第4章電子技術綜合設計_2

1、第第4 4章章 電子技術綜合設計電子技術綜合設計 v4.1 直流可調穩(wěn)壓電源設計v4.2 四路彩燈v4.3 八路搶答器v4.4 數(shù)字鐘v4.5 音樂教室控制室v 4.4 數(shù)數(shù) 字字 鐘鐘v數(shù)字鐘電路是一款經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路，它可以是一個簡單的秒鐘，也可以只計分和時，還可以計秒、分、時，分別為12小時制或24小時制，外加校時和整點報時電路。v本題目的設計要求為：v能計秒、分、時，且為24小時制；v能進行數(shù)字顯示；v分和時能夠校對；v實現(xiàn)整點報時功能，且四高一低。v4.4.1 核心器件74LS90簡介v本題目的核心器件是計數(shù)器。計數(shù)器的選擇很多，常用的有同步十進制計數(shù)器74HC160以及異步二、五

2、、十進制計數(shù)器74LS90。這里選用74LS90芯片。v74LS90的引腳圖如圖4-18所示。圖4-18 74LS90引腳圖v74LS90內部是由兩部分電路組成的。一部分是由時鐘CKA與一位觸發(fā)器Q0組成的二進制計數(shù)器，可計一位二進制數(shù)；另外一部分是由時鐘CKB與三個觸發(fā)器Q1、Q2、Q3組成的五進制異步計數(shù)器，可計五個數(shù)000100。如果把Q0和CKB連接起來，CKB從Q0取信號，外部時鐘信號接到CKA上，那么由時鐘CKA和Q0、Q1、Q2、Q3組成十進制計數(shù)器。vR0(1)和R0(2)是異步清零端，兩個同時為高電平有效；R9(1)和R9(2)是置9端，兩個同時為高電平時，Q3Q2Q1Q0=

3、1001；正常計數(shù)時，必須保證R0(1)和R0(2)中至少一個接低電平，R9(1)和R9(2)中至少一個接低電平。v74LS90的功能如表4-5所示。表4-5 74LS90的功能表R0(1) R1(2) R0(1) R1(2)Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 計 數(shù)v每個74LS90都應首先接成十進制計數(shù)器，如圖4-19所示。v74LS90內部原理如圖4-20所示，這是一個異步時序電路。圖中的S1、S2對應于集成芯片的6、7管腳，R1、R2對應于集成芯片的2、3

4、管腳，CP0對應于14管腳，CP1對應于12管腳，Q3、Q2、Q1、Q0分別對應于11、8、9、12管腳。圖4-19 74LS90接成的十進制計數(shù)器 JKCPQQJKCPQQJKCPQQJKQQ&SSCPRRCP1201120000111122222103333QQQQ0123SdRdCP3圖4-20 74LS90的內部原理 v 4.4.2 分步設計與仿真分步設計與仿真v1. 計時電路v計時電路共分三部分：計秒、計分和計時。其中計秒和計分都是60進制，而計時為24進制。難點在于三者之間進位信號的實現(xiàn)。v(1) 計秒、計分電路v個位向十位的進位實現(xiàn)。v用兩片74LS90異步計數(shù)器接成一個

5、異步的60進制計數(shù)器。所謂異步60進制計數(shù)器，即兩片74LS90的時鐘不一致。個位時鐘為1Hz方波來計秒，十位計數(shù)器的時鐘信號需要從個位計數(shù)器來提供。v進位信號的要求是在十個秒脈沖中只產(chǎn)生一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。只能從個位計數(shù)器的輸出端來提供，不可能從其輸入端來找。而計數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個信號，要么是其中一個，要么是它們之間的邏輯運算結果。v把個位的四個輸出波形畫出來，如圖4-21所示。 圖4-21 74LS90接成的個位計數(shù)器時序圖v由于74LS90是在時鐘的下降沿到來時計數(shù)，所以Q3正好符合要求，在十秒之內只給出一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。Q2雖然

6、也只產(chǎn)生一個下降沿，但產(chǎn)生的時刻不對。這樣，個位和十位之間的進位信號就找到了，把個位的Q3(11端)連接到十位的CKA(14端)上。v六十進制的實現(xiàn)。v當計秒到59時，希望回00。此時個位正好是計滿十個數(shù)，不用清零即可自動從9回0；十位應接成六進制，即從05循環(huán)計數(shù)。用異步清零法，當6出現(xiàn)的瞬間，即Q3Q2Q1Q0=0110時，同時給R0(1)和R0(1)高電平，使這個狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)的時間很短，被0取代。接線如圖4-22所示。 BWfBW(1)fAF f圖4-22 74LS90接成的60進制計數(shù)器 v當十位計數(shù)到6時，輸出0110，其中正好有兩個高電平，把這兩個高電平Q2和Q1分

