河海大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)級(jí)

1、1摘要課程設(shè)計(jì)作為數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)課程的重要組成部分，目的是一方面使我們能夠進(jìn)一步理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法，增加集成電路應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)我們的實(shí)際動(dòng)手能力以及分析、解決問(wèn)題的能力。 本文介紹了一種通過(guò)TTL系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)模擬汽車(chē)尾燈工作情況電路的方法。主要闡述了如何通過(guò)555系列來(lái)制作脈沖產(chǎn)生器，如何利用D觸發(fā)器改制三進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和譯碼器的使用等一系列方法。實(shí)驗(yàn)通過(guò)發(fā)光二極管模擬汽車(chē)尾燈來(lái)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)在行駛時(shí)候的四種情況：正常行駛，左拐彎，右拐彎，臨時(shí)剎車(chē)，檢查。關(guān)鍵字：汽車(chē)尾燈，脈沖，計(jì)數(shù)器，譯碼器，行駛情況AbstractCurriculum design as

2、a simulation of digital electronic technology and electronic technology an important component of the course, on the one hand, the purpose of enabling us to further understanding of course content, the basic digital system design and debugging methods, applications of integrated circuits to increase

3、 knowledge, foster the ability of our hands as well as analysis, problem-solving abilities. This article describes a series of product design through simulation TTL auto taillight circuit methods work. Mainly on how to produce 555 series pulse generator, how to make use of JK flip-flop ternary syste

4、m decoder of the counters and the use of a range of methods. Experimental simulation of vehicle through the light-emitting diode taillights to achieve a moving car when the four cases: the normal traffic, left turn, right turn, temporary brake.Keywords: auto lamps, pulse, counters, decoders, traffic

5、 situation.2設(shè)計(jì)要求與思路2.1設(shè)計(jì)目的與要求設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)一個(gè)汽車(chē)尾燈控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)尾燈狀態(tài)的控制。設(shè)計(jì)要求：本課題設(shè)計(jì)一個(gè)汽車(chē)LED尾燈的控制器電路。該電路由四個(gè)電鍵控制，分別對(duì)應(yīng)著左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、剎車(chē)和檢查功能。當(dāng)接通左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)電鍵時(shí)，左側(cè)或右側(cè)的3個(gè)汽車(chē)尾燈按照左循環(huán)或右循環(huán)的順序依次點(diǎn)亮。當(dāng)接通剎車(chē)電鍵時(shí)，汽車(chē)所有的尾燈點(diǎn)亮。當(dāng)接通檢查電鍵時(shí)，汽車(chē)所有的尾燈同時(shí)閃爍（0.51次S）。在上述功能基礎(chǔ)上鼓勵(lì)自己增設(shè)電路功能。2.2設(shè)計(jì)思路與構(gòu)想2.2.1汽車(chē)尾燈顯示狀態(tài)與汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系 為了區(qū)分汽車(chē)尾燈的4種不同的顯示模式，需設(shè)置4個(gè)狀態(tài)控制變量。假定用開(kāi)關(guān)K1、K2、K

6、3、K4進(jìn)行顯示模式控制，可列出汽車(chē)尾燈顯示狀態(tài)與汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系，如表2.1所示。（“1”表示高電平，“0”表示低電平）表2.1汽車(chē)尾燈和汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)左轉(zhuǎn)尾燈右轉(zhuǎn)尾燈K1K2K3K4D1 D2 D3D4 D5 D61110正常運(yùn)行燈滅燈滅0110左轉(zhuǎn)彎按D3、D2、D1順序循環(huán)點(diǎn)亮燈滅1000右轉(zhuǎn)彎燈滅按D4、D5、D6順序循環(huán)點(diǎn)亮1100臨時(shí)剎車(chē)所有尾燈同時(shí)亮1111檢查所有尾燈同時(shí)閃爍2.2.2汽車(chē)尾燈控制器功能描述 在汽車(chē)左右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)由于3 個(gè)指示燈被循環(huán)順序點(diǎn)亮，所以可用一個(gè)三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)控制譯碼器電路順序輸出高電平，按要求順序點(diǎn)亮3個(gè)指示燈。設(shè)三進(jìn)制計(jì)數(shù)

7、器的狀態(tài)用Q1和Q0表示，可得出描述指示燈D1、D2、D3、D4、D5、D6與開(kāi)關(guān)控制變量K1、K2、K3、K4，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q1、Q0以及時(shí)鐘脈沖CP之間關(guān)系的功能表如表2.2所示（表中指示燈的狀態(tài)“1”表示點(diǎn)亮，“0”表示熄滅）。表2.2汽車(chē)尾燈控制器功能表控制變量計(jì)數(shù)器狀態(tài)汽車(chē)尾燈K1K2K3K4Q1Q0D1 D2 D3D4 D5 D611100 0 00 0 001100010100 0 10 1 01 0 00 0 00 0 00 0 010100010100 0 00 0 00 0 01 0 00 1 00 0 111001 1 11 1 11111cp cp cpcp cp cp

