四位LED顯示器動(dòng)態(tài)掃描電路

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《數(shù)字電路》課程設(shè)計(jì)

四位LED動(dòng)態(tài)掃描設(shè)計(jì)

目錄

1前言（引言）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,電器設(shè)備的輸出顯示技術(shù)也變得繁雜多樣,諸如CRT顯示、LCD顯示、多位LED顯示及發(fā)光二極管顯示等應(yīng)運(yùn)而生。在這些顯示當(dāng)中,LED及發(fā)光二極管顯示電路較為簡單,成本也較低,在功能單一的儀器儀表與機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用較廣。但當(dāng)設(shè)備顯示的點(diǎn)或位較多時(shí),就需要采用一定的驅(qū)動(dòng)電路與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。

通過我們所學(xué)的數(shù)字電路，模擬電路，設(shè)計(jì)一個(gè)電路，實(shí)現(xiàn)一些功能。此次設(shè)計(jì)鍛煉我們的動(dòng)手能力，解決問題的能力！

2設(shè)計(jì)任務(wù)及方案論證

用四位編碼開關(guān)編碼，將編出來的數(shù)字（0~9）以動(dòng)態(tài)掃描的形式顯示在LED數(shù)碼管上，

并且能夠調(diào)理掃描頻率。

1.通過編碼開關(guān)，編出0000~9999的數(shù)字。

2.通過兩個(gè)四選一的選擇開關(guān)（74LS153），選擇輸出位數(shù)。3.將選擇輸出的四位進(jìn)行排序，接入數(shù)碼管譯碼器（C4511）。4.將對(duì)應(yīng)的編碼通過譯碼器顯示在數(shù)碼管上。5.由于要求動(dòng)態(tài)掃描：

接入一個(gè)時(shí)鐘脈沖。產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖需要接入555多些振蕩器。產(chǎn)生的CP脈沖，通過計(jì)數(shù)器產(chǎn)生00~11的二進(jìn)制數(shù)。

兩位二進(jìn)制數(shù)與四選一選擇開關(guān)和2—4的計(jì)數(shù)器同步，產(chǎn)生1110,1101,1011,0111的四

位二進(jìn)制數(shù)作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電壓。

將設(shè)計(jì)的電路，經(jīng)過理論計(jì)算，做出電路板，進(jìn)行調(diào)試，從而來驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的真確性。

3電路設(shè)計(jì)原理與試驗(yàn)電路

3.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

利用數(shù)字集成電路（如：74LS353、48、139、393，NE555等）和分立元件設(shè)計(jì)一

個(gè)四位LED顯示器動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路。（1）基本要求

①顯示范圍：0000～9999；

②顯示方式：LED顯示；③掃描頻率：1Hz~1000Hz連續(xù)可調(diào)；④可預(yù)置數(shù)：0000～9999。（2）發(fā)揮部分

①掃描頻率：1Hz~1000Hz連續(xù)可調(diào)；②自制符合要求電源。3.2設(shè)計(jì)方案

通過編碼開關(guān)對(duì)0到9的數(shù)字進(jìn)行編碼，送入四選一的選擇器（74LS153），通過由

低位到高位的排序，將選擇的數(shù)字傳入到譯碼器（74HC4511）中，并通過輸出中間級(jí)使其數(shù)據(jù)傳送到LED七段數(shù)碼顯示管。為了控制數(shù)碼顯示管的顯示位數(shù)，需要用一個(gè)譯碼器（74LS139）來控制好輸出電平，我們選用低電平。這里計(jì)數(shù)器采用555定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生CP脈沖，脈沖占空比和頻率用雙鏈電位器調(diào)理，產(chǎn)生的CP脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生00，01,10,11的數(shù)字，這里的數(shù)字進(jìn)入四選一和譯碼器（74LS139）同步端，進(jìn)而是電路能夠正常工作。尋常的4位LED顯示器按連接方式不同可分為共陽極LED與共陰極LED，我們采用共陰極。其電路特性基本一致：發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降為1.2V～1.8V、正向工作電流為2mA～15mA。在顯示驅(qū)動(dòng)方式中，采用動(dòng)態(tài)掃描。當(dāng)掃描到n1～n4公共端時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)應(yīng)輸出a～dp的顯示段，LED就能正常顯示。各元件圖如下：