7、別接到74LS90的R0(1)和R0(1)端，即可實現(xiàn)清零。一旦清零，Q2和Q1都為0，恢復正常計數(shù)，直到下次再同時為1。v計分電路和計秒電路是完全一致的，只是周期為1S的時鐘信號改成了周期為60秒即1分的時鐘信號。v秒向分的進位信號的實現(xiàn)v計秒電路的關鍵問題是找到秒向分的進位信號。當秒電路計到59秒時，產(chǎn)生一個高電平，在計到60時變?yōu)榈碗娖?，來一個下降沿送給計分電路做時鐘。v計分電路在計到59時的十位和個位的狀態(tài)分別為0101和1001，把這四個1與起來即可，即十位的Q2和Q0，個位的Q3和Q0，與的結果作為進位信號。使用74LS20串反相器構成與門，如圖4-23所示。圖4-23 計分電路的

8、時鐘信號v(2) 計時電路v用兩片74LS90實現(xiàn)二十四進制計數(shù)器，首先把兩片74LS90都接成十進制，并且兩片之間連接成具有十的進位關系，即接成一百進制計數(shù)器，然后在計到24時，十位和個位同時清零。計到24時，十位的Q1=1，個位的Q2=1，應分別把這兩個信號連接到雙方芯片的R0(1)和R0(2)端。如個位的Q2接到兩個74LS90的R0(1)清零端，十位的Q1接到兩個74LS90的R0(2)清零端。v計時電路的個位時鐘信號來自秒、分電路產(chǎn)生59分59秒兩個信號相與的結果，如圖4-24所示。圖4-24 24進制計時電路 計分和計時電路可以先單獨用秒脈沖調試，以節(jié)省時間。聯(lián)調時，可把秒脈沖的頻

9、率加大。圖4-25是一個連接好的簡單的無校時和報時的數(shù)字鐘電路。 圖4-25 具有秒、分、時的數(shù)字鐘電路 v 2. 校時電路v接下來把校時電路加上。校時電路主要完成校分和校時。選擇校分時，撥動一次開關，分自動加一；選擇校時時，撥動一次開關，小時自動加一。校時校分應準確無誤，能實現(xiàn)理想的時間校對。校時校分時應切斷秒、分、時計數(shù)電路之間的進位連線。v如圖4-27，虛框內是校時電路，由去抖動電路和選擇電路組成。圖4-27 校時電路v其中，計到59分的信號已有，如圖4-27中所示。只需把它和計秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報時的一個條件即可。見圖4-28，U17:A和U6:F組成的與門輸出即為報

10、時開始信號。v(2) 報時鎖存信號v用秒個位的計數(shù)器輸出進行四高一低的報時鎖存信號?，F(xiàn)在來分析一下5059秒之間秒個位的狀態(tài)。圖4-28 整點報時電路v秒個位： Q3Q2Q1Q0 v 0 0 0 0v 0 0 0 1v 0 0 1 0v 0 0 1 1v 0 1 0 0v 0 1 0 1v 0 1 1 0v 0 1 1 1v 1 0 0 0v 1 0 0 1v結合題目要求，通過這些狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，秒個位的和Q0邏輯與后，正好在秒個位計到1、3、5、7時產(chǎn)生高電平，0、2、4、6時產(chǎn)生低電平，可作低四聲報時的鎖存信號；秒個位的Q3和Q0邏輯與后，正好在秒個位為9時產(chǎn)生高電平，可作高音的報時鎖存信

11、號，這樣就產(chǎn)生了兩個報時鎖存信號。v(3) 報時v把上述分析得到的報時開始信號分別和兩個報時鎖存信號相與，產(chǎn)生兩路報時鎖存信號，如圖4-28，上面一路為高音報時鎖存，下面一路為低音報時鎖存。圖中左面三個與非門實現(xiàn)的是與或邏輯，前面已經(jīng)有介紹。圖4-31 差動放大器的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)測量電路v上下兩路報時鎖存信號分別與1kHz和500Hz的音頻信號(20Hz20kHz)相與或來驅動數(shù)字喇叭，實現(xiàn)整點報時功能。這里喇叭使用元件SOUNDER，它接收數(shù)字信號。v試時，把59分50秒這個報時開始信號直接用高電平取代，這樣比較省時。另外實際連接電路時，可用555定時器產(chǎn)生一個1kHz的方波，再經(jīng)

