彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì)

1、獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書學(xué)生姓名： 張振 專業(yè)班級： 通信0706 學(xué)號： 題 目: 彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì) 初始條件：以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，它能自動(dòng)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、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），然后由依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)序列，音樂符號序列. 如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零。每個(gè)數(shù)字的一次顯示時(shí)間基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。要求完成的主要任務(wù):1. 電路的理論設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫 目錄摘

2、要3ABSTRACT41設(shè)計(jì)方案的選擇52 各部分電路的設(shè)計(jì)及原理62.1 數(shù)列顯示部分6自然序列的顯示電路62.1.2 奇數(shù)序列顯示電路7偶數(shù)序列顯示電路8音樂序列顯示電路92.2脈沖信號的產(chǎn)生102.3 分頻電路的設(shè)計(jì)132.3.1 1000分頻電路的設(shè)計(jì)132.3.2 二分頻電路的設(shè)計(jì)152.4 數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計(jì)162.5 開關(guān)清零設(shè)計(jì)173 總電路圖設(shè)計(jì)與原理194 測試結(jié)果分析215 體會(huì)與心得226 參考文獻(xiàn)23摘 要彩燈循環(huán)控制電路的實(shí)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(gè)七段數(shù)碼管顯示出來。本次設(shè)計(jì)主用應(yīng)用的就是計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器在時(shí)序電路中應(yīng)用的很廣泛，它不僅可以用于對脈

3、沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于分頻，定時(shí)，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他時(shí)序信號。運(yùn)用計(jì)數(shù)器的不同的功能和不同的接法就可以實(shí)現(xiàn)不同的序列輸出了。首先設(shè)計(jì)出部分分電路，然后進(jìn)行了電路圖的整合，使的設(shè)計(jì)的電路能夠按照要求依次輸出自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列及音樂序列。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)輸出的功能，在設(shè)計(jì)的時(shí)候還用到了一個(gè)譯碼器，利用它的輸出端來控制四個(gè)計(jì)數(shù)器，讓四個(gè)計(jì)數(shù)器依次工作，達(dá)到要求的循環(huán)輸出數(shù)列。脈沖信號的產(chǎn)生是由555組成的多諧振蕩器完成的，然后經(jīng)過計(jì)數(shù)器的分頻來達(dá)到數(shù)字顯示時(shí)間，還有設(shè)計(jì)一個(gè)上電清零電路實(shí)現(xiàn)電路工作前的清零工作。最后將電路的各個(gè)部分進(jìn)行整合便得到最終的設(shè)計(jì)電路。AbstractCarniva

4、l of the substance of the cycle circuit is to produce a series of regular series, and then display through a Seven-Segment LED. The design of the main applications is to use counters. Counter is wide used in the timing circuit, it not only can be used to count on the pulse, also be used for frequenc

5、y, timing, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. The use of different functions and different method of access about counters can be achieved on the output of different sequence. First of all, I make parts of sub-circuit design, and then get them into the whole circuit, so tha

6、t the designed circuit can be output under requirements the natural sequence, odd-numbered sequence, even sequence and music sequences in accordance. In order to achieve this cycle of the output function, the design is also added with a decoder, using it to control the output of the four counters, s

7、o that the four counters work in order under the requirements of the output cycle series. Pulse signal is generated by Multivibrator composed of 555, and then after a frequency counter to achieve the required show time of the figures. And then I need to design a circuit to achieve zero cleared befor

8、e work. Finally, I get the final circuit by integrating the various part circuits.1設(shè)計(jì)方案的選擇方案一設(shè)計(jì)數(shù)字顯示部分有很多種方法，這個(gè)方案是利用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成的，對四個(gè)循環(huán)分別設(shè)計(jì)出電路圖，當(dāng)時(shí)應(yīng)用的74LS163芯片，起先由于對題目要求沒有真正看懂，把最后的音樂數(shù)列顯示理解成07的八進(jìn)制循環(huán)，以至電路圖的誤畫，因?yàn)闆]有充分理解題目的原因，另一個(gè)錯(cuò)誤是理解成應(yīng)用四個(gè)數(shù)碼管，結(jié)果最終完成的設(shè)計(jì)有四個(gè)數(shù)碼管，總電路圖卻無法完成仿真。于是進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)在數(shù)列循環(huán)控制時(shí)用到反饋環(huán)節(jié)，而反

