數(shù)電課程設計

1、簡易彩燈控制器電路簡易彩燈控制電路數(shù)字電子課程設計 目 錄第1章 11.1 數(shù)字技術概論21.2 數(shù)字技術與電子計算機21.3 數(shù)字技術的其他應用4第2章 作品設計要求42.1 設計要求43.1 系統(tǒng)組成框圖43.2 工作原理分析5第4章 元器件的選擇64.1 移位寄存器74LS19464.2 74LS16194.3 D觸發(fā)器104.4 555定時器114.5 發(fā)光二極管13第5章 單元電路設計145.1 分頻電路145.2 時鐘脈沖產(chǎn)生電路155.3 狀態(tài)機電路165.4 移位輸出電路16第6章 心得體會18附 錄19附錄1：元器件清單19參考文獻19第1章 系統(tǒng)設計緒論1.1 數(shù)字技術概論

2、電子技術是20世紀發(fā)展最迅速，應用最廣泛的技術，已經(jīng)使得工業(yè)，農(nóng)業(yè)，科研，教育，醫(yī)療，文化娛樂以及人們的日常生活發(fā)生了根本的變革。特別是數(shù)字電子技術，在近四十多年來，取得了令人矚目的進步。電子技術的發(fā)展歷程是以電子器件的發(fā)展為基礎的。20世紀初直至中葉，主要使用的電子器件是真空管，也稱電子管。隨著固體微電子學的進步，第一支晶體三極管于1947年問世，開創(chuàng)了電子技術的新領域。隨后60年代初，模擬和數(shù)字集成電路相繼問世。到70年代末微處理器的問世，電子器件及應用出現(xiàn)了嶄新的局面。1988年，集成工藝可在一平方厘米的硅片上集成3500萬個元件，說明集成電路進入甚大規(guī)模階段。當前的制造技術已經(jīng)使得集成

3、電路芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米和深亞微米（）量級。隨著芯片上元件和布線的縮小，芯片的功耗降低而速度大為提高。最新生產(chǎn)的微處理器的時鐘頻率高達。數(shù)字技術的發(fā)展歷程與模擬電路一樣，經(jīng)歷了由電子管，半導體分立器件到集成電路的過程。由于集成電路的發(fā)展非常迅速，很快占有主導地位，因此，數(shù)字電路的主流形式是數(shù)字集成電路。從20世紀60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件，隨后發(fā)展到中規(guī)模；70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍；從80年代中期開始，專用集成電路（ASIC）制作技術已趨向成熟，標志著數(shù)字集成電路發(fā)展到了新的階段。1.2 數(shù)字技術與電子計算機數(shù)字技術應

4、用的典型代表是電子計算機，它是伴隨著電子技術的發(fā)展而發(fā)展的?，F(xiàn)代計算機起源自英國數(shù)學教授Charles Babbage。他發(fā)現(xiàn)通常的計算設備中有許多錯誤，在劍橋?qū)W習時，他認為可以利用蒸汽機進行運算。起先他設計差分機用于計算導航表，后來，他發(fā)現(xiàn)差分機只是專門用途的機器，于是放棄了原來的研究，開始設計包含現(xiàn)代計算機基本組成部分的分析機（Analytical-Engine）。Babbage的蒸汽動力計算機雖然最終沒有完成，以今天的標準看也是非常原始的，然而，它勾畫出現(xiàn)代通用計算機的基本功能部分，在概念上是一個突破。在這之前的計算機，都是基于機械運行方式，盡管有個別產(chǎn)品開始引入一些電學內(nèi)容，

5、卻都是從屬與機械的，還沒有進入計算機的靈活：邏輯運算領域。而在這之后，隨著電子技術的飛速發(fā)展，計算機就開始了由機械向電子時代的過渡，電子越來越成為計算機的主體，機械越來越成為從屬，二者的地位發(fā)生了變化，計算機也開始了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。1906年美國的Lee De Forest發(fā)明了電子管。在這之前造出數(shù)字電子計算機是不可能的。這為電子計算機的發(fā)展奠定了基礎。1935年IBM推出IBM 601機，這是一臺能在一秒鐘算出乘法的穿孔卡片計算機。這臺機器無論在自然科學還是在商業(yè)意義上都具有重要的地位。大約造了1500臺。1938年Claude E.Shannon發(fā)表了用繼電器進行

