數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計

1、1 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 工作單位：工作單位： 題題 目目: : 彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計 初始條件：初始條件： 74ls160 計數(shù)器、74hc390 計數(shù)器、74hc139 譯碼管、555 定時器、數(shù)碼管和必要的 門電路，以及電容電阻等基本模擬電路電子器件 ?？梢赃x用其他的計數(shù)器和集成電路， 但必須給出原理說明。 要求完成的主要任務(wù)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，它能自動地依次顯示出數(shù)字 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列） ，1、3、5

2、、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（音樂符號數(shù)列） ，然后 又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列.，如此周而復(fù)始，不斷 循環(huán)。 （2）打開電源時，控制器可自動清零。 （3）每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等，這個時間在 0.5s 到 2s 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)， 時間安排：時間安排： 第 19 周：理論講解 第 20 周：理論設(shè)計，實驗室安裝調(diào)試以及撰寫設(shè)計報告 第 21 周：答辯 地點：鑒主 15 樓通信實驗室一 指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 20092009 年年 7 7 月月 3 3 日日 系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（

3、或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日 2 摘摘 要要 這次的課程設(shè)計主要是用計數(shù)器來實現(xiàn)的，這個彩燈循環(huán)控制電路的實質(zhì)就是要 產(chǎn)生一系列有規(guī)律的數(shù)列，然后通過一個數(shù)碼管顯示出來。這里使用的只要就是計數(shù)器， 計數(shù)器在時序電路中應(yīng)用的很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進行計數(shù)，還可用于分頻， 定時，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他時序信號。運用計數(shù)器的不同的功能和不同的接發(fā)就可以 實現(xiàn)不同的序列輸出了。 而這次的內(nèi)容還包括分電路圖的整合，使這個彩燈循環(huán)顯示器能夠按照要求那個依 次輸出自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列還有音樂序列。為了實現(xiàn)這個循環(huán)輸出的功能， 在設(shè)計的時候還用到了一個以為寄存器，可以利用它的輸出端來控制四

4、個計數(shù)器的工作 情況，可以讓四個計數(shù)器依次工作，就可以達到要求的依次循環(huán)輸出數(shù)列。 最后還有一個部分就是脈沖的產(chǎn)生基于多諧振蕩器可以產(chǎn)生方波，就可以利用它來 產(chǎn)生脈沖信號了。而這個多諧振蕩器采用的是 555 定時器來完成的,另外,直接用脈沖信 號源提供方波。 這個設(shè)計基本上就是由以上三個部分連接在一起組成的。 3 abstract this time curriculum project is mainly realizes with the counter, this colored lantern cyclic control electric circuits essence is mu

5、st have a series of orderly sequences, then the nixietube demonstrates through. here uses, so long as is the counter, the counter the application is very widespread in the sequence circuit.iit not only may use to the pulse carries on the counting, but may also use in the frequency division, fixed ti

6、me, produces the metre pulse as well as other succession signal. and different met using the counter different function sends may realize the different sequence to output. but this time content also includes the power distribution road map the conformity, enables this colored lantern circulation mon

7、itor to defer to requests that to output the natural sequence in turn, the odd number sequence, the even number sequence also has music sequence. in order to realize this circulation output function, in design time also used one to think the register, might use its out-port to control four counters

8、the working conditions, might let four counters work in turn, might meet the requirements the circulation output sequence in turn. also has a part finally the pulse production may have the square-wave based on the multivibrator, might use it to produce the signal impulse. what but this multivibrator

9、 uses is 555 timers completes. this design basically is connects by the above three parts is being composed together. 4 目 錄 摘 要.2 1 整體電路方框圖.4 2 設(shè)計方案選擇.5 2.1 數(shù)列循環(huán)部分.5 2.2 數(shù)列顯示部分 .9 3 單元電路的設(shè)計及其原理.10 3.1 數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計.10 3.2 序列顯示電路的設(shè)計.11 3.2.1 十進制自然序列的顯示電路.11 3.2.2 奇數(shù)序列顯示電路.12 3.3 脈沖信號的產(chǎn)生電路.14 3.4 分頻電路的設(shè)計.

