彩燈循環(huán)控制電路設(shè)計(jì)

1、.一、課程設(shè)計(jì)目的與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)可預(yù)置序列發(fā)生器，并用一控制彩燈的循環(huán)顯示。不同的預(yù)置產(chǎn)生不同的效果。 實(shí)現(xiàn)循環(huán)序列發(fā)生器和彩燈控制電路，使得彩燈按一定的規(guī)律循環(huán)顯示。假定循環(huán)規(guī)律為：L1L8的狀態(tài)是00001111（0表示滅，1表示亮），每隔一秒燈L1L8的狀態(tài)依次循環(huán)一位，即：L1L2L8L7L6L5L4L3 設(shè)計(jì)控制電路，可自動(dòng)預(yù)置4種不同的初狀態(tài)，每隔64秒改變一種，并在這四種初狀態(tài)循環(huán)，使得彩燈定時(shí)改變顯示的效果，假定四種不同的初狀態(tài)為：00001111，00010001，00110011，01110111二、電路組成框圖 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路循環(huán)序列發(fā)生器預(yù)置控制電路彩燈控制電路

2、 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路部分：振蕩器有多種振蕩器電路，其中（a）圖為CMOS非門(mén)構(gòu)成的振蕩器，（b）圖為石英晶體構(gòu)成的振蕩器，（c）圖為555構(gòu)成的多諧振蕩器。 CMOS非門(mén)構(gòu)成的振蕩器的振蕩周期T=1.4RC，555構(gòu)成的振蕩器的振蕩周期T=0.7（R1+2R2）C。我最終還是選擇了555構(gòu)成的振蕩器，因?yàn)?55使用起來(lái)方便、簡(jiǎn)單。通過(guò)調(diào)節(jié)R1，R2和C1的大小調(diào)節(jié)振蕩頻率以達(dá)到1HZ的秒鐘連續(xù)脈沖圖2CMOS非門(mén)構(gòu)成的振蕩器（a）圖2石英晶體振蕩器（b）圖3 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 循環(huán)序列發(fā)生器部分： 3個(gè)74LS163構(gòu)成循環(huán)序列發(fā)生器部分，由于是64秒改變一種狀態(tài)，所以用二片74L

3、S163組成一個(gè)64位加法計(jì)數(shù)器（按164進(jìn)行把2個(gè)74LS163組裝計(jì)數(shù)器），每循環(huán)一次64位產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位輸入到第三個(gè)74LS163，第三個(gè)74LS163是一個(gè)4位加法計(jì)數(shù)器，并通過(guò)它來(lái)控制預(yù)置控制電路中的4個(gè)73LS373的使能端，從而決定輸入的每種初態(tài)。詳細(xì)的控制辦法是：讓第三個(gè)74LS16的輸出00分別通過(guò)一個(gè)非門(mén)變成11再和頭2個(gè)74LS163的進(jìn)位一起通過(guò)一個(gè)三輸入與非門(mén)變成低電平0加到初態(tài)為00001111的74LS373的使能端，這樣就可以使器導(dǎo)通。當(dāng)前面的64位計(jì)數(shù)器在來(lái)一個(gè)進(jìn)位時(shí)，00變成01，這樣讓1的那個(gè)輸出端通過(guò)一個(gè)非門(mén)，然后和0的端口以及剛才的進(jìn)位一起通過(guò)個(gè)與非門(mén)，

4、是輸出為0 節(jié)到初態(tài)為00010001的第二個(gè)74LS373的使能端，讓其導(dǎo)通。再次過(guò)64秒后，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位使第三個(gè)74LS373輸出為10，讓1的端口通過(guò)一個(gè)非門(mén)，然后把它和0的端口以及進(jìn)位信號(hào)一起輸送到一個(gè)三輸入與非門(mén)，使之輸出為0 接到初態(tài)為00110011的第三個(gè)74LS373的使能端讓其工作。最后在完成一次64位的計(jì)數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，使之變成11，把他們都風(fēng)別通過(guò)一個(gè)非門(mén)，然后在和進(jìn)位信號(hào)一起通過(guò)一個(gè)三輸入的與非門(mén)，并把它的輸出0接到滴4個(gè)初態(tài)為01110111的74LS373的使能端，使其工作。由于第三個(gè)的74LS373是一個(gè)4位加法計(jì)數(shù)器，所以當(dāng)?shù)搅?1時(shí)自己又自動(dòng)返回到0

5、0，加法器完成一個(gè)64計(jì)數(shù)，就產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，00又變?yōu)?1。依次往復(fù)循環(huán)。預(yù)置控制電路部分：4個(gè)74LS373構(gòu)成預(yù)置控制電路部分，因?yàn)榇嬖?種不同的初態(tài)，考慮到74LS373的高阻態(tài)而且它擁有8個(gè)輸出端正好符合要求，所以我們可以把這4種初態(tài)預(yù)先寄存在此。由于使能端關(guān)閉時(shí)74LS373的輸出是呈現(xiàn)高阻態(tài)所以可以把他們的輸出端直接相互連在一起然后分別送至2個(gè)74LS194移位寄存器的輸入端。把四個(gè)74LS373的Q1都連在一起放到第一個(gè)74LS194的第一個(gè)輸入端，然后把四個(gè)74LS373的Q2都連在一起放到第一個(gè)74LS194的第二個(gè)輸入端，依次放置，直道把四個(gè)74LS373的Q8連在一起放到