12、D觸發(fā)器二分頻得到500Hz的方波信號。計時電路的1Hz方波也可由555定時器產(chǎn)生，但由于標準電阻和電容值的選擇會帶來一些積累誤差，也可選用其他更精確的振蕩電路來實現(xiàn)。v圖4-29是完整的數(shù)字鐘電路圖。圖4-29 完整的數(shù)字鐘電路圖v4.5 音樂教室控制臺音樂教室控制臺v音樂教室控制臺并不是數(shù)字邏輯電路中很經(jīng)典的題目，但它主要用了可逆計數(shù)器和數(shù)據(jù)分配器，加強了數(shù)字組合邏輯電路中非常重要的兩個環(huán)節(jié)的應用。題目設計要求如下：v音樂教室分多個室，教師和學生不在同一個室，要求教師對學生通過語音進行課堂指導，可任意指定要指導的學生，也可按順序指導，共有學生40名。v教師所在的屋設有數(shù)碼顯示以顯示每個學生

13、的代號(0039)，并設有拔碼開關，可設置要單個指導的學生代號或輪流指導的初始學生代號。v單個指導時，指導時間由教師決定，輪流指導時時間可調。v輪流指導時，有正序和反序兩種方式。正序從N到39，再返回N；反序從N到N1，直到00，再返回N。v 4.5.1 核心器件核心器件74LS190簡介簡介v本題目所用到的核心器件是十進制可逆計數(shù)器74LS190(也可用4510)。74LS190的引腳圖如圖4-30所示。圖4-30 74LS190的引腳圖 vCLK時鐘上升沿到來時計數(shù)。計數(shù)方式有兩種，加計數(shù)和減計數(shù)。當=0時，加計數(shù)；當=1時，減計數(shù)。E為使能端，低電平有效。PL為異步預置數(shù)端，低電平時，把

14、D3、D2、D1、D0輸入端預設的數(shù)對應輸出到Q3、Q2、Q1、Q0中。TC和RCO都為終端計數(shù)輸出，前者輸出正脈沖，后者輸出負脈沖，分別為加計數(shù)計到90和減計數(shù)計到09時輸出脈沖。v4.5.2 題目分析與設計題目分析與設計v本題目采用兩片74LS90可逆計數(shù)器來計0039個數(shù)，采用四片74HC154(4-16)譯碼器作數(shù)據(jù)分配器，接40個發(fā)光二極管來模擬學生端收到的信號。本題只進行單向信息傳送，如果要實現(xiàn)雙向信息傳送，即教師也可聽到學生彈琴或視唱，則需另加其他電路，這里暫不考慮。v 1. 計數(shù)電路v計數(shù)電路是本題目設計的難點和重點，主要包括兩位十進制加減計數(shù)器的級連、預置數(shù)電路中撥碼開關的模

15、擬、手動置數(shù)和自動加、減計數(shù)電路的實現(xiàn)及顯示電路的設計。v(1) 計數(shù)器的級連v先不考慮預置這部分，把兩個74LS190連接成同步的100進制計數(shù)器，即把兩個芯片的時鐘接在一起，個位的計數(shù)終端輸出RCO接到十位的使能端E上，因為一個是09或90時輸出負脈沖，一個是輸入低電平有效，如圖4-31所示。圖4-31 計數(shù)器的連接v(2) 計數(shù)方式的連接v兩片74LS190應具有同樣的計數(shù)方式。所以應把二者的連接在一起，接到一個兩位開關上，當開關接高電平時，減計數(shù)；當開關接地時，加計數(shù)。v(3) 預置數(shù)端v預置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式，手動置數(shù)時，教師在置數(shù)電路中先置一個數(shù)，比如20

