《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書-彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書-彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書-彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì)目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2摘 要21方案設(shè)計(jì)31.1、方案比較41.1.1方案一：41.1.2方案二：41.1.3方案三：51.2方案選擇52 單元電路的設(shè)計(jì)52.1主要芯片62.1.1十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS16062.1.2 移位寄存器74 LS19462.1.3 LED顯示數(shù)碼管72.2 自然序列循環(huán)發(fā)生器82.3 奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器102.4 偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器112.5 音樂序列循環(huán)發(fā)生器12

2、2.6 循環(huán)控制電路132.7二分頻器142.8 振蕩脈沖發(fā)生器152.9 復(fù)位電路163 總體電路及工作原理173.1 總體電路圖173.2 工作原理174 仿真結(jié)果184.1二分頻器184.2脈沖信號(hào)發(fā)生電路仿真194.4 總電路仿真215 體會(huì)及總結(jié)21附錄22元件清單22參考文獻(xiàn)23課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：通信0804指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院題 目: 彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì) 初始條件：Multisim仿真軟件,74LS160十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，74LS194移位寄存器，D觸發(fā)器，數(shù)碼顯示管，參考資料等。要求完成的主要任務(wù): （1）以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件

3、，它能自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號(hào)數(shù)列），然后由依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列.，如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。（2）打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零。（3）每個(gè)數(shù)字的一次顯示時(shí)間基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。指導(dǎo)教師簽名： 2010年 6月 30日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘 要由于中，大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，使得數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性的變化。在設(shè)計(jì)中更多的使用中。大規(guī)模集成電路，不僅可以減少

4、電路組件的數(shù)目，使電路簡(jiǎn)捷，而且能提高電路的可靠性，降低成本。彩燈是一束束用導(dǎo)線連接起來的并聯(lián)燈泡，當(dāng)接通電源后，彩燈就會(huì)工作，但里面可能是由編程或非編程的電路控制燈泡的運(yùn)作的，譬如實(shí)現(xiàn)音樂彩燈、閃爍、循環(huán)、時(shí)控等功能，數(shù)列的產(chǎn)生可以通過計(jì)數(shù)器和邏輯門實(shí)現(xiàn)，而循環(huán)則需要用到時(shí)序電路控制，如觸發(fā)器等，而最后可以用邏輯門把幾個(gè)輸出接到同一個(gè)數(shù)碼管。關(guān)鍵詞:數(shù)列 計(jì)數(shù)器 觸發(fā)器 數(shù)碼管AbstractDue to the large scale integrated circuits, the rapid development of digital logic circuit, the desig

5、n that fundamental changes. Large-scale integrated circuits, not only can reduce the number of component circuit, the circuit is simple, and can improve the reliability of the circuit, and reduce cost. Lights are connected with wire bundles, when switching power supply parallel light bulb, lights wi

6、ll work, but may be by programming or programming circuit control bulb of operation, such as music lights, flash, realize functions such as circulation, they can produce, the sequence by counter and logic gates, and cycle is used to control the timing, such as ignitor and finally can use logic to ha

7、ndle some output received the same digital tube.1 方案設(shè)計(jì)隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到彩色霓虹燈。 LED 彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。彩燈是一束束用導(dǎo)線連接起來的并聯(lián)燈泡，當(dāng)接通電源后，彩燈就會(huì)工作，但里面可能是由編程或非編程的電路控制燈泡的運(yùn)作的，譬如實(shí)現(xiàn)音樂彩燈、閃爍、循環(huán)、時(shí)控等功能 這次的彩燈電路設(shè)計(jì)是要求是：（1）以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，它能自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)