10、15 4 總電路圖的設(shè)計 .17 5 仿真結(jié)果及分析.19 6 心得與體會.21 7 元件清單.22 8 參考文獻.23 5 1 整體電路方框圖 自然序列奇數(shù)序列偶數(shù)序列音樂序列 譯碼器計數(shù)器 脈沖信號譯碼顯示 圖 1 基本方框圖 這個電路框圖可以實現(xiàn)設(shè)計的要求，依次輸出自然數(shù)列，奇數(shù)序列，偶數(shù) 序列還有音樂數(shù)列，各序列可通過同一芯片的不同接法實現(xiàn)，也可用不同芯片 實現(xiàn)， 而且還可以通過一個循環(huán)電路使之循環(huán)輸出，序列的輸出順序由譯碼器控制， 由數(shù)碼管輸出各序列，其顯示的間隔時間也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進 行調(diào)整，而脈沖信號可由脈沖產(chǎn)生電路實現(xiàn)，也可直接用脈沖信號源。 2 設(shè)計方案選擇 2

11、.1 數(shù)列循環(huán)部分 方案一 要讓四個數(shù)列依次循環(huán)則采用一個 2 線-4 線譯碼器和一個四進制計數(shù)器。 用譯碼器的輸出依次去控制芯片清零端，再通過一個四進制計數(shù)器去控制譯碼 器輸入，使其在四個輸出間不斷循環(huán)，而計數(shù)器的時鐘脈沖則可通過每個芯片 的進位端經(jīng)過一四輸入或門輸出來控制。其電路圖如圖 2： 6 圖 2 用譯碼器實現(xiàn)的循環(huán)電路 這個部分主要用到的是 74hc390 計數(shù)器和 74hc139 譯碼管，它們的功能 表和引腳圖分別如下表 1 表 2 和圖 3 圖 4 所示： 表 1 74hc390 的功能表 輸入 輸出 r01r02s91s92cpacpbqdqcqbqa 1100000 110

12、0000 0111001 0111001 cp0二進制計數(shù) 0cp五進制計數(shù) cpqa8421 碼十進制計數(shù) r01 r02=0 s91 s92=0 qdcp5421 碼十進制計數(shù) 7 表 2 74hc139 的功能表 輸入輸出 gbay3y2y1y0 11111 0001110 0011101 0111011 0110111 圖 3 74hc390 的引腳圖 圖 4 74hc139 的引腳圖 方案二 設(shè)計數(shù)列的循環(huán)有很多種方法，這個方案就是利用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)右移 和左移的特點來設(shè)計的。電路圖如圖 5： 8 圖 5 用 74ls194 構(gòu)成的循環(huán)電路原理圖 這個電路圖實現(xiàn)循環(huán)主要是依靠

13、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之后就 可以實現(xiàn)置數(shù)的功能，四個輸出端為 1000，再將開關(guān) j1 撥至與地相接也就是 接入低電平，這時寄存器就可以實現(xiàn)移位的操作了，然后通過脈沖信號的觸發(fā) 下，寄存器的輸出就可以從 1000010000100001，這樣依次循環(huán)了。然后 四個輸出端用來控制計數(shù)器的信號控制端就可以控制序列輸出了。 循環(huán)電路的設(shè)計采用 74ls194 移位寄存器，通過 74ls194 移位寄存器的四 個輸出端子分別控制四個計數(shù)器工作，74ls194 的功能表如表 3，引腳圖如圖 6 所示： 9 表 3

14、 74ls194 的功能表 圖 6 74ls194 的引腳圖 這兩種方案都可以實現(xiàn)數(shù)列的循環(huán)，第二種方案需要撥動開關(guān)，而第一種 就不需要可以自動依次產(chǎn)生數(shù)列。另外第二種開關(guān)使其依次產(chǎn)生序列還需要一 個脈沖控制，而在設(shè)計總體的電路的時候四個計數(shù)器也需要有脈沖信號的觸發(fā)， 這樣的話就要多設(shè)計一個方波脈沖的產(chǎn)生電路，另外還要與計數(shù)器的脈沖信號 匹配，因為 74ls194 的移位是要一個計數(shù)器的全部數(shù)列產(chǎn)生完后才下一個脈沖， 這樣不是很好與計數(shù)器的脈沖頻率想匹配。但是第一個方案就很好的解決了這 個問題，這個方案的數(shù)列循環(huán)部分就是依靠芯片 74hc390 和 74hc139 也就是 輸入輸出 控制信號串