9、饋進(jìn)過了過多的元器件，導(dǎo)致了較大的延遲，而計(jì)數(shù)器本身的計(jì)數(shù)延遲較小，循環(huán)反饋無法及時(shí)到達(dá)，使得數(shù)列循環(huán)無法完成。因?yàn)闊o法完成題目要求變重新對題目進(jìn)行分析，看有沒有理解錯(cuò)誤的地方，經(jīng)過對題目的仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，題目本身的要求都是圍繞十進(jìn)制進(jìn)行的，也就是說最后的音樂數(shù)列也是十進(jìn)制，其循環(huán)是0，1，2，3，4，5，6，7，0，1。然后在數(shù)碼顯示方面，題目要求是應(yīng)用一個(gè)數(shù)碼管完成所有循環(huán)，如此，找到了錯(cuò)誤所在，明白了仿真無法實(shí)現(xiàn)的原因，否定了原先的設(shè)計(jì)，開始進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。方案二經(jīng)過以上的錯(cuò)誤及對題目的充分理解重新整理思路，重新選擇十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，然后進(jìn)行各部分?jǐn)?shù)字顯示的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行數(shù)列循環(huán)的

10、設(shè)計(jì)，因?yàn)橹荒苡玫揭粋€(gè)數(shù)碼管，所以數(shù)字顯示要進(jìn)行選擇，也就是需要四位選擇完成，想到利用四輸入或門達(dá)到要求。脈沖源仍然利用555組成多諧振蕩器再經(jīng)過分頻得到，自然數(shù)列跟音樂數(shù)列的脈沖經(jīng)過二分頻已達(dá)到跟奇偶數(shù)列顯示時(shí)間間隔的一致性，最終完成整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，并順利完成了仿真。2 各部分電路的設(shè)計(jì)及原理2.1 數(shù)列顯示部分2.1.1自然序列的顯示電路這個(gè)部分是利用74LS160D計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的。其功能表以及引腳圖如下圖所示。 圖1 74LS160的引腳圖 表1 74LS160ENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0××××××

11、15;×000001000POS××××ABCD11111POS××××Count1111××××××QA0QB0QC0QD0111×1×××××QA0QB0QC0QD01由74LS160設(shè)計(jì)成的自然數(shù)列電路如圖所示 圖2 自然數(shù)列顯示電路原理圖由于74LS160本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)的芯片，因此對于這個(gè)部分就只需按照其功能表來接電路就可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制自然序列輸出了。在脈沖信號的觸發(fā)下，計(jì)

12、數(shù)器的輸出端的狀態(tài)依次為0000000100100011010001010110011110001001，然后再將計(jì)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。2.1.2 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(jìn)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(shí)現(xiàn)奇數(shù)序列了。雖然只顯示了五個(gè)數(shù)字，但計(jì)數(shù)器本身仍然進(jìn)行著十進(jìn)制的循環(huán)，只是兩個(gè)脈沖顯示一個(gè)數(shù)字，由此變產(chǎn)生顯示時(shí)間間隔與自然數(shù)列不同的問題，顯示時(shí)間為自然數(shù)列的兩

13、倍，于是想到應(yīng)用二分頻電路來解決，基本奇數(shù)列電路如圖 圖3 奇數(shù)序列顯示電路原理圖2.1.3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(jìn)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(shí)現(xiàn)偶數(shù)序列了。雖然只顯示了五個(gè)數(shù)字，但計(jì)數(shù)器本身仍然進(jìn)行著十進(jìn)制的循環(huán)，只是兩個(gè)脈沖顯示一個(gè)數(shù)字，由此變產(chǎn)生顯示時(shí)間間隔與自然數(shù)列不同的問題，顯示時(shí)間為自然數(shù)列的兩倍，于是想到應(yīng)用二分頻電路來解決，基本偶數(shù)列電路如圖 圖4 偶數(shù)序列顯示電路原理圖2.1.4音樂序列顯示電路 音

14、樂序列的特點(diǎn)是從0顯示到7后又再變?yōu)?，其實(shí)質(zhì)仍然是十進(jìn)制，這里可以將數(shù)碼管的最高位固定接低電平就可以實(shí)現(xiàn)了。因?yàn)?4LS160的輸出端只有三個(gè)與數(shù)碼管相接，當(dāng)74LS160的輸出為“1000”和“1001”時(shí)，這時(shí)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 圖5 音樂序列顯示電路原理圖2.2脈沖信號的產(chǎn)生產(chǎn)生信號脈沖的方法很多，這里我在設(shè)計(jì)的是利用555組成的多諧振蕩器，它是一種在接通電源后，就能產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，常做為脈沖信號源。由于不用接輸入信號就可以產(chǎn)生所需要的矩形