8、列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號(hào)數(shù)列），然后由依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列.，如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。（2）打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零。（3）每個(gè)數(shù)字的一次顯示時(shí)間基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 彩燈電路有很多種方式可以實(shí)現(xiàn)。1.1、方案比較1.1.1方案一：利用單片機(jī)來設(shè)計(jì)彩燈循環(huán)顯示電路已經(jīng)成為主流，單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)時(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，只需一個(gè)簡(jiǎn)單的程序就可以完成復(fù)雜的功能，彩燈的各種漂亮的顯示都是有賴于單片機(jī)的快速發(fā)展和應(yīng)用，在我們的生活中單片機(jī)的應(yīng)用會(huì)越來越多，分量

9、會(huì)越來越重，各個(gè)方面都將有單片機(jī)發(fā)展的一席之地。下面是實(shí)現(xiàn)該功能的框圖： 圖1.1.1. 方案一原理框圖1.1.2方案二：圖1.1.2 方案二原理圖 74ls194構(gòu)成的數(shù)列循環(huán)這個(gè)電路圖實(shí)現(xiàn)循環(huán)主要是依靠74LS194的移位功能來完成的。先讓開關(guān)J1撥至與電源相接，就是接入高電平，這樣移位寄存器有了脈沖信號(hào)之后就可以實(shí)現(xiàn)置數(shù)的功能，四個(gè)輸出端為1000，再將開關(guān)J1撥至與地相接也就是接入低電平，這時(shí)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)移位的操作了，然后通過脈沖信號(hào)的觸發(fā)下，寄存器的輸出就可以從1000010000100001，這樣依次循環(huán)了。然后四個(gè)輸出端用來控制計(jì)數(shù)器的信號(hào)控制端就可以控制序列輸出了。1.1.

10、3方案三：數(shù)列的產(chǎn)生可以通過計(jì)數(shù)器和邏輯門實(shí)現(xiàn)，而循環(huán)則需要用到時(shí)序電路控制，如觸發(fā)器等，而最后可以用邏輯門把幾個(gè)輸出接到同一個(gè)數(shù)碼管。 利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160組成數(shù)列發(fā)生器，用移位寄存器74LS194組成控制電路。它的原理是:同步開關(guān)負(fù)責(zé)移位寄存器的置初值1000；D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)分頻作用；將自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列由最大值向最小值變化時(shí)，高位輸出的變化作為移位寄存器的觸發(fā)脈沖，再用移位寄存器的輸出分別控制各序列產(chǎn)生芯片的清零端，可實(shí)現(xiàn)電路的循環(huán)顯示功能。1.2方案選擇經(jīng)過比較，方案一需要很多的硬件知識(shí)和計(jì)算機(jī)編程，而且單片機(jī)電路我們了解的不是狠多，對(duì)于數(shù)字部分列舉了二個(gè)方

11、案，方案三較簡(jiǎn)便，僅利用一個(gè)芯片的邏輯功能就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示部分的功能，變化接法就可實(shí)現(xiàn)自熱序列。根據(jù)不同的接法可以實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)中的各個(gè)要求是較理想的選擇，所以我選擇了第三個(gè)方案。2 單元電路的設(shè)計(jì)2.1主要芯片2.1.1十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160的管腳圖（圖2.1.1.1）和功能表（圖2.1.1.2） 圖2.1.1.1 74LS160管腳圖 圖2.1.1.2 74LS160功能表2.1.2 移位寄存器74 LS194移位寄存器74LS194的管腳圖（圖2.1.2.1）和功能表（圖2.1.2.2）如下所示： 圖2.1.2.1 移位寄存器引腳圖圖2.1.2.2 移位寄存器

12、真值表2.1.3 LED顯示數(shù)碼管LED有共陰極和共陽極兩種。如圖所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個(gè)筆劃（段）ag，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻。下圖為LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖：圖2.1.3.1 高電平驅(qū)動(dòng)，共陰級(jí)圖2.1.3.2 低電平驅(qū)動(dòng)，共陽極2.2 自然序列循環(huán)發(fā)生器 自然序列循環(huán)發(fā)生器需要產(chǎn)生從0到9的數(shù)字，利用芯片74LS160十進(jìn)