15、行輸入清零 clrs1s0右移左移 時鐘 clk 工作狀態(tài) 00 100保持 1010（1）右移 1100（1）左移 111置數(shù) 10 一個計數(shù)器還有一個譯碼器來實現(xiàn)的。74hc390 的脈沖信號是由計數(shù)器的進位 端來控制的，這樣就很好解決了方案二的問題，只有當(dāng)一個計數(shù)器的全部數(shù)列 輸出完了之后才會有脈沖信號過來觸發(fā) 74hc390 讓它進入下一個狀態(tài)，這樣就 是由電路自己控制的，不會產(chǎn)生方案二的問題。 2.2 數(shù)列顯示部分 這個部分選用由 74ls160d 芯片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂且易于實現(xiàn)， 所以選用該方案，如圖 7 以音樂序列為例： 圖 7 音樂序列顯示電路圖 2.32.3 確立方案

16、確立方案 在數(shù)列循環(huán)的部分我采用的是用一個四進制計數(shù)器和一個譯碼器來實現(xiàn)的， 這樣避免了脈沖的混亂。 在數(shù)列顯示部分用的是芯片 74ls160 計數(shù)器的計數(shù)功能實現(xiàn)的。 在脈沖信號產(chǎn)生的環(huán)節(jié)則就是采用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。 vcc 5v v1 50 hz 5 v u1 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u2 dcd_hex_yellow 1 vcc 2 3 4 0 11 3 單元電路的設(shè)計及其原理 3.1 數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計 在這個部分主要是

17、應(yīng)用了一個四進制的計數(shù)器和一個譯碼器，這個部分的 作用是為了使自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列的循環(huán)顯示。其中四 個 74ls160 計數(shù)器的進位端與 74hc390 的 cpa 相接，這樣就可以通過進位端狀 態(tài)由 0 變?yōu)?1 的瞬間給它一個脈沖觸發(fā)，而另一個脈沖端則是與其輸出端 qa 相 接的，這樣的接法是為了使 74hc390 實現(xiàn) 8421bcd 碼十進制計數(shù)的功能。然后 再讓 74hc390 的輸出端 qa，qb 分別與譯碼器 74hc194 相接，這樣可以用譯碼器 來控制計數(shù)器的動作狀態(tài)，它可以決定由哪個 74ls160 計數(shù)器來工作。當(dāng) qa,qb 為“0” ， “0”時，

18、這時譯碼器的輸出端就只有 y0為 0，接一個反相器然 后再接產(chǎn)生自然序列的計數(shù)器的清零端;這樣就可以實現(xiàn)只有自然序列輸出的功 能，同理當(dāng) qa,qb 為“0”,“1”時，這是譯碼器的輸出端就只有 y1為 0，接一 個反相器然后再接產(chǎn)生奇數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實現(xiàn)只有奇數(shù) 序列輸出的功能; 當(dāng) qa,qb 為“1”,“0”時，這是譯碼器的輸出端就只有 y2 為 0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生偶數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實 現(xiàn)只有偶數(shù)序列輸出的功能; 當(dāng) qa,qb 為“1”,“1”時，這是譯碼器的輸出端 就只有 y3為 0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生音樂序列的計數(shù)器的清零端，這樣

19、 就可以實現(xiàn)只有音樂序列輸出的功能。其產(chǎn)生序列的功能就是這樣實現(xiàn)的。其 電路圖如圖 8： 12 圖 8 數(shù)列循環(huán)電路圖 3.2 序列顯示電路的設(shè)計 3.2.1 十進制自然序列的顯示電路 由于 74hc160 本身就是一個十進制計數(shù)的芯片，因此對于這個部分就只需 按照其功能表來接電路就可以實現(xiàn)十進制自然序列輸出了。在脈沖信號的觸發(fā) 下，計數(shù)器的輸出端的狀態(tài)依次為 0000000100100011010001010110011110001001，然后再將 計數(shù)器的輸出端和數(shù)碼管的輸入端口相接就可以在數(shù)碼管上面看到依次顯示從 0 到 9 了。其序列顯示電路圖如圖 9： u3 dcd_hex u5 7

20、4ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 vcc 5v v1 50 hz 5 v 10 0 67 8 9 13 圖 9 自然序列實現(xiàn)電路圖 3.2.2 奇數(shù)序列顯示電路 將奇數(shù) 1，3，5，7，9 用 8421bcd 碼分別表示為：“0001” ， “0011” ， “0101” ， “0111” ， “1001” ，可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為 1，因此可以在上述十進制 自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接高電平就可以實現(xiàn)奇數(shù)序列了。雖然在 每個脈沖觸發(fā)的作用下，芯片實現(xiàn)