15、波，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候就選用這個(gè)方案。題目要求數(shù)字顯示時(shí)間在0.5s2s內(nèi)可調(diào)，于是利用多諧振蕩器周期的計(jì)算公式可知，可以通過改變電阻R1來實(shí)現(xiàn)，于是將R1變成一個(gè)變阻器。應(yīng)用的公式如下：高電平時(shí)間： 低電平時(shí)間： 一個(gè)周期時(shí)間： 輸出頻率： 設(shè)計(jì)電路圖如下 圖6 脈沖信號發(fā)生電路圖其中變阻器R1選擇200K，R2選擇10K，兩個(gè)電容全為0.01uF的，由此電路可得到周期為0.25ms1ms的脈沖信號，然后再利用1000分頻電路得到0.25s1s的脈沖信號，最終經(jīng)過二分頻電路得到0.5s2s的脈沖信號，其原始仿真波形如下 圖7 0.25ms脈沖信號波形仿真 圖8 1ms脈沖信號仿真波形 2.3

16、分頻電路的設(shè)計(jì)2.3.1 1000分頻電路的設(shè)計(jì)因?yàn)樵?55組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖周期為0.25ms1ms的，要想得到0.25s1s的信號就要進(jìn)行信號的分頻，將信號頻率縮小1000倍，其周期便可以擴(kuò)大1000倍。分頻電路實(shí)際上就是計(jì)數(shù)電路，經(jīng)過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，原始信號每經(jīng)過1000次脈沖計(jì)數(shù)，分頻電路得到一次脈沖，由此可以應(yīng)用74LS90計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)電路圖，74LS90計(jì)數(shù)器引腳圖及功能表如下 圖9 74LS90引腳圖 表2 74LS90真值表說明：引腳中MR1，MR2分別是真值表中的R9(1),R9(2);MS1,MS2分別是真值表中的R0(1),R0(2);CP0,CP1分別是電路圖中的

17、INA,INB。由74LS90設(shè)計(jì)的分頻電路圖如下 圖10 1000分頻電路原理圖用信號發(fā)生器及示波器仿真，信號發(fā)生器取1kHz的頻率，得到的波形如下 圖11 1kHz分頻后仿真波形2.3.2 二分頻電路的設(shè)計(jì)因?yàn)槠妗⑴夹蛄袛?shù)字顯示時(shí)間間隔是自然序列和音樂序列的兩倍，為了實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字時(shí)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(shí)間與奇偶電路的顯示時(shí)間相等。二進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以構(gòu)成二分頻電路。74LS90計(jì)數(shù)器本身具有二進(jìn)制與八進(jìn)制兩個(gè)電路，由此只利用其二進(jìn)制就可以實(shí)現(xiàn)二分頻了，其電路原理圖與波形仿真圖分別如下 圖12 二分頻電路原理圖 圖13 二分頻波形仿真2.4 數(shù)列循環(huán)電

18、路的設(shè)計(jì)在這個(gè)部分主要是應(yīng)用了一個(gè)四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和一個(gè)譯碼器，這個(gè)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(gè)74LS160計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相或后與74HC390的INA相接，這樣就可以通過進(jìn)位端狀態(tài)由0變?yōu)?的瞬間給它一個(gè)脈沖觸發(fā)，而另一個(gè)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(shí)現(xiàn)8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能，再將QC與CLR相連，實(shí)現(xiàn)由十進(jìn)制變?yōu)樗倪M(jìn)制。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(jì)數(shù)器的動(dòng)作狀態(tài)，它可以決定由哪個(gè)74LS160計(jì)數(shù)器來工作。當(dāng)QA,QB為“0”，“

19、0”時(shí)，這時(shí)譯碼器的輸出端就只有Y0為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生自然序列的計(jì)數(shù)器的清零端;這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有自然序列輸出的功能，同理當(dāng)QA,QB為“0”,“1”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只有Y1為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生奇數(shù)序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有奇數(shù)序列輸出的功能; 當(dāng)QA,QB為“1”,“0”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只有Y2為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生偶數(shù)序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有偶數(shù)序列輸出的功能; 當(dāng)QA,QB為“1”,“1”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只有Y3為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生音樂序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有音樂序列輸出的功能。