13、制同步計(jì)數(shù)器，可設(shè)計(jì)出自然序列。 如下圖所示，自然序列循環(huán)發(fā)生器的電路圖（圖2.2.1）和真值表（圖2.2.2），由電路圖和真值表可以看到，此電路當(dāng)清零端、置數(shù)端、計(jì)數(shù)使能端CET、CEP都接高電平時(shí)，輸出端可以產(chǎn)生“0000”、“0001”、“0010”.“1001”、“0000”、“0001”.的循環(huán)序列，即產(chǎn)生了自然數(shù)列。 圖2.2.1 自然序列循環(huán)發(fā)生器電路圖 CLRLOADCETCEPAction on the rising clock edgeLXXX清零HLXX置數(shù)HHLX保持HHXL保持HHHH0000HHHH0001HHHH0010HHHH0011HHHH0100HHHH01

14、01HHHH0111HHHH1000HHHH1001HHHH0000圖2.2.2 自然序列循環(huán)發(fā)生器真值表2.3 奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器 奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器需要產(chǎn)生“1”、“3”、“5”、“7”、“9”的數(shù)字，此單元電路也可采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160. 在自然序列產(chǎn)生電路的基礎(chǔ)上，將數(shù)碼管的低位輸入接高便可得到奇數(shù)列產(chǎn)生電路。 如下圖所示，奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器的電路圖（圖2.3.1）和真值表（圖2.3.2）。 圖2.3.1 奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器電路圖CLRLOADCETCEPAction on the rising clock edgeLXXX清零HLXX置數(shù)HHLX保持HHXL保持HHHH000

15、1HHHH0011HHHH0101HHHH0111HHHH1001HHHH0001 圖2.3.2 奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器真值表此電路當(dāng)清零端、置數(shù)端、計(jì)數(shù)使能端CET、CEP都接高電平，數(shù)碼管的低位端接高電平時(shí)，輸出端可以產(chǎn)生“0001”、“0011”、“0101”、“0111”、“1001”、“0001”.的循環(huán)序列，即奇數(shù)列循環(huán)。2.4 偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器的電路圖（圖2.4.1）和真值表（圖2.4.2），如下圖所示 圖2.4.1 偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器電路圖CLRLOADCETCEPAction on the rising clock edgeLXXXResetHLXXLOADH

16、HLXNO changeHHXLNO changeHHHH0000HHHH0010HHHH0100HHHH1000HHHH0000HHHH0010HHHH0100 圖2.4.2 偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器真值表 此電路當(dāng)清零端、置數(shù)端、計(jì)數(shù)使能端CET、CEP都接高電平，數(shù)碼管的低位端接低電平時(shí)，輸出端可以產(chǎn)生“0000”、“0010”、“0100”、“0110”、“1000”、“0000”.的循環(huán)序列，即循環(huán)顯示偶數(shù)序列。2.5 音樂序列循環(huán)發(fā)生器 音樂序列循環(huán)發(fā)生器需要產(chǎn)生“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“0”、“1”的序列，此單元電路也采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS16

17、0. 音樂序列循環(huán)發(fā)生器的電路圖（圖2.5.1）和真值表（圖2.5.2），如下圖所示。 圖2.5.1音樂序列循環(huán)發(fā)生器電路圖CLRLOADCETCEPAction on the rising clock edgeLXXX清零HLXX置數(shù)HHLX保持HHXL保持HHHH0000HHHH0001HHHH0010HHHH0011HHHH0100HHHH0101HHHH0111HHHH0000HHHH0001HHHH0010HHHH0011 圖2.5.2 音樂序列循環(huán)發(fā)生器真值表此電路當(dāng)清零端、置數(shù)端、計(jì)數(shù)使能端CET、CEP都接高電平，數(shù)碼管的高位端接低電平時(shí)，輸出端可以產(chǎn)生“0000”、“0001