21、的仍然是十進制，但是由于數(shù)碼管最低位接 高電平，在數(shù)碼管顯示的則是奇數(shù)列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的 2 倍，為了實現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問 題。其序列顯示電路圖如圖 10： 圖 10 奇數(shù)序列實現(xiàn)電路圖 3.2.3 偶數(shù)序列顯示電路 將偶數(shù) 0，2，4，6，8 用 8421bcd 碼分別表示為“0000”， “0010”， “0100”, “0110”,“1000”, ,可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為 0，因此可以在上述十進制自然序列的基 礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接低電平就可以實現(xiàn)偶數(shù)序列了。雖然在每個脈沖觸發(fā) 的作用下，芯片實現(xiàn)的仍然是十進制，但是由于數(shù)碼管最低位

22、接高電平，在數(shù) 碼管顯示的則是偶數(shù)列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的 2 倍，為了實 現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。其序列顯 示電路圖如圖 11： u1 dcd_hex_dig_green u2 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 v1 50 hz 5 v vcc 5v 1 0 vcc 2 3 4 u1 dcd_hex_blue vcc 5v v1 50 hz 5 v u2 74ls160d qa 14 qb 13 qc

23、12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 vcc 1 0 2 3 4 14 圖 11 偶數(shù)序列實現(xiàn)電路圖 3.2.4 音樂序列顯示電路 音樂序列的特點是從 0 顯示到 7 后又再變?yōu)?0，這里可以將數(shù)碼管的最高 位固定接低電平就可以實現(xiàn)了。因為 74ls160 的輸出端只有三個與數(shù)碼管相接， 當(dāng) 74ls160 的輸出為“1000”和“1001”時，這時由于數(shù)碼管最高位是固定接 低電平的，也就是數(shù)碼管的輸入端仍是“0000” ， “0001” 。這樣數(shù)碼管的顯示就 又變成 0 和 1 了。其序列顯示電路圖如圖

24、 12： 圖 12 音樂序列實現(xiàn)電路圖 vcc 5v v1 50 hz 5 v u1 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u2 dcd_hex_yellow 1 vcc 2 3 4 0 15 74ls160d 功能表以及引腳圖如下表 4 和圖 13 所示： 表 4 74hc160 功能表 clrloadenpentclkabcdqaqbqcqdrco 000000 1000posabcd1 1111poscount1 111qa0qb0qc0qd01 11

25、1qa0 qb0qc0qd01 圖 13 74hc160 的引腳圖 3.3 脈沖信號的產(chǎn)生電路 經(jīng)過篩選，我選擇了 555 所構(gòu)成的多諧振蕩電路，如下圖 14 所示： 16 圖 14 555 組成的多諧振蕩電路 從電路中我可以求出電路所產(chǎn)生的方波的頻率為： f= 1.34/(r1+2*r2)*c 而我們要根據(jù)輸出頻率的周期的大小在 0.52s 之間可以連續(xù)地變化。那么 555 多諧振蕩電路所產(chǎn)生的頻率大小應(yīng)該在 14hz 之間變化。才可以使輸出的 數(shù)屏顯示間隔滿足條件。因而我可以求得在電容 c=10uv 的情況下，可以根據(jù)頻 率范圍求得 r1=10k 歐，r2可以在 13k65k 歐的范圍內(nèi)改

26、變，這樣就可以改變 輸出方波的頻率了。 3.4 分頻電路的設(shè)計 因為奇、偶序列數(shù)字顯示時間間隔是自然序列和音樂序列的 2 倍，為了實 現(xiàn)顯示數(shù)字時間間隔相等的要求，可以使用二分頻電路，讓自然序列和音樂序 列的顯示時間與奇偶電路的顯示時間相等。 jk 觸發(fā)器可以構(gòu)成二分頻電路。由于 jk 觸發(fā)器的狀態(tài)方程為 ，將 jk 觸發(fā)器的 j、k 端均接在高電平，則從輸出端 q 輸出的 1nnn qjqkq 是二分頻后的時間脈沖，其時間間隔為原脈沖的 2 倍。其電路圖如圖 15： 17 圖 15 二分頻電路 jk 觸發(fā)器狀態(tài)方程： ，其真值表如下表 5： nnn qkqjq 1 表 5 jk 觸發(fā)器真值表