3.3單元模塊

3.3.1編碼開關(guān)

編碼開關(guān)是四個(gè)的分立元件組成，由于編碼出來的數(shù)字是0到9之間，即二進(jìn)制代碼需要四位，為0000到1001。考慮為高電平有效，需要注意的是8421碼在輸出端懸空時(shí)為高電平，所以，需要每位接一個(gè)下拉電阻，其值在需考慮功耗和置零效果，大致在幾百到幾千歐。

3.3.2四選一計(jì)數(shù)器

要達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描，在編碼開關(guān)輸出端需要對(duì)編碼進(jìn)行選擇處理。從編碼開關(guān)輸出的值，依照二進(jìn)制代碼表示出來，就是每一個(gè)編碼開關(guān)的低位接在一個(gè)四選一的一邊，每個(gè)編碼開關(guān)的其次位接在另一邊，一個(gè)編碼開關(guān)有兩個(gè)四選一計(jì)數(shù)，一共需要兩個(gè)依次接第三個(gè)，第四個(gè)。注意，這里的選擇器兩個(gè)使能端A，B與計(jì)數(shù)器的同步性。3.3.3七段顯示譯碼器

為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七字符顯示器，或稱做七段數(shù)碼管。所以要采用相應(yīng)的譯碼器對(duì)選擇的碼源進(jìn)行處理，這里我們采用

74HC4511,元件圖其上，功能表如下：

請(qǐng)參見《數(shù)字電路（第五版）》151頁。3.3.4共陰極四位LED數(shù)碼顯示管

半導(dǎo)體數(shù)碼管BS201的的每個(gè)線段都是一個(gè)發(fā)光二極管（LED）。因此，也把它叫做LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管不同，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度很高。當(dāng)外加正電壓時(shí)，大量的電子和空穴在擴(kuò)散的過程中復(fù)合，其中一部分電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，把多余的能量以光的形式釋放出來，便發(fā)出一定可見光。

對(duì)于共陰極的數(shù)碼管只有當(dāng)其輸入端輸入高電平日二極管才會(huì)發(fā)光；而共陽極的數(shù)碼管只有當(dāng)輸入端輸入低電平日二極管才會(huì)發(fā)光。共陰極內(nèi)部每個(gè)發(fā)光二極管的陰極被接在一起，成為該各段的公共選通線；發(fā)光二極管的陽極則成為段選線。假使要顯示某個(gè)數(shù)字只需相應(yīng)選中對(duì)應(yīng)的段選線。對(duì)于共陽極數(shù)碼管，則正好相反，內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極接在一起，陰極成為段選線。這兩種數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式是不同的。當(dāng)需要點(diǎn)亮共陽極數(shù)碼管的一段時(shí)，公共段需接高電平、該段的段選線接低電平，從而該段被點(diǎn)亮。當(dāng)需要點(diǎn)亮共陰極數(shù)碼管的一段時(shí)，公共段需接低電平,該段的段選線接高電平，該段被點(diǎn)亮。這里我們選擇共陰極。半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用TTL或CMOS集成電路直接驅(qū)動(dòng)。為此，就需要使用顯示譯碼器將BCD代碼譯成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以便使數(shù)碼管用十進(jìn)制數(shù)字顯示出

BCD代碼所表示的數(shù)值。但需要注意的是，采用數(shù)碼管時(shí)，需要考慮管子做能承受的最大電流，最大電壓。正常工作時(shí)，額定電壓5V，額定電流10mA。經(jīng)計(jì)算，需要加一個(gè)保護(hù)電阻，取實(shí)際有的電阻為510歐。3.3.5二進(jìn)制譯碼器