16、號學生，再把手動/自動預置數(shù)開關撥到低電平，直接使PL=0，把20裝入到計數(shù)器中，計數(shù)器不進行計數(shù)，一直保持目前狀態(tài)，直到PL=1為止。在這段時間內認為教師指導20號學生，表示該生接收信息的對應發(fā)光二極管會一直亮。v當自動置數(shù)時，又分加計數(shù)和減計數(shù)兩種情況。加計數(shù)時，從N計到40時，給出一個低電平信號使PL有效，裝入提前設置好的數(shù)N；減計數(shù)時，減到00后，再減一個數(shù)變成99，此時要產(chǎn)生一個低電平信號使PL有效，裝入提前設置好的數(shù)N，再接著進行減計數(shù)。v通過以上的分析，連接成如圖4-31所示的電路。雙聯(lián)開關同時用于選擇加/減計方式和加減計數(shù)時產(chǎn)生的不同的PL信號，反送給PL。v由于加計數(shù)時計到4

17、0返回N，所以只需把十位的Q2反相后給PL即可；減計數(shù)時減到00后是99，要99通過預置數(shù)變成N。十位為9，而加計數(shù)時十位最大為4不會計到9，所以可以用9來生成一個減計數(shù)時的預置數(shù)信號，而個位的9在加計數(shù)過程中并不會出現(xiàn)，所以不用。又因十位減計數(shù)時先9后8，所以為了省一根線，我們直接把十位的Q3經(jīng)反相器接到PL上，并不表示8，因為9時Q3也為1。v2. 撥碼電路v撥碼電路實際是由排電阻和排開關串聯(lián)組成的，前面搶答器電路中我們已經(jīng)用到了類似的電路。vProteus 中的8路排電阻位于RESISTOR類中的Resistor Packs子類中，8路排開關位于Switches & Relays

18、類中的Switches子類中。把排電阻和排開關一一串接后，開關一端接地，電阻公共端接5V電源，而中間的引出端分別接74LS190的預置數(shù)輸入端D0D3，如圖4-32所示。實際應用中的排阻取值為10k。圖4-32 撥碼電路v 3. 數(shù)據(jù)分配電路v這一部分電路完成學生端對教師信號的接收，并對應一一顯示。74HC154是4-16線譯碼器，但是它通過和使能端的配合能完成數(shù)據(jù)分配器的功能。v在教師的指導過程中，當學生的編號顯示出來的同時，對應的40個發(fā)光二極管中的某一個要點亮，表示該學生正在接收教師的指導。v把發(fā)光二極管接在74HC154的輸出端，把學生的編號接在74HC154的輸入端。因為學生的編號為

19、BCD碼，故譯碼輸出09有效，每個74HC154只能接10個發(fā)光二極管，如圖4-33所示。74HC154的兩個使能端E1和E2，一個用作片選信號，來自24線譯碼器74LS139；另一個接教師的模擬指導信號，用低電平表示有效。開關合上，信號有效；開關打開，信號無效。 圖4-33 74HC154接成的數(shù)據(jù)分配器電路v74HC154的BCD碼輸入端DCBA應該接學生編號的個位數(shù)Q3、Q2、Q1、Q0(來自計數(shù)器74LS190個位)，比如3，74LS139的二進制碼輸入端B、A應接學生編號的十位數(shù)的Q1、Q0(來自計數(shù)器74LS190十位)，因為學生編號的十位不大于3，只接低兩位即可。v圖中74LS1

20、39的輸入BA=11，74HC154的輸入DCBA=0011，教師信號E2=0有效，故此時數(shù)顯的數(shù)應該是33，而點亮的二極管應該是第33號。因為U9是第四片74HC154，它的發(fā)光二極管的編號應該是3039。其他三片的DCBA及E2應該分別和此片相應信號并聯(lián)，片選信號E1應分別接74LS139的Y0、Y1、Y2，二極管編號分別為0009、1019、2029、3039。v因為每個74HC154并排接十個發(fā)光二極管，所以這里的發(fā)光二極管也采用條狀LED顯示比較方便，它位于Optoelectronics類中的Bargraph Displays子類中。因為74HC154輸出低電平有效，所以要把LED-BARGARPH-RED左右鏡像(可點右鍵操作)后再連接。像這樣的多排水平等距連接，只需連接好第一根線，其他的連接只要在起始點雙擊鼠標左鍵即可實現(xiàn)，非常方便。另外，由于條狀LED顯示管腳上的編號分布較密，從74HC154向它連線如不方便，也可反過來從右到左連接，同樣可以使用剛才介紹的方便連線方法。v4. 定時電路v定時電路是指教師輪流指導學生時，指導時間的產(chǎn)生電路，即74LS190計數(shù)器的時鐘周期。因為時間要能調整，可以用55