8、根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析與功能描述，可以得出汽車(chē)尾燈控制器的結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。555計(jì)時(shí)器D觸發(fā)器邏輯電路周期為1秒的脈沖左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)分揀電路左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)原始信號(hào)左轉(zhuǎn)電鍵右轉(zhuǎn)電鍵轉(zhuǎn)向信號(hào)與剎車(chē)、檢查信號(hào)分揀電路分揀后的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)信號(hào)剎車(chē)電鍵檢查電鍵發(fā)光二極管 根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析與功能描述，可得出汽車(chē)尾燈控制器的結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)電路可由秒脈沖電路、開(kāi)關(guān)控制電路、三進(jìn)制電路、譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路、尾燈狀態(tài)顯示5部分組成。3單元電路設(shè)計(jì)3.1秒脈沖電路的設(shè)計(jì)方案一：石英晶體振蕩器；此電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，而與電路中的R、C的值無(wú)關(guān)。所以此電路能夠得到頻率穩(wěn)定性極高的脈沖波形，它的缺點(diǎn)就是頻率

9、不能調(diào)節(jié)，而且頻帶窄，不能用于寬帶濾波。此電路非常適合秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)，但由于盡量和課堂知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，所以沒(méi)有采用此電路。方案二：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器；由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。555定時(shí)器的管腳圖如圖3.1所示。由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動(dòng)電流大，功能靈活，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度的影響很小。所以由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定，不易受干擾。因此采用此方案。圖3.1 555定時(shí)器的引腳圖圖3.1 555定時(shí)器的引腳圖由于本次實(shí)驗(yàn)對(duì)脈沖的要求不高，同時(shí)為了保證二極管的閃爍適宜，可以讓脈沖周期設(shè)定為一秒左右即可。電路原理如

10、圖3.2所示。圖3.2用NE555制作脈沖發(fā)生器的原理圖測(cè)試輸出結(jié)果為：圖3.3用NE555制作脈沖發(fā)生器的輸出波形3.2開(kāi)關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)設(shè)譯碼器與顯示驅(qū)動(dòng)電路的使能控制信號(hào)為G和F，G與譯碼器74LS138的使能輸入端G1相連接，F(xiàn)與顯示驅(qū)動(dòng)電路中與非門(mén)的一個(gè)輸入端相連接。由總體邏輯功能可知，G和F與開(kāi)關(guān)控制變量，K1、K2 、K3、K4以及時(shí)鐘脈沖CP之間的關(guān)系如表3.1所示。表3.1 使能控制信號(hào)與開(kāi)關(guān)控制變量、時(shí)鐘脈沖的關(guān)系開(kāi)關(guān)控制時(shí)鐘脈沖使能控制信號(hào)電路工作狀態(tài)K1K2K3K4CPGF1110d01汽車(chē)正常行駛（此時(shí)譯碼器不工作，譯碼器輸出全部為高，顯示驅(qū)動(dòng)電路中的與非門(mén)輸出均為低

11、，反相器輸出均為高，尾燈全部熄滅）0110d11汽車(chē)左轉(zhuǎn)彎行駛（此時(shí)譯碼器在計(jì)數(shù)器控制下工作，顯示驅(qū)動(dòng)電路中的與非門(mén)輸出取決于譯碼器輸出，左側(cè)尾燈D1、D2、D3在譯碼器輸出作用下順序循環(huán)點(diǎn)亮）1010d11汽車(chē)右轉(zhuǎn)彎行駛（此時(shí)譯碼器在計(jì)數(shù)器控制下工作，顯示驅(qū)動(dòng)電路中的與非門(mén)輸出取決于譯碼器輸出，右側(cè)尾燈D3、D4、D5在譯碼器輸出作用下順序循環(huán)點(diǎn)亮）1100cp00汽車(chē)臨時(shí)剎車(chē)（此時(shí)譯碼器不工作，譯碼器輸出全部為高，使能控制信號(hào)F為低電平，通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)電路中的與非門(mén)作用到反相器輸出端，使左右兩側(cè)的指示燈全亮）1111cp0cp非汽車(chē)檢查（此時(shí)譯碼器不工作，譯碼器輸出全部為高，時(shí)鐘脈沖cp通過(guò)