6、邏輯表示的論文。1938年柏林的Konrad Zuse和他的助手們完成了一個機械可編程二進制形式的計算機，其理論基礎是Boolean代數(shù)。后來命名為Z1。它的功能比較強大，用類似電影膠片的東西作為存儲介質(zhì)?？梢赃\算七位指數(shù)和16位小數(shù)。可以用一個鍵盤輸入數(shù)字，用燈泡顯示結(jié)果。1939年加利福尼亞的David Hewlet和William Packard在他們的車庫里造出了Hewlett-Packard計算機。名字是兩人用投硬幣的方式?jīng)Q定的。包括兩人名字的一部分。1939年11月美國John V.Atanasoff和他的學生Clifford Berry&#

7、160;完成了一臺16位的加法器，這是第一臺真空管計算機。1939年Zuse和Schreyer開始在他們的Z1計算機的基礎上發(fā)展Z2計算機，并用繼電器改進它的存儲和計算單元。1940年Schreyer利用真空管完成了一個10位的加法器，并使用了氖燈做存儲裝置。1943年到1959年時期的計算機通常被稱作第一代計算機。使用真空管，所有的程序都是用機器碼編寫，使用穿孔卡片。典型的機器就是UNIVAC。1943年1月Mark I，自動順序控制計算機在美國研制成功。整個機器有51英尺長，重5噸，75萬個零部件，使用了3304個繼電器，60個開關作為機械只讀存儲器。程序存儲在紙帶上，數(shù)據(jù)可以來

8、自紙帶或卡片閱讀器。被用來為美國海軍計算彈道火力表。1943年4月Max Newman、Wynn-Williams和他們的研究小組研制成功"Heath Robinson"，這是一臺密碼破譯機，嚴格說的話不是一臺計算機。但是其使用了一些邏輯部件和真空管，其光學裝置每秒鐘能讀入2000個字符。同樣具有劃時代的意義。1943年9月 Williams和Stibitz完成了"Relay Interpolator"，后來命名為”Model II Relay Calculator”。這是一臺可編程計

9、算機。同樣使用紙帶輸入程序和數(shù)據(jù)。其運行更可靠，每個數(shù)用7個繼電器表示，可進行浮點運算。1943年12月，最早的可編程計算機在英國推出，包括2400個真空管，目的是為了破譯德國的密碼，每秒能翻譯大約5000個字符，但使用完后不久就遭到了毀壞。據(jù)說是因為在翻譯俄語的時候出現(xiàn)了錯誤。真空管時代的計算機盡管已經(jīng)步入了現(xiàn)代計算機的范疇，但其體積之大、能耗之高、故障之多、價格之貴大大制約了它的普及應用。直到晶體管被發(fā)明出來，電子計算機才找到了騰飛的起點。1947年 Bell實驗室的William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. Brattain.發(fā)明了晶體管，開辟

10、了電子時代新紀元。1949年劍橋大學的Wilkes和他的小組建成了一臺存儲程序的計算機EDSAC。這是一個突破，可以多次在其上存儲程序。這臺機器是John von Neumann提議建造的。1950年軟磁盤由東京帝國大學的Yoshiro Nakamats發(fā)明。其銷售權由IBM公司獲得。開創(chuàng)存儲時代新紀元。1950年英國數(shù)學家和計算機先驅(qū)Alan Turing說：計算機將會具有人的智慧，如果一個人和一臺機器對話，對于提出和回答的問題，這個人不能區(qū)別到底對話的是機器還是人，那么這臺機器就具有了人的智能。1951年Grace Murray Hopper完成了高

11、級語言編譯器。1954年IBM的John Backus和他的研究小組開始開發(fā) FORTRAN (FORmula TRANslation)，1957年完成，這是一種適合科學研究使用的計算機高級語言。1956年第一次有關人工智能的會議在Dartmouth學院召開。1957年IBM開發(fā)成功第一臺點陣打印機。1957年FORTRAN 高級語言開發(fā)成功。1.3 數(shù)字技術的其他應用交通控制系統(tǒng)也是數(shù)字技術應用的一典型范例。交通燈是1920年問世的，早期的交通燈是用機電定時器控制。后來用繼電器和開關構成的控制器，根據(jù)道路上傳感檢測的信號進行控制?，F(xiàn)在的交通燈