20、序列的循環(huán)功能就是這樣實(shí)現(xiàn)的。 圖14 序列循環(huán)電路原理圖2.5 開關(guān)清零設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)在計(jì)數(shù)開始前的清零，特設(shè)計(jì)了開關(guān)清零電路，此清零電路的原理是上電清零法，即應(yīng)用電容的充放電來實(shí)現(xiàn)清零，因此此清零方法有一定得延遲，但并不影響整個(gè)電路的工作，清零電路如下 圖15 上電清零電路原理圖開關(guān)應(yīng)該跟復(fù)位開關(guān)一樣應(yīng)用，即閉合后接著打開，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電容充電，充電完全后電路時(shí)斷開的，此時(shí)A點(diǎn)為低電平，當(dāng)開關(guān)閉合后，瞬間A點(diǎn)得到高電平，而電容也瞬間放電，因?yàn)槎际撬查g完成的，所以再接著打開開關(guān)時(shí)電容已經(jīng)不帶電，此時(shí)A點(diǎn)跟電源同時(shí)給電容充電，還有A點(diǎn)向地面的放電，使得A點(diǎn)很快便又回到低電平，雖然速度很快但是仍

21、然具有一定得延遲，延遲大約為幾百毫秒。A點(diǎn)與序列循環(huán)電路中譯碼器的使能端G相連，當(dāng)A為低電平時(shí)譯碼器才能正常工作，有輸入輸出，當(dāng)A點(diǎn)在得到高電平的一刻，譯碼器無法工作，輸出端全為高電平，經(jīng)過反相器與四個(gè)計(jì)數(shù)器的清零端相連，使得四個(gè)計(jì)數(shù)器全部清零，如此便實(shí)現(xiàn)了電路的開關(guān)清零。3 總電路圖設(shè)計(jì)與原理這個(gè)電路圖可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)間也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進(jìn)行調(diào)整。電路圖中四個(gè)74LS160的輸出端口分別與四個(gè)或門相接，然后再將四個(gè)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

22、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?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)數(shù)字顯示時(shí)間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實(shí)現(xiàn)了這一功能。首先，開關(guān)J1先要進(jìn)行一次閉合打開，實(shí)現(xiàn)電路工作前的清零。然后就是輸出自然序列，這時(shí)是U7先工作，它的清零端接的是“1“，這時(shí)就是它處在計(jì)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)U7的輸出要從9變到0的瞬間，它的進(jìn)位端的狀態(tài)是”1”，然后通過一個(gè)或門接至74LS390的脈沖輸入端，這時(shí)從“0”變至“1”，恰好有一個(gè)脈沖，就可以通過譯碼器使U8開始工作即開始計(jì)數(shù)，它從9變至1時(shí)，又通過進(jìn)位端給74LS390一個(gè)脈沖，

23、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(shí)，它的進(jìn)位端又變至“1”，就又可以給74LS390一個(gè)脈沖信號，最后就通過譯碼器控制U14的工作，輸出音樂數(shù)列。如此周而復(fù)始的這樣循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)需要的功能了。其電路圖如圖 圖16 總電路原理圖4 測試結(jié)果分析經(jīng)測試之后，電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)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(shí)間間隔也可以通過改變脈沖信號的頻率來改變。電路每次開始前可以進(jìn)行清零工作，但是有一缺點(diǎn)就是無法確定由哪一個(gè)序列開始循環(huán)，這是電路需要改進(jìn)的地方。5 體會(huì)與心得這次的課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)，讓我們能夠充分利用所學(xué)過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學(xué)習(xí)查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設(shè)計(jì)電路的能力。我相信是對我的一個(gè)很好的提高。平時(shí)在學(xué)習(xí)理論知識的時(shí)候，根本就沒有想到我所學(xué)的這些東西有什么用它們可以做成什么，只是一味利用它們來解決課后的習(xí)題，沒有想其他的用途。這次的課程設(shè)計(jì)讓我懂得了它們在實(shí)際中的用途，還有我們身邊的很多電路，例如頻率計(jì)、交通燈、數(shù)字鐘這些都是我們自己可以實(shí)現(xiàn)的，突然感覺自己學(xué)的東西很有用，我相信這樣就可以激發(fā)我以