6、第二個(gè)74LS194的第四個(gè)輸入端。除此之外，我們還應(yīng)把所存信號(hào)始終至于高電平。就可以保證當(dāng)使能信號(hào)一存在就可以輸出一開(kāi)始就寄存在器件里的數(shù)據(jù)。彩燈控制電路部分：2個(gè)74LS194構(gòu)成彩燈控制電路的主電路，8個(gè)彩燈分別接在2個(gè)的輸出端，考慮到題目要求8種狀態(tài)是右移的，我們只需把每個(gè)的SR端和Q3端相連即可實(shí)現(xiàn)右移。由于當(dāng)S0S1是11時(shí)置數(shù)，S0S1是10時(shí)實(shí)現(xiàn)右移，所以我們可以把64位加法計(jì)數(shù)器部分產(chǎn)生的進(jìn)位作為S1的輸入信號(hào)送給S1，于是當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位時(shí)，74LS373輸出的狀態(tài)就可以順利的置入雙向移位寄存器74LS194內(nèi)，當(dāng)這個(gè)脈沖過(guò)來(lái)后時(shí)，S1又變?yōu)?，于是就可以實(shí)現(xiàn)右移了。以上所有

7、的期間的脈沖信號(hào)都是同一個(gè)脈沖信號(hào)，均由555定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生，以保證同步。三、元器件清單 本次課程設(shè)計(jì)所用器件如表一： 型號(hào)名稱(chēng)數(shù)目74LS194雙向移位寄存器274LS163十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器374LS373數(shù)據(jù)寄存器474LS04非門(mén)374LS12三輸入與非門(mén)474LS08與門(mén)174LS00與非門(mén)1555定時(shí)器脈沖信號(hào)發(fā)生器11）74LS194移位寄存器 其中D0,D1,D2,D3為并行輸出端；SR為右移串行輸入端，SL為左移串行輸入端；S1,S0為操作模式控制端；CP為時(shí)鐘脈沖輸入端。內(nèi)部原理圖2）74LS163計(jì)數(shù)器 它是同步十六進(jìn)制加法記數(shù)器，當(dāng)LOAD端輸入底電平時(shí)處于預(yù)置數(shù)狀態(tài)，D

8、0、D1、D2、D3的數(shù)據(jù)將會(huì)在CP上升沿到達(dá)時(shí)被置入Q0、Q1、Q2、Q3中，它的預(yù)置數(shù)是同步的。下圖是74LS163的引腳分配圖，圖中LD為預(yù)置數(shù)控制端，D0-D3為數(shù)據(jù)輸入端，C為進(jìn)位輸出端，RC為異步置零端，Q0-Q3位數(shù)據(jù)輸出端，EP和ET為工作狀態(tài)控制端。163 的清除是同步的。當(dāng)清除端CLEAR為低電平時(shí)，在時(shí)鐘端（CLK）上升沿作用下，才可完成清除功能。 163 的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制端LOAD為低電平時(shí)，在CLK上升沿作用下，輸出端（QA-QD）與數(shù)據(jù)輸入端（AB）相一致。當(dāng)CLK由低至高跳變或跳變前，如果計(jì)數(shù)控制端（ENP、ENT）為高電平，則LOAD應(yīng)避免由低至高電平

9、的跳變.163 的計(jì)數(shù)是同步的，靠CLK同時(shí)加在 4 個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ENP和ENT均為高電平時(shí)，在CLK上升沿作用下QA-QD同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。163 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位端（RCO）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為 Q0 的高電平部分。 在不外加門(mén)電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成 N位同步計(jì)數(shù)器。 在CLK出現(xiàn)前，即使ENP、ENT、CLEAR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。3)74LS373寄存器74LS373是八D鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性) ，常應(yīng)用在地址鎖存及輸出口的擴(kuò)展中。74LS373內(nèi)有8個(gè)相同的D型(三態(tài)同相)鎖存器，由兩個(gè)控制端

10、(11腳G或EN；1腳OUT、CONT、OE)控制。當(dāng)OE接地時(shí)，若G為高電平，74LS373接收由PPU輸出的地址信號(hào)；如果G為低電平，則將地址信號(hào)鎖存。工作原理：74LS373的輸出端O0O7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。      當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平引角圖內(nèi)部邏輯圖真值表4) 555定時(shí)器應(yīng)用國(guó)產(chǎn)雙極型定時(shí)

11、器CB555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管TD三部分組成。 VH是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經(jīng)三個(gè)五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時(shí)，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO. RD是置零輸入端。只要在RD端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使RD處于高電平。圖中的數(shù)碼18為器件引腳的編號(hào)。 圖 （2） 555定時(shí)器邏輯符號(hào)555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要