12、由計算機控制，可以將監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的車輛流量信息送到系統(tǒng)計算機 ，經(jīng)過計算后進行合理的時間分配。如果某路口東西方向堵塞，則將該路口東西方向的綠燈自動延時，并將附近區(qū)域東西方向的紅燈也自動地延時，堵塞接觸后，信號燈恢復正常狀態(tài)。第2章 作品設計要求2.1 設計要求題目：簡易彩燈控制器電路基本要求：（1）要求電路能夠控制8個以上的彩燈。 (2）要求彩燈組成四種以上的花形，每種花形連續(xù)循環(huán)兩次，各種花形輪流顯示。第3章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成框圖把四花型彩光燈設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計，每個模塊完成特定的功能，再它們組織起來構成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，

13、它們分別為：時鐘振蕩電路，555定時器構成多諧振蕩器;分頻電路，由一個四位二進制計數(shù)器 74LS161組成， 并為D觸發(fā)器提供時鐘信號；狀態(tài)機電路，由雙 D 觸發(fā)器組成（狀態(tài)機換言之就是改變輸入的時鐘信號的循環(huán)周期）；移位顯示電路，由兩個雙向移位寄存器 74194 和8個發(fā)光二極管組成.實現(xiàn)花型顯示如圖3-1：圖3-1 系統(tǒng)組成框圖3.2 工作原理分析改系統(tǒng)由555定時器構成的時鐘振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的脈沖，一方面作用于由74161組成的分頻電路，一方面作用于由74F194構成的移位輸出電路，為他們提供時鐘信號。由于74161是16分頻計數(shù)器，故每十六個脈沖74LS161進位一次,致使觸發(fā)器U

14、4A翻轉(zhuǎn)一次，而觸發(fā)器U4B的11腳連接的是觸發(fā)器U4A的5腳，實現(xiàn)了U4A的16分頻和U4B的32分頻。所以平均U4A翻轉(zhuǎn)兩次而U4B翻轉(zhuǎn)一次。有兩個集成移位寄存器，各控制4個彩燈，集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中1和0是兩個控制輸入端。雙觸發(fā)器的輸出端改變0,1的值，實現(xiàn)左右移動控制，可組成U4A左移，U4B右移；U4A右移，U4B右移；U4A左移，U4B左移；U4A右移，U4B左移四種花型。每十六個脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為下一種花型。四種花型如下：花型一：四個燈為一組，兩組均從右向左亮起，再從右向左滅掉。花型二：四個燈為一組

15、，兩組均向中間亮起，再從兩邊向中間滅掉?；ㄐ腿核膫€燈為一組，兩組均從左向右亮起，再從左向右滅掉?；ㄐ退模核膫€燈為一組，兩組均從中間向兩邊亮起，再從中間向兩邊滅掉。表3-1節(jié)拍脈沖編碼D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8花型一花型二花型三花型四10000000000000000000000000000000020001000110000001100010000001100030011001111000011110011000011110040111011111100111111011100111111051111111111111111111111111111111161110111

16、0011111100111111011100111711001100001111000011110011000011810001000000110000001100010000001900000000000000000000000000000000第4章 元器件的選擇4.1 移位寄存器74LS194移位寄存器74LS194邏輯電路圖和邏輯圖如下： 圖4-1 74LS194集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及它們的輸入控制電路組成。其中兩個控制輸入端M1、M0的狀態(tài)組合可以完成4種控制功能，其中左移和右移兩項是指串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端DSL和右移輸入端DSR送入寄存器的。RD為異

17、步清零輸入端。CRM1 M0DSL DSR CPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q00 × ×× × ×× × × ×0 0 0 01 × ×× ×1(0)× × × ×Q3 Q2 Q1 Q01 1 1× × D C B AD C B A1 1 01 ×× × × ×1 Q3 Q2 Q11 1 00 ×× × ×

18、; ×0 Q3 Q2 Q110 1× 1× × × ×Q2 Q1 Q0 110 1 × 0× × × ×Q2 Q1 Q0 010 0× × ×× × × ×Q3 Q2 Q1 Q0表4-1 74LS194真值表Ø 第1行表示寄存器異步清零；Ø 第2行表示當RD=1，CP=1(或0)時，寄存器處于原來狀態(tài)；Ø 第3行表示為并行輸入同步預置數(shù)；Ø 第4、5行為串行輸入左移；Ø

