閃光燈邏輯控制電路的設(shè)計與制作

課題四閃光燈邏輯控制電路的設(shè)計與制作閃光燈邏輯控制電路是電子游戲、廣告制作、舞臺演出中最常用的邏輯控制電路，和前三個課題不同的是電路采用純數(shù)字電路器件來實現(xiàn)。數(shù)字電路能用的器件有通用的中，小規(guī)模集成電路和專用的數(shù)字集成電路兩種，器件的選擇余地更大，設(shè)計方案較多。數(shù)字電路的設(shè)計思路與模擬電路有著根本的差別，而且只要電路邏輯設(shè)計正確，調(diào)試的工作量較小。希望通過本課題的設(shè)計與制作，使初學(xué)者能熟悉數(shù)字電路的一般設(shè)計方法。設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計并制作一個閃光燈控制邏輯電路，設(shè)計要求：紅（R）、黃（A）、綠（G）三種顏色的閃光燈在時鐘信號作用下按表3—5規(guī)定的邏輯順序轉(zhuǎn)換。表中“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。要求電路能自啟動。狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間間隔為0.5s，設(shè)計并制作一個CP脈沖源。表3-5閃光燈轉(zhuǎn)換順序表CP順序RAG000011002010300141115001601071008000設(shè)計方案的選擇（1）邏輯分析三個閃光燈R、A、G作為三個輸出變量，燈亮為“1”，燈滅為“0”，在時鐘CP的作用下，共8個狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3-4-1所示。

圖3-4-1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖3-4-1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可知，本電路可以自啟動。設(shè)計思路：能否用一個八進制計數(shù)器，再設(shè)計一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路，將計數(shù)器的8個輸出狀態(tài)依次轉(zhuǎn)化為燈光控制電路的規(guī)定狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的真值表如表3-6所示。表3-6狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表輸入變量輸出變量Q2Q1Q0RAG000000001100010010011001100111101001110010111100由真值表可得輸出變量的函數(shù)表達式為R=~QQQ+eqQ+qqq_21_0 2__21_0_a=QqQ+qQQ+qqq~_210 210 210g=Qqq+qqQ+qqq210 210 210設(shè)計方案的比較與選擇由上分析，，本課題總的設(shè)計方案是先設(shè)計一個八進制同步加法計數(shù)器為閃光燈邏輯控制電路提供輸入變量，再設(shè)計一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路保證閃光燈按規(guī)定順序工作。八進制計數(shù)器根據(jù)器件來源，可以選用三片小規(guī)模集成觸發(fā)器如D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器等，也可采用中規(guī)模集成計數(shù)器如74LS160，74LS161等構(gòu)成，轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方案更多，可采用門電路，也可采用數(shù)據(jù)選擇器，3線8線譯碼器，甚至只讀存儲器ROM來實現(xiàn)。不同的器件對邏輯函數(shù)

的處理方式不同。本課題首先確定八進制計數(shù)器由十進制同步加法計數(shù)器74LS160來實現(xiàn)，只是轉(zhuǎn)換電路選用不同的器件，介紹三種設(shè)計方案供選擇比較。單元電路的設(shè)計（1）八進制計數(shù)器的設(shè)計圖3-4-2電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖3-4-2用74LS160接成八進制計數(shù)器電路如圖3-4-2所示，采用預(yù)置數(shù)法，令DDDD均為零，當(dāng)計數(shù)器輸出端QQQQ=01110123 3210時LD=0，再來一個CP的上升沿，計數(shù)器狀態(tài)變?yōu)?000，實現(xiàn)八進制計數(shù)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3-4-3所示。由圖可知，電路可以實現(xiàn)自啟動。勺為3輸入與非門，選用三3輸入與非門74LS10，只用其中一組。74LS160的功能表如表3-7所示，各管腳排列見附錄三之三。

74LS160的功能表CPLDEFET工作狀態(tài)0XXK置零—10XX預(yù)置數(shù)X1101保持X11Xa保持〔但1111計數(shù)(2)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計設(shè)計方案1：轉(zhuǎn)換電路選用SSI(小規(guī)模集成電路)由式3-4-1經(jīng)化簡變換成與非——與非形式得:R=222+222+222=222?222?2222 1 0 2 1 0 2 1 0 2 1 0 2 1 0 2 1 0品qeo+。22。=烏eo-222og=22+222=22?2222 1 2 1 0 2 1 2 1 0畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路的邏輯圖如圖3-4-3所示。 1?—1 4。 * 1 1| 4 ■ 1 * 電“1 —* 1 ? &&&&|&&&r5， V V V \r1_1 1_1&&&圖3-4-3方案1的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路邏輯圖由上圖知，該方案使用的與非門太多，除非片源只有與非門時才使用該方案。設(shè)計方案2：轉(zhuǎn)換電路選用雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153數(shù)據(jù)選擇器74LS153片內(nèi)由兩個4選1數(shù)據(jù)選擇器組成，以&、A。作為地址代碼，A。、&的4種狀態(tài)可選擇4個數(shù)據(jù)中的一個。使能控制電路的工作狀態(tài)，輸出邏輯式為：

Y1=[D10(A1A0)(TA0)

A°Y1=[D10(A1A0)(TA0)

A°為Q。，+D11(氣A0)

+D21(不A0)