18、”、“0010”、“0011”、“0100”、“0101”、“0110”、“0111”、“0000”、“0001”.的循環(huán)序列，即循環(huán)顯示音樂數(shù)列。2.6 循環(huán)控制電路 如下圖所示，循環(huán)控制電路（圖2.6.1）、真值表（圖2.6.2），其原理是將移位寄存器置數(shù)為QAQBQCQC=1000，再讓寄存器實(shí)現(xiàn)右移功能，就能在QAQBQCQD得到“1000”、“0100”、“0010”、“0001”、“1000”.的循環(huán)，從而控制4個(gè)序列循環(huán)發(fā)生器的工作。將QA、QB、QC、QD分別接自然序列、奇數(shù)序列、偶數(shù)序列、音樂序列。 圖2.6.1 循環(huán)控制電路CLRS1S0ClockDCBAQAQBQCQDH

19、HH10001000HLH10000100HLH10000010HLH10000001HLH10001000. 圖2.6.2 循環(huán)控制電路真值表當(dāng)開關(guān)打在上面時(shí)，s1，s0都接高電平，開始置入“1000”序列，當(dāng)開關(guān)打在下面時(shí)，S1接低電平，S0接高電平，開始進(jìn)行右移位，且SR接QD可以完成循環(huán)移位，即100001000010000110002.7二分頻器圖2.7 二分頻器電路圖 在本實(shí)驗(yàn)中自然循環(huán)數(shù)列發(fā)生器由0，1，2，3，4，5，6，7，8，9變換和音樂數(shù)列循環(huán)發(fā)生器由0，1，2，3，4，5，6，7，0，1變換，而奇數(shù)列由1，3，5，7，9變換，偶數(shù)列由0，2，4，6,8變換，由任務(wù)要求可

20、知每次示數(shù)變換時(shí)間間隔相同，故采用分頻器。其中自然和音樂數(shù)列循環(huán)發(fā)生器的觸發(fā)頻率應(yīng)該時(shí)奇數(shù)偶數(shù)數(shù)列循環(huán)發(fā)生器的兩倍。 如下圖所示，這個(gè)分頻器（圖2.7）是由D觸發(fā)器構(gòu)成的，輸入端接輸出反向端，這樣就可以得到Qn+1=Qn，這樣就可以使輸出端的脈沖頻率變?yōu)檩斎攵祟l率的一半。 2.8 振蕩脈沖發(fā)生器 為了滿足電路的每個(gè)數(shù)字的一次顯示時(shí)間基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的條件，可由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，如下圖所示，振蕩脈沖發(fā)生器（圖2.8.1）根據(jù)每次脈沖時(shí)間是0.5s到2s連續(xù)變化，經(jīng)計(jì)算：接通電源后，電容C被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放

21、電BJT T導(dǎo)通，此時(shí)Vo為低電平，電容C通過R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為 tPL=0.7R2C當(dāng)C發(fā)電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容器C充電，Vc有1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時(shí)間為tPH=0.7(R1+R2+RL)C 當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期的方波，其頻率為 F=1.43/（R1+2R2+RL）*C 圖2.8 脈沖發(fā)生器電路圖2.9 復(fù)位電路由于設(shè)計(jì)要求打開電源時(shí)，控制器自動(dòng)清零，這可以由復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)。復(fù)位電路是一種上電壓自動(dòng)復(fù)