由于電路要達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描，就需要選擇哪一位數(shù)碼管顯示。共陰極數(shù)碼管要達(dá)到顯示的目的，其公共端就應(yīng)當(dāng)有下拉的驅(qū)動(dòng)電流，即低電平有效。

常見的集成二進(jìn)制譯碼器有CMOS（如74HC138）和TTL（如74LS138）的定型產(chǎn)品，兩者在規(guī)律功能上沒有區(qū)別，只是電性能參數(shù)不同，用74x138表示兩者中任意一種。74x139是雙2線-4線譯碼器，兩個(gè)獨(dú)立的譯碼器封裝在一個(gè)集成芯片中，其中之一的規(guī)律符號(hào)如圖。詳情參見《數(shù)字電路（第五版）》144頁。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，還需要考慮數(shù)碼管的灌電流進(jìn)入該編碼器時(shí)，能不能承受此電流，假使不能，則需要添加三極管和飽和電阻。如圖，由參考數(shù)據(jù)可得，74LS139不能承受該灌電流，因此，需要用到PNP管（低電平有效）及電阻。電阻的選擇還需考慮添加電阻后，所得到的電流能不能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，因此，飽和電阻大致選為1K。3.3.6555定時(shí)計(jì)數(shù)器

555構(gòu)成多諧振蕩器工作可靠，調(diào)理便利，在信號(hào)產(chǎn)生、工業(yè)控制、電源變換、仿聲等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但其振蕩頻率不能太高，一般不超過幾百千赫茲；且其頻率穩(wěn)定性較差，易受電源波動(dòng)、溫度變化等影響。

在電路工作時(shí)，需要輸出訪能端對(duì)其集成塊進(jìn)行控制。由555定時(shí)器組成的多些振蕩器，長生一個(gè)CP脈沖，其占空比和頻率可調(diào)（詳情參見《數(shù)字電路（第五版）》422頁）。產(chǎn)生的CP脈沖進(jìn)入一個(gè)自動(dòng)計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生代碼為00,01,10,11.該計(jì)數(shù)器由74LS74集成塊中兩個(gè)D觸發(fā)器組成的T~觸發(fā)器。產(chǎn)生的數(shù)字接入四選一的兩個(gè)使能控制端和二進(jìn)制譯碼器的輸入端，因此，可以使電路在整體上同步。

4.數(shù)值分析

4.1編碼卡開關(guān)處電阻計(jì)算。由于要保證輸出端有高低電平，不能讓不編碼的輸出端懸空，

否者始終為高電平，所以必需接入下拉電阻，我們選擇的1.6K的電阻。

4.2數(shù)碼管的保護(hù)電阻計(jì)算。由數(shù)碼管的參數(shù)可得，最大電流15mA，額定電流10mA，輸入電壓5V，經(jīng)過R=U/I得R為500歐，選擇電阻510歐。

4.3三極管飽和電阻。為了保證能夠驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，又不至于燒壞三極管，其選擇的飽和電阻為一個(gè)范圍，我們選擇的1K的電阻。

4.4555多些振蕩器計(jì)算。由于要求頻率在1~1000KHz連續(xù)可調(diào)，由現(xiàn)有的器件可以假設(shè)電容為1μF，則由公式f=1.43/（R1+R2）C計(jì)算得，R1=R2=500Ω,當(dāng)雙鏈電位器不接入電路時(shí)，計(jì)算可得此時(shí)的f=1401.96Hz。當(dāng)完全接入雙鏈電位器，為了滿足最低頻率f=1Hz，計(jì)算可得電位器為7150Ω，但實(shí)際沒有該值的電位器，選擇1M仍能滿足要求，此時(shí)最低頻率為0.715Hz。

5.電路板的制作及電路焊接與調(diào)試

5.1電路板的制作

電路板制作過程可分為：制作原理圖（DDB文檔），生成網(wǎng)絡(luò)表（即元件清單），生成PCB板，打印油印電路圖，電路板打孔，將油印電路圖印在PCB板上，腐蝕。