19、; 第6、7行為串行輸入右移；Ø 第8行為保持狀態(tài)?？刂菩盘柟δ躍1S000保持01右移10左移11并行輸入表4-21和0是兩個控制輸入端。雙觸發(fā)器的輸出端改變0,1的值，實現(xiàn)左右移動控制。4.2 74LS16174LS161的引腳圖如下：圖4-2 74LS161引腳圖74LS161是4位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預置控制端，P0,P1,P2,P3是預置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。Ø 異步清零：當1腳接低電平時，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計數(shù)器直接清零Ø 同步并行預置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當9腳接低電平且有

20、時鐘脈沖時P0,P1,P2,P3輸入端的數(shù)據(jù)分別被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。Ø 保持：1和9腳同時接高電平，兩個記數(shù)使能端有一個接低電平時，不管有無脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。Ø 記數(shù)：當1,7,9,10管腳都接高電平時，計數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。74LS161功能表如下所示：表4-3 74LS161功能表4.3 D觸發(fā)器 圖3-3是D觸發(fā)器的邏輯符號，圖4-3（a）是CP上升沿有效，4-4（b）所示為CP下降沿有效。 （a） (b)圖4-3 維持阻塞D觸發(fā)器邏輯符號此表為D觸發(fā)器的特征方程為：Qn+1=DD觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3-4所示。圖4-4 D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖D

21、觸發(fā)器的真值表DQQn+10000101011114.4 555定時器 圖3-5 555時基電路的電路結(jié)構及引腳圖上圖為555時基電路的電路結(jié)構和8引腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND（或Vss）外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V,CMOS型時基電路VCC的范圍為318V。一般為5V。3腳：OUT（或Vo）或輸出端。2腳：TR低觸發(fā)器。6腳：TH高觸發(fā)器。4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則

22、時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號。基

23、本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器C1、C2基準電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時基電路的功能表如下表所示：表4-4 555時基電路的功能表由555構成的多諧振器Ø 輸出高電平時間 T=(R1+R2)Cln2Ø 輸出低電平時間T=R2Cln2Ø 振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln2 Ø 輸出方波的占空比為：4.5 發(fā)光二極管圖4-6 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是半導體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，簡寫為LED。它的基本結(jié)構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然

24、后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同發(fā)光二極管電子和空穴復合時釋放出的能量不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短，光的強弱與電流有關。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。第5章 單元電路設計5.1 分頻電路圖5-1 74LS161連接圖如圖所示74LS161是4位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預置控制端，P0,P1,P2,P3是預置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。

25、當時鐘電路產(chǎn)生16個脈沖時，計數(shù)器進位端進1，促使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)或截止。5.2 時鐘脈沖產(chǎn)生電路用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖。電路圖如圖5-2所示: 圖5-2由555定時器構成的多諧振蕩器接通電源后，電容1被充電，當TRI管腳處的電壓（Vc）上升到cc/3時，觸發(fā)器被復位，同時放電三極管導通，此時電容1通過和放電，c下降。當c下降掉cc/3時，o翻轉(zhuǎn)為高電平。振蕩器的振蕩頻率約為1.43/(R1+2*R2)*C1。5.3 狀態(tài)機電路圖5-3 狀態(tài)機電路圖狀態(tài)機電路由兩個觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U1A的5腳與觸發(fā)器的U2A的3腳連接，從而實現(xiàn)U1A的16分頻和U2A的

26、32分頻。觸發(fā)器為上升沿出發(fā)，當脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。假設開始時U1A的腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉(zhuǎn)使腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的11腳也變?yōu)榈碗娖?。當分頻電路經(jīng)過第二個16拍時，再次進位，U1A的腳為高電平而此時U2A的12腳也再次變?yōu)楦唠?，此過程中U2A經(jīng)歷了一個上升沿觸發(fā)，翻轉(zhuǎn)一次，從而實現(xiàn)四種花型的輪流變換。5.4 移位輸出電路圖4-5移位輸出電路電路圖其中1和0是兩個控制輸入端,A、B、C、D是并行輸入端，他們的狀態(tài)組合可以完成四種控制功能，其中左移和右移兩項是串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端7引腳和右移輸入端2引腳送入寄存器中的。1引腳為異步清零。本電路中要求移位過程中數(shù)據(jù)不丟失，故采用