位置時，為間斷運行方式。電路中，采用74LS151 （8選1數(shù)據(jù)選擇器）作為“風種”方式控制器，由兩片 74LS74（或1個74LS175）的三個輸出端選中其中的一種方式。間 斷工作時，電路中用了一個8秒計時周期的時鐘信號作為“自然”方式的間斷控制，二分頻 后再作為“睡眠”方式的控制輸入，波形如圖7.5.7所示。正常I I . I I I I . I 口圖7.5.7 “風種”三種工作方式波形7.5.6 電路擴展提示采用數(shù)字電路控制的空調(diào)功能更加豐富，也更加人性化，本題目所給出的功能

46、設計要求只是空調(diào)的基本功能之一，讀者可通過觀察新款空調(diào)的功能來擴充電路設計，如定時功能、室內(nèi)外溫度顯示功能、溫度設定功能等，還可根據(jù)考察發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有空調(diào)控制的弊端，通過設計進行改進并模擬展示相應功能。7.6 病床呼叫系統(tǒng)7.6.1 設計原理臨床求助呼叫是傳送臨床信息的重要手段，病房呼叫系統(tǒng)是病人請求值班醫(yī)生或護士進行診斷或護理的緊急呼叫工具，可將病人的請求快速傳送給值班醫(yī)生或護士，并在值班室的監(jiān)控屏幕上留下準確完整的記錄，是提高醫(yī)院和病房護理水平的必備設備之一。呼叫系統(tǒng)要求及時、準確、可靠、簡便可行、利于推廣。監(jiān)控機構(gòu)一般放置在護士值班室內(nèi)，當病床有呼叫請求時進行聲光報警，并在顯示器上顯示病床的位

47、置。呼叫源（按鈕）放在病房內(nèi)，病人有呼叫請求時，按下請求按鈕，向值班室呼叫，并點亮呼叫指示燈。監(jiān)控機構(gòu)和呼叫源之間通過數(shù)據(jù)線連接在一起。本實驗要求運用數(shù)字邏輯的基本知識來設計一個模擬系統(tǒng)，通過各類芯片的組合來實現(xiàn)該系統(tǒng)的基本功能，完成各項操作。病床呼叫系統(tǒng)能對5 張病床進行統(tǒng)一監(jiān)護，能夠?qū)Σ煌瑑?yōu)先級的呼叫進行優(yōu)先響應處理，對發(fā)出呼叫的病床有燈進行提示，還能顯示優(yōu)先級最高的呼叫號，并發(fā)出5 秒的呼叫聲（用一個閃爍的指示燈模擬），當護士接收到信號，按下復位鍵時顯示管被清零。通過對實驗的要求分析，可以將電路大致分為四大模塊，觸發(fā)清零模塊、編碼及譯碼器譯碼模塊、濾除優(yōu)先級及顯示模塊、計數(shù)器 5 秒警報

48、模塊，通過對四大模塊的整合，即可基本達到實驗要求，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。7.6.2 設計任務和要求用中小規(guī)模集成電路設計病床呼叫系統(tǒng)邏輯電路，具體要求如下：分別用15個開關模擬5個病房的呼叫輸入信號，5個呼叫優(yōu)先級不同；用一個數(shù)碼管顯示呼叫信號的號碼；沒信號時顯示0；有多個信號呼叫時，顯示優(yōu)先級最高的呼叫號（其他呼叫用指示燈顯示）；凡有呼叫發(fā)出5秒的呼叫聲（可通過 LED燈5秒閃爍模擬）；當護士接收到信號，按下復位鍵時數(shù)碼管被清零，而且不能影響下次呼叫的進行。7.6.3 可選用器材1 . 數(shù)字邏輯實驗箱1 臺2 .+5v 直流電源3 74LS1481 片74LS1611 片74LS743 片74LS3