12、顯示驅(qū)動(dòng)電路中的與非門(mén)作用到反相器輸出端，使左右兩側(cè)的指示燈在時(shí)鐘脈沖cp作用下同時(shí)閃爍）由上述表格可得：；根據(jù)G和F的邏輯表達(dá)式，可畫(huà)出開(kāi)關(guān)控制電路。如圖3.3所示圖3.4開(kāi)關(guān)控制電3.3三進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表如表3.2所示。表3.2 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表現(xiàn)態(tài)次態(tài)Q1Q0Q1Q000010110100011dd得到電路的狀態(tài)方程為：；方案一：由J-K觸發(fā)器構(gòu)成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器； 由于J-K觸發(fā)器的特性方程為：；又因?yàn)椋?；所?，；，；由于電路中只需采用一片雙上升沿觸發(fā)器74LS76芯片即可，因此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。圖3.5為74LS76引腳圖，利用74LS76實(shí)現(xiàn)三進(jìn)制計(jì)

13、數(shù)電路如圖3.6所示。圖3.5 74LS76芯片引腳圖 圖3.6 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器 方案二：由D觸發(fā)器構(gòu)成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器；由于D觸發(fā)器的特性方程為：；又因?yàn)?，；所以，；兩個(gè)D觸發(fā)器可由一片雙D觸發(fā)器74LS74芯片實(shí)現(xiàn)，以及74LS00與非門(mén)和74LS04非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)此電路。由于電路結(jié)構(gòu)較之上一方案有點(diǎn)復(fù)雜，而且需要三個(gè)芯片（至少兩個(gè)），成本較高，但由于實(shí)驗(yàn)室只提供了雙D觸發(fā)器74LS74芯片，因此采用此方案。圖3.7為74LS76引腳圖，利用74LS76實(shí)現(xiàn)三進(jìn)制計(jì)數(shù)電路如圖3.8所示。圖3.7 74LS76芯片引腳圖 圖3.8 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器 3.4譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路的功能

14、是：在開(kāi)關(guān)控制電路輸出和三進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)的作用下，提供6個(gè)尾燈控制信號(hào)，當(dāng)譯碼驅(qū)動(dòng)電路輸出的控制信號(hào)為低電平時(shí)，相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮。因此，譯碼與顯示驅(qū)動(dòng)電路可用74LS138(其功能表如表3.3所示)、6個(gè)與非門(mén)和6個(gè)反相器構(gòu)成。圖中，譯碼器74LS138的輸入端C、B、A分別接K1、Q1、Q0。當(dāng)圖中G=F=1、K1=0時(shí)，對(duì)于計(jì)數(shù)器狀態(tài)Q1Q0為00、01、10，譯碼器輸出依次為0，使得與指示燈D3、D2、D1對(duì)應(yīng)的反相器輸出依次為低電平，從而使指示燈D3、D2、D1依次順序點(diǎn)亮，示意汽車(chē)左轉(zhuǎn)彎；當(dāng)圖中G=F=1、K1=1時(shí)，對(duì)于計(jì)數(shù)器狀態(tài)Q1Q0為00、01、10，譯碼器輸出依次為0，使得與

15、指示燈D4、D5、D6對(duì)應(yīng)的反相器輸出依次為低電平，從而使指示燈D4、D5、D6依次順序點(diǎn)亮，示意汽車(chē)右轉(zhuǎn)彎；當(dāng)圖中G=0，F(xiàn)=1時(shí)，譯碼器輸出為全1，使所有指示燈對(duì)應(yīng)的反相器輸出全部為高電平，指示燈全部熄滅；當(dāng)圖中G=0，F(xiàn)=cp時(shí)，所有指示燈隨cp的頻率閃爍。實(shí)現(xiàn)了4個(gè)開(kāi)關(guān)4種不同模式下的尾燈狀態(tài)顯示。表3.3為74LS138譯碼器的功能真值表。74LS138譯碼器接法如圖3.7所示。圖3.9 74LS138譯碼器引腳圖表3.3 74LS138功能表圖3.7 74LS138控制譯碼顯示電路3.5尾燈狀態(tài)顯示電路的設(shè)計(jì)尾燈狀態(tài)顯示電路可由6個(gè)發(fā)光二極管和6個(gè)電阻組成，圖3.9中，當(dāng)6個(gè)反相器