在制作電路圖的時(shí)候，會(huì)用到很重要的一款軟件——Protel99SE。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程規(guī)律器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì)32個(gè)信號(hào)層，16個(gè)電源--地層和16個(gè)機(jī)加工層。

電路板的制作可分為：(1)電路原理設(shè)計(jì)部分（AdvancedSchematic99）：電路原理圖設(shè)計(jì)部分包括電路圖編輯器（簡稱SCH編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫的各種報(bào)表。（2）印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（AdvancedPCB99）：印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡稱PCB編輯器）、零件封裝編輯器（簡稱PCBLib編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。（3）自動(dòng)布線系統(tǒng)（AdvancedRoute99）：本系統(tǒng)包含一個(gè)基于形狀（Shape-based）的無柵格自動(dòng)布線器，用于印刷電路板的自動(dòng)布線，以實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。5.2電路的安裝

用電烙鐵將分立的元件依照電路圖安裝。由于我們制作的是雙面板，所以在焊接的時(shí)候，因該注意焊盤與與原件的連接性能，還要細(xì)心檢查電路的板連線的可通性能，這才能保證電路能夠正常工作。5.3電路測(cè)試

電路模擬仿真系統(tǒng)（AdvancedSIM99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個(gè)數(shù)字/模擬信號(hào)仿真

器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以便對(duì)電路原理圖進(jìn)行信號(hào)模擬仿真，從而驗(yàn)證其正確性和可行性。

在對(duì)電路進(jìn)行了仿真軟件測(cè)試，還需要對(duì)制作好的成品進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，看能不能實(shí)現(xiàn)所要求的功能。在檢查電路時(shí)，靈活使用萬用表，檢查電路是否導(dǎo)通，檢查元件是否能夠正常工作，檢查整個(gè)電路的完整性。若不能正常工作，找出原因，解決問題，也可請(qǐng)教老師.5.4元件安裝完成的測(cè)試

在模擬系統(tǒng)中測(cè)試后還需要對(duì)實(shí)際做成的電路板進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試原則：先測(cè)試電源部分是否形成通路，包括所有集成塊的工作電壓端。在測(cè)試了電源都接通后，依照原理分析，當(dāng)前一個(gè)元件加上一工作電壓后，對(duì)應(yīng)的集成塊的某個(gè)引腳應(yīng)當(dāng)為高低電平進(jìn)行一個(gè)一個(gè)的引腳測(cè)試。在測(cè)試過程中，注意檢查是否有線路的短接，過孔是否都接通，雙面板的焊盤處是否接通。

我們測(cè)試過程中遇到集成塊損壞，線路短接，過孔不通，雙面板有些引腳只焊接了一面，掃描頻率過低的問題，都一一解決。

安裝完成后，加上工作電壓后，測(cè)得電路的最高工作頻率為f1=1408.45Hz（此時(shí)工作周期每格200ms，6.1格，占空比50%，工作電壓4.64V）,最低工作頻率為f2=0.82Hz（此時(shí)工作周期每格500,1.42格，占空比46%，工作電壓4.72V）。

6.結(jié)論

通過這次電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們把握了設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電路的基本方法和基本步驟，實(shí)際解決了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，加強(qiáng)了尋覓問題，解決問題的能力。此次電子設(shè)計(jì)的成功不僅幫助我們更好地把握書本知識(shí)，特別重要的是加強(qiáng)了我們的自信，培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考的能力！當(dāng)自己不懂的時(shí)候，自己能夠通過自學(xué)，例如制圖軟件Protel99SE的學(xué)習(xí)，數(shù)字電路的全面學(xué)習(xí)，通過老師，能深刻理解各元件的，各種電路，各種編碼和譯碼功能，計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)是怎么實(shí)現(xiàn)的，這都有利于我們?cè)趯I(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和穩(wěn)定。

7.

附件

元件參數(shù)SR*20302元件序列8SEG-LED1元件封裝0.5INCH-DISP元件類型四位LED數(shù)碼管1μF1μF74LS15374HC451174LS139NE55574LS74POT