49、21 片74LS001 片74LS081 片74LS041 片7.6.4 設計方案提示如圖7.6.1所示，該系統(tǒng)被分為三大部分：左邊方框是病房的呼叫輸入端，包括 5個呼叫按鈕；右邊方框為護士房的呼叫處理端，包才5個指示燈、一個數(shù)碼管顯示器和一個響應復位開關；中間是優(yōu)先級編碼和計數(shù)功能模塊。即:病房輸入輸入圖7.6.1病床呼叫系統(tǒng)設計框圖1、開關控制及指示燈顯示部分人優(yōu)先編數(shù)功能5個年關輸入以后可以經(jīng)5個D觸發(fā)器輸入到柳徐低護士房的呼叫按筆從74LS148, 5位端尤先級1到5開關鏈接到相應的指示燈。的顯示則需要優(yōu)先褊碼器來實現(xiàn)輸開關直接控制指示燈亮，而更高一級響應開關優(yōu)先編碼模塊的邏輯電路圖如

50、圖7.6.2所示。圖7.6.2優(yōu)先編碼模塊邏輯電路圖如圖7.6.2 ,時鐘端單獨接脈沖 （10HZ）; 5個開關輸入連接到優(yōu)先編碼器的 8個輸入端 的其中5個即可，分別為I1, ; I2; I3 ; I4; I5 ,經(jīng)過74LS148的優(yōu)先級選擇后從 A0; A1; A2輸出到數(shù)碼管顯示電路顯示病床號。表7.61給出了 74LS148輸入對應輸出的真值表。表7.6.174LS148輸入對應輸出真值表輸入輸出6N5N4N3N2NA2NA1NA0NXXXXXXXXX0010XXX01011XX011100X0111101011111103、5秒閃爍呼叫模擬部分5秒閃爍呼叫模擬部分邏輯電路圖如圖7.

51、6.3所示。圖7.6.3模5計數(shù)器用開關控制脈沖的輸入：5個開關依次連入或門，脈沖再與開關部分連入與門，再將可控制的脈沖接入74LS161的脈沖輸入端，實現(xiàn)當K1-K5任意一個或多個為高電平時有脈沖輸入到74LS161中，全部為低電平時沒有脈沖輸入。為了實現(xiàn)指示燈閃爍5秒當QdQcQbQa為0101時我們把QaQ淵接至與非門再連接至 T端，實現(xiàn)模5計數(shù)器，使計數(shù)器可以保持在 0101,再將QaQc接入的與非門與可控脈沖連接到與門，這樣可以保證QdQcQbQ抓0000到0101每變一次指示燈閃爍一下，共閃爍5次后停止閃爍。7.6.4所示。7.6.5參考電路將上述各功能模塊綜合起來，便得到了整個系

52、統(tǒng)的邏輯電路圖，如圖圖7.6.4參考電路7.6.6電路擴展提示本實驗的任務要求相對較簡單，讀者可以根據(jù)實際的病床呼叫系統(tǒng)對實驗內(nèi)容進行擴展，如增加時鐘電路，可實現(xiàn)對各個呼叫源呼叫等待時間的實時顯示、呼叫次數(shù)的統(tǒng)計顯示等， 還可根據(jù)自己的觀察，增加實用的功能。7.7 十翻二運算電路設計7.7.1 設計原理人們在向計算機輸送數(shù)據(jù)時，首先要把十進制數(shù)變成二 -十進制數(shù)即BC加，運算器在接收到二-十進制數(shù)后，必須要將它轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)才能參加運算。這種把十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的過程稱為“十翻二”運算。例如：238十一 0010 , 0011, 1000 bc 11101110二十翻二：運算的過程可以由下式看出：238=（0*10+2）*10+3*10+8這種方法歸納起來，就是重復這樣的運算：N*10+S-N （7.7.1 ） 其中N為現(xiàn)有數(shù)（高位數(shù)），S為新輸入數(shù)（較N低一位的數(shù)），N的初始值取0,二十進制 數(shù)碼是由高位開始逐位輸入的， 每輸入一位數(shù)