12、在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。 圖 （3） 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(A)電路組成555集成定時(shí)器由五個(gè)部分組成。1、 基本RS觸發(fā)器：由兩個(gè)“與非”門(mén)組成2、 比較器：C1、C2是兩個(gè)電壓比較器3、 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。4、 晶體管開(kāi)卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。(B) 基本功能當(dāng)時(shí)，輸出電壓為低電平，VT飽和導(dǎo)通。當(dāng)時(shí)，時(shí)，時(shí)，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q0，飽和導(dǎo)通。當(dāng)、時(shí)，C1、

13、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)不變，因此、VT也保持原來(lái)狀態(tài)不變。當(dāng)、時(shí)，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q1，VT截止。555定時(shí)器功能表輸 入輸 出閾值輸入(vI1)觸發(fā)輸入(vI2)復(fù)位()輸出()放電管T××00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變 表（2）555定時(shí)器邏輯功能表5)74LS04非門(mén)當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的基極電流大于深度飽和的基極電流。仔細(xì)觀察一下圖中給出的三極管開(kāi)關(guān)電路即 可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入為低電平時(shí)輸出等于高

14、電平。因此輸出與輸入的電平之間是反向關(guān)系，它實(shí)際上就是一個(gè)非門(mén)。（亦稱(chēng)反向器）。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的基極電流大于 深度飽和的基極電流。 設(shè)計(jì)電路所用的芯片是74LS04，如下圖所示： 圖 （6） 74LS04的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖功能表如下圖： 表（4）非門(mén)功能表邏輯符號(hào) 邏輯函數(shù)式Y(jié)= A74LS04的管腳圖)74LS12三輸入與非門(mén)引出端符號(hào) 1A3A 輸入端 1B3B 輸入端 1C3C 輸入端 功能表：四、各功能塊電路圖 1）555多諧振蕩器組成脈沖發(fā)生器 多諧振蕩器不需要外加輸入信號(hào)，只要加上直

15、流電源就能自動(dòng)輸出相應(yīng)頻率和寬度的矩形脈沖。由于矩形脈沖含有豐富的高次諧波，所以稱(chēng)為多諧振蕩器。多諧振蕩器電路能從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，變化極其迅速。多諧振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用成品振構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。如果精度要求不高也可采用集成邏輯門(mén)與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。參考電路圖如圖所示： 圖8 多諧振蕩器 輸出波形圖如下所示： 振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用成品振構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。

16、如果精度要求不高也可采用集成邏輯門(mén)與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。這里選用555組成的多諧振蕩器，多諧振蕩器的頻率可以設(shè)為為f0=1000HZ。2循環(huán)序列發(fā)生器兩個(gè)16進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成了一個(gè)64進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，由于是64秒改變一種狀態(tài)，所以用從右開(kāi)始數(shù)的前二片74LS163組成一個(gè)64位加法計(jì)數(shù)器（按164進(jìn)行把2個(gè)74LS163組裝計(jì)數(shù)器），每循環(huán)一次64位產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位輸入到第三個(gè)74LS163，第三個(gè)74LS163是一個(gè)4位加法計(jì)數(shù)器，并通過(guò)它來(lái)控制預(yù)置控制電路中的4個(gè)73LS373的使能端，從而決定輸入的每種初態(tài)。用最左邊的74LS163組成一個(gè)4進(jìn)制

17、的加法計(jì)數(shù)器。電路圖如下： 3）預(yù)置控制電路：74LS373構(gòu)成預(yù)置控制電路部分，因?yàn)榇嬖?種不同的初態(tài)，考慮到74LS373的高阻態(tài)而且它擁有8個(gè)輸出端正好符合要求，所以我們可以把這4種初態(tài)預(yù)先寄存在此。由于使能端關(guān)閉時(shí)74LS373的輸出是呈現(xiàn)高阻態(tài)所以可以把他們的輸出端直接相互連在一起然后分別送至2個(gè)74LS194移位寄存器的輸入端。電路圖如下： 4）控制顯示電路體現(xiàn)了題目要求的4種初態(tài)，64秒變換的方式五、仿真電路總圖在Multism2001中仿真此電路，64位的加法計(jì)數(shù)器每完成一次64計(jì)數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生個(gè)進(jìn)位信號(hào)，這個(gè)進(jìn)位信號(hào)會(huì)控制4進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)端使其計(jì)數(shù)，4進(jìn)制的法計(jì)數(shù)器沒(méi)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)會(huì)和那個(gè)64位的進(jìn)位信號(hào)一起通過(guò)一系列TTL門(mén)電路到達(dá)73LS373控制的預(yù)置電路。通過(guò)控制其使能端來(lái)控制初態(tài)的導(dǎo)入。我把4種不同的初態(tài)接到了兩片74LS194的輸入端，考慮到題目是要求右移，我把S1的直接和64位的進(jìn)位信號(hào)端接到了一起，把S0一直接高電平。有進(jìn)位信號(hào)時(shí)，S0S1是11會(huì)把一種 初態(tài)置進(jìn)去。01時(shí)又會(huì)實(shí)現(xiàn)右移。自動(dòng)預(yù)置4種不同的初狀態(tài)，每隔64秒改變一種，