22、位電路，利用的是電容兩端的電壓不能突變的原理，當(dāng)打開電源時(shí)，復(fù)位信號(hào)保持在低電平，使控制器清零，隨著Vcc通過電阻R對(duì)電容的充電，使C兩端電壓逐漸升高，經(jīng)過一段時(shí)間后，復(fù)位信號(hào)才跨越邏輯閥值轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瓜到y(tǒng)開始正常工作。電路如下圖所示。 圖2.9 復(fù)位電路3 總體電路及工作原理3.1 總體電路圖 總體電路如下圖（圖3.1）所示： 圖3.1彩燈循環(huán)顯示控制電路3.2 工作原理 如上圖所示，彩燈循環(huán)電路的工作原理：由移位寄存器構(gòu)成的循環(huán)控制電路的QA、QB、QC、QD端分別接自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列產(chǎn)生電路的清零端便可實(shí)行控制功能 ，將寄存器的ABCD=1000，則可使QAQBQ

23、CQD=1000，不發(fā)生移位時(shí)只有自然序列工作。當(dāng)寄存器開始移位時(shí)QAQBQCQD可得到10000100001000011000.從而使四個(gè)序列依次循環(huán)工作。當(dāng)QAQBQCQD為1000數(shù)列時(shí)只有自然數(shù)列發(fā)生器（第一塊74LS160芯片）工作，其他的都清零，計(jì)數(shù)器QDQCQBQA由0000 000100100011010001010111在向1000跳變時(shí)，四輸入或非門的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，但循環(huán)控制器的脈沖觸發(fā)端是上跳沿有效，故不會(huì)移位，在繼續(xù)由1001向0000跳變的時(shí)候，四輸入或非門的輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑h(huán)控制器右移一位，在自然序列單元中顯示器顯示為對(duì)應(yīng)的0123456789

24、，此后奇數(shù)列發(fā)生器開始計(jì)數(shù)，其他芯片都清零，故顯示器的低位固定接接高電平，計(jì)數(shù)器輸出由1001到0000跳變時(shí)，四輸入或非門的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，但循環(huán)控制器的脈沖觸發(fā)端是上跳沿有效，故不會(huì)移位，在繼續(xù)由1001向0001跳變的時(shí)候，四輸入或非門的輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，循環(huán)控制器又右移一位，繼而控制偶數(shù)列循環(huán)發(fā)生，在奇數(shù)列單元中，顯示器示數(shù)為對(duì)應(yīng)的13579。偶數(shù)列循環(huán)發(fā)生器其原理與奇數(shù)列單元相似，當(dāng)循環(huán)控制器繼續(xù)移位后，音樂序列發(fā)生器開始工作，計(jì)數(shù)器依舊由0000011110001001計(jì)數(shù)，當(dāng)1001跳變?yōu)?000，循環(huán)控制移位，又控制自然序列單元由于奇數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器、偶數(shù)序列循

25、環(huán)發(fā)生器與自然序列循環(huán)發(fā)生器、音樂序列循環(huán)發(fā)生器的脈沖頻率要求不同，自然序列、音樂序列循環(huán)發(fā)生器的頻率是奇數(shù)序列、偶數(shù)序列循環(huán)發(fā)生器的一半，所以由D觸發(fā)器構(gòu)成分頻器將脈沖發(fā)生器的脈沖頻率減半，接到自然序列和音樂序列的脈沖輸入端。復(fù)位電路是一種上電壓自動(dòng)復(fù)位電路，利用的是電容兩端的電壓不能突變的原理，當(dāng)打開電源時(shí)，復(fù)位信號(hào)保持在低電平，使控制器清零，隨著Vcc通過電阻R對(duì)電容的充電，使C兩端電壓逐漸升高，經(jīng)過一段時(shí)間后，復(fù)位信號(hào)才跨越邏輯閥值轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，使系統(tǒng)開始正常工作。4 仿真結(jié)果4.1二分頻器圖4.1 二分頻電路仿真由上圖仿真結(jié)果可以看出，二分頻電路滿足本課設(shè)設(shè)計(jì)需要。4.2脈沖信號(hào)發(fā)生電路仿真圖4.2 脈沖信號(hào)發(fā)生電路仿真結(jié)果在輸出端得到一個(gè)周期的方波，其頻率為 F=1.43/（R1+2R2+RL）*C4.