27、 輸 入輸出 d rcpjkqn+1 1n q 0 01 100qn n q 11010 10101 18 4 總電路圖的設(shè)計 這個電路圖可以實現(xiàn)設(shè)計的要求，可以依次輸出自然數(shù)列，奇數(shù)序列，偶 數(shù)序列還有音樂數(shù)列，而且還可以循環(huán)輸出，數(shù)碼管的顯示的間隔時間 也可以 通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進行調(diào)整。 電路圖中四個 74ls160 的輸出端口分別與四個與門相接，然后再將四個門 電路的輸出端分別與數(shù)碼管的輸入端相接。其中產(chǎn)生自然數(shù)列和音樂數(shù)列的脈 沖信號的頻率是產(chǎn)生奇數(shù)序列和偶數(shù)序列的脈沖信號的頻率是 2 倍，這是因為 為了實現(xiàn)數(shù)字顯示時間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實現(xiàn)了這一 功能。

28、當(dāng)打開電路的開關(guān)后，首先就是輸出自然序列，這時是 u1 先工作，它的清 零端接的是“1“，這時就是它處在計數(shù)的操作，然后輸出通過與或門相接再接 至數(shù)碼管的輸入端，就可以依次顯示從 0 到 9，當(dāng) u1 的輸出要從 9 變到 0 的瞬 間，它的進位端的狀態(tài)是”1” ，然后通過一個或門接至 74hc390 的脈沖輸入端， 這時從“0”變至“1” ，恰好有一個脈沖，就可以通過譯碼器使 u4 開始工作即 開始計數(shù)，它從 9 變至 1 時，又通過進位端給 74hc390 一個脈沖，然后就通過 譯碼器又使 u8 開始工作，它從 0 變至 8，當(dāng)它從 8 變至 0 時，它的進位端又變 至“1” ，就又可以給

29、 74hc390 一個脈沖信號，最后就通過譯碼器控制 u9 的工作， 111 n qqn 1 qn n q 19 輸出音樂數(shù)列。如此周而復(fù)始的這樣循環(huán)，就可以實現(xiàn)我們需要的功能了。其 電路圖如圖 16: 圖 16 總電路圖 5 仿真結(jié)果及分析 5.1 仿真結(jié)果 總電路將多諧振蕩電路換成電壓時鐘脈沖信號，對電路進行仿真。通過對 20 脈沖信號的頻率調(diào)節(jié)就可以改變數(shù)屏顯示的時間間隔。由于循環(huán)一次的狀態(tài)數(shù) 過多，若要完整的顯示出仿真得到的波形，只能選擇分段截圖，才能保證波形 顯示清晰，則總電路圖的仿真由以下截取的圖 17（1） ，17（2） ，17（3）組成： 圖 17 （1） 21 圖 17 （2

30、） 圖 17（3） 22 5.2 仿真結(jié)果分析 理論上，當(dāng)電壓時鐘脈沖信號的頻率為 1hz 的時候，數(shù)屏顯示的時間間隔 為 2s；當(dāng)電壓時鐘脈沖信號的頻率為 4hz 的時候，數(shù)屏顯示的時間間隔為 0.5s；當(dāng)電壓時鐘脈沖信號的頻率為 2hz 的時候，數(shù)屏顯示的時間間隔為 1s。 而實際仿真過程用到的電壓時鐘脈沖信號的頻率為 100hz，才能使數(shù)屏顯示的 時間間隔大致在 0.5s 到 2s 的范圍內(nèi)。 分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)總電路可以實現(xiàn)從自然數(shù)列，奇數(shù)數(shù)列和音樂數(shù)列的 循環(huán)顯示，而且數(shù)字之間的顯示時間間隔也可以通過改變脈沖信號的頻率來改 變，使其在 0.5s 到 2s 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。另外，控制器可自動清零。故本次課設(shè) 取得預(yù)想的方針結(jié)果。但每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等這個要求未能很好 實現(xiàn)，故還需完善。 6 心得與體會 這次的數(shù)電課程設(shè)計最大的特點是與實際運用直接相關(guān)，回顧這些題目： 汽車尾燈顯示控制電路設(shè)計 、多路智能競賽搶答器設(shè)計、多功能數(shù)字鐘電路設(shè) 計、數(shù)字頻率計設(shè)計以及彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計，無一不是生活中常見的，