Y1=R,Y2=A,+D12(A1A0)+D13(A1A0)]S1+D22(A1A0)+D23(A1A0)]S2G端用另1片的L。Y2=[D20由上，令A(yù)]為Q「D=Q、D=Qc、D=0、D=Q、D=Q、D=D=0、D=110 2 11 2 12 13 2 20 2 21 23 22D10=D11=Q2.D/0、D13=Q2,則邏輯表達式為：R=Q(~Q~Q)+Q(QQ)+0-(QQ)+Q(QQ)2 —10 2 1 0 1 0 2 1 0a=Q2(Q1Q0)+0.([Q0)+1(Q1Q0)+0-(Q1Q0)

g=Q2(Q1Q)+Q2QQ_)+0-(QQ)+Q(QQ一)片（1）片（2）式(3-4-2)中，0，0 1 0 2 1 0畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路的邏輯圖如圖3-4-4所示。接地，1——接+5V圖3-4-4方案2的邏輯電路圖圖中74LS153的管腳圖見附錄三之三。由圖，由于采用了中規(guī)模集成電路，電路結(jié)構(gòu)及連線比方案1要簡單得多。設(shè)計方案3：狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路采用3線——8線譯碼器74LS138來完成74LS138有3個輸入變量端，正好對應(yīng)紅、黃、綠三種顏色的燈，輸出有8個端口，將三個輸入變量的全部最小項譯碼輸出，根據(jù)式（3-4-1）的邏輯關(guān)系進行適當(dāng)?shù)慕M合。由式(3-4-1)：R=QQQ+QQQ+QQQ=m+m+m=m-m-mTOC\o"1-5"\h\z2 1 0 2 1 0 2 1 0 1 4 7 1 4 7A=QqQ+qqQ+qqQ =m +m +m = m -m -m210 210 210 2 4 6 2 4 6G=QQQ+QQQ+QQQ=m+m+m=m-m-m2 1 0 2 1 0 2 1 0 3 4 5 3 4 5設(shè)計方案3的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路如圖3-4-5所示。

G74LS13SG74LS13S圖3-4-5方案3的狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯電路圖由圖知，此方案比方案1要簡單得多，與方案2相比各有特點，但接線比方案2相對簡單，且少用一片集成塊。時鐘電路的設(shè)計對時鐘電路的要求是周期為0.5s，脈沖幅值3vWUmW5v，前沿要陡直，且穩(wěn)定性要好，實現(xiàn)上述要求的電路形式很多，如用兩片集成反向器構(gòu)成對稱式或非對稱式多諧振蕩器，或用一片施密特反相器、一個電阻、一個電容可構(gòu)成多諧振蕩器，也可用555定時器組成多諧振蕩器，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。設(shè)計方案的選擇選用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器作為時鐘電路，電路如圖3-4-6所示。參數(shù)計算如下:由T=(R1+2R2)C」n2=0.5S則有1 0.5R1+2R「0.69xC1取C=10uF1則r+2R=互x105=72.5KQ120.69取R=12KQ,R2=30KQ1調(diào)整R2，使周期為0.5s，頻率為2Hz。(取0.01uF。圖3-4-6時鐘信號發(fā)生電路總電路圖(1)選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153的總電路圖圖3-4-7閃光燈邏輯控制電路之一圖中，因74LS160的七不接，本身即為八進制計數(shù)器，故圖3-4-2中G實際無用，省去。(2)采用74LS138作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路的總電路圖

圖3-4-8閃光燈邏輯控制電路之二圖3-4-8閃光燈邏輯控制電路之二圖中74LS160的Q3端不用，故省去G1、§、§、§可選用1片三3輸入與非門74LS10即可，各片的管腳功能圖參見附錄三之三。實驗與調(diào)試數(shù)字電子電路的安裝與調(diào)試方式和模擬電子電路基本相同，可以采取一次安裝逐級調(diào)試，也可以逐級安裝與調(diào)試，與模擬電路相比，調(diào)試工作量較小，只要邏輯關(guān)系正確，一般結(jié)果不會出現(xiàn)大的問題，但由于引線較多，故障率較高，在安裝調(diào)試時應(yīng)合理布線，便于檢查。（1） 時鐘電路的安裝于調(diào)試按圖3-4-6電路及參數(shù)安裝后通電，示波器接555定時器的③腳，測量是否有脈沖波輸出。若沒有，應(yīng)檢查電路連接是否有錯，直至波形正常輸出，測出幅值是否=3V，周期一般要經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整％或虬，直至達到0.5為止。（2） 八進制計數(shù)器的安裝與調(diào)試按圖3-4-7或圖3-4-8安裝計數(shù)器部分的八進制計數(shù)器，接通+SV電源，并從CP端輸入時鐘電路的輸出時鐘脈沖，分別用示波器觀察Q。、Q「Q2的波形，應(yīng)如圖3-4-9所示。.pjmrLRFLnrLj^2Hi(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試按圖3-4-7或圖3-4-8中狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路組裝電路，檢查無誤，并在R、A、G端分別接上紅、黃、綠發(fā)光二極管。通電后觀察閃光燈的亮滅規(guī)律是否滿足表3-5的要求。6.元器件清單(按圖3-4-8方案列出)序號名稱序號規(guī)格型號數(shù)量1電阻R0.125W12KQ12電阻R0.125W30KQ13電容C 1 10uF16V14電容C 2 0.01uF15計數(shù)器74LS160163線8線譯碼器74LSA13817三3輸入與非門G、G、G——2 3 474LS101設(shè)計任務(wù)分析電路的設(shè)計內(nèi)容，說