16、的輸出為低電平時(shí)，相應(yīng)發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。圖3.8 二極管發(fā)光電位3.6數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)為了使駕駛員能實(shí)時(shí)了解自己按了哪個(gè)鍵即后部車(chē)燈的狀態(tài)，我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)碼管顯示電路，該電路由7段BCD碼鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)器4511，和八段數(shù)碼管組成，當(dāng)按下K1時(shí)，則數(shù)碼管顯示1；當(dāng)按下K2時(shí)，則數(shù)碼管顯示2；當(dāng)按下K3時(shí)，則數(shù)碼管顯示3；當(dāng)按下K4時(shí)，則數(shù)碼管顯示4.。圖3.9 數(shù)碼管顯示電路圖3.10 八段數(shù)碼管引腳圖4電路仿真與分析4.1 電路仿真總電路圖方案一：圖4.1 汽車(chē)尾燈控制器電路原理圖1方案二：圖4.2 汽車(chē)尾燈控制器電路原理圖2方案三： 圖4.3 汽車(chē)尾燈控制器電路原理圖3經(jīng)過(guò)比較最終我們

17、選擇了原理圖3。4.2汽車(chē)尾燈控制器電路的工作原理其工作原理圖如圖4.1所示，經(jīng)過(guò)以上所述的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求的分析，可以圖4.1汽車(chē)尾燈控制器電路原理圖將電路分為以下幾部分： 首先，通過(guò)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)用于提供給雙D觸發(fā)器構(gòu)成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器和開(kāi)關(guān)控制電路中的三輸入與非門(mén)的輸入信號(hào)。 其次，雙D觸發(fā)器構(gòu)成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器用于產(chǎn)生00、01、10的循環(huán)信號(hào)，此信號(hào)提供左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的原始信號(hào)。 最后，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的原始信號(hào)通過(guò)6個(gè)與非門(mén)，6個(gè)非門(mén)以及74LS04提供的高低電位信號(hào)，將原始信號(hào)分別輸出到左、右的3個(gè)汽車(chē)尾燈上。得到的信號(hào)即可輸出到發(fā)光二極管上，

18、實(shí)現(xiàn)所需功能。4.3參數(shù)計(jì)算與器件選擇 （1）電阻：由于f為1Hz左右適合觀察即可，根據(jù)公式：f=1.43/C(R1+2R2)，所以選取R1=43k，R2=50k，C1= 1F，C2=1nF其他上拉電阻可選為200即可。 （2）電容：如上所述，電容選1F/25V。5電路安裝與調(diào)試5.1電路安裝過(guò)程對(duì)照電路圖連接電路，過(guò)程中注意短路，電源Vcc與接地端的接法，在安裝中外觀需要提高，電路功能基本實(shí)現(xiàn)。5.2 電路的調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了幾個(gè)小問(wèn)題：1、面包板上的電源沒(méi)有全部串聯(lián)起來(lái)，7474沒(méi)有工作；2、因?yàn)檫B線(xiàn)過(guò)多，有個(gè)別線(xiàn)路連錯(cuò)引腳；3、線(xiàn)頭絕緣皮剝掉過(guò)多，有幾處電路誤

19、串起來(lái)。這些問(wèn)題經(jīng)過(guò)我們的仔細(xì)檢查都一一解決。下面總結(jié)一下模塊化設(shè)計(jì)在檢錯(cuò)中的作用。檢查時(shí)應(yīng)把各個(gè)模塊分離，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行檢查，這樣就不會(huì)在出錯(cuò)之后毫無(wú)頭緒。對(duì)模塊檢查時(shí)先檢查每個(gè)器件的電源和地，看是否連好，還要用萬(wàn)用表測(cè)試是否連通；然后對(duì)照電路圖查看引腳連接是否有錯(cuò)；最后用萬(wàn)用表檢查線(xiàn)路是否都正常連通。在確保了電路連接無(wú)誤后，再通過(guò)通電后LED的狀態(tài)來(lái)判斷問(wèn)題的出處。我們?cè)跈z查過(guò)電路連接后電路就可以正常工作了。 將外接電源接好后，閉合 K1、K2、K3、K4任何其中一個(gè)開(kāi)關(guān)，分別觀察二極管發(fā)光狀況并與設(shè)計(jì)要求比較，發(fā)現(xiàn)基本符合設(shè)計(jì)要求。6元器件清單和使用儀器6.1使用的主要儀器、儀表表6.1儀器、儀表儀器、儀表名稱(chēng)+5V電源示波器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器萬(wàn)用表6.2元件清單表6.2元件清單名稱(chēng)數(shù)量電容， 10uF1電容， 10nF174LS1381LED_red674LS861開(kāi)關(guān)（SWITCH）474LS321數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器（4511）174LS00574LS0425551電位器503（1個(gè)）電阻200歐姆（13個(gè)），43k歐姆（1個(gè)）點(diǎn)源5v10.6導(dǎo)線(xiàn)若干數(shù)碼管17設(shè)計(jì)體會(huì)數(shù)字邏輯是電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，我們進(jìn)行數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)是我們理論聯(lián)系實(shí)際的最好途徑，將書(shū)本上的知識(shí)利用到實(shí)際的分析解