數(shù)字電子技術-9

數(shù)字電子技術4交通燈控制邏輯電路設計1概

述第9章

綜合課程設計2智力競賽搶答器邏輯電路設計3數(shù)字電子鐘邏輯電路設計9.1概述1．設計與計算階段學生根據(jù)所選課題的任務、要求和條件進行總體方案的設計，通過論證與選擇，確定總體方案，并對方案中的單元電路進行選擇和設計計算，最后畫出總體電路圖。2．安裝與調試階段經(jīng)指導教師審查通過后，學生即可領取所需元器件進行電路組裝和電路調試，通過排除電路故障、調整元器件、修改電路結構等環(huán)節(jié)，使之達到設計指標要求。3．撰寫總結報告階段（1）課題名稱。（2）課題設計任務和要求。（3）課題方案選擇與論證。（4）課題方案設計說明，主要包括以下3個方面。①設計原理框圖、總體電路結構圖、布線圖及它們的說明。②單元電路設計與計算說明。③元器件選擇和電路參數(shù)計算的說明。（5）電路調試情況，主要是對電路的工作情況進行測試、記錄、整理與結果分析，以及調試中出現(xiàn)的問題，原因分析和解決措施等。（6）實驗設計后的收獲體會、存在問題和進—步的改進意見等。9.2智力競賽搶答器邏輯電路設計簡述1設計任務及要求2設計方案提示3主要元器件選擇4設計原理及參考電路59.2.1簡述如圖9-1所示為智力競賽搶答器的電路原理組成方框圖。圖9-1智力競賽搶答器原理框圖具體要求主要包括以下幾點。9.2.2設計任務及要求（1）搶答組數(shù)為4組，輸入搶答信號的控制電路應由無抖動開關來實現(xiàn)。（2）選組電路能迅速、準確地判別搶答者，同時能排除其他組的干擾信號，即閉鎖其他各路輸入使其再按開關時失去作用，并能對搶中者發(fā)出聲、光顯示和鳴叫指示。（3）計數(shù)顯示電路為3位十進制計分顯示電路，能進行加/減計分。（4）開始作答時，啟動定時燈亮，開始計時；當計時結束時，喇叭發(fā)出單音調“嘟”聲，并熄滅指示燈。根據(jù)設計任務和要求，參考智力競賽搶答器的原理框圖，可分以下幾部分進行模塊化設計。9.2.3設計方案提示（1）復位和搶答開關輸入防抖電路可采用增加吸收電容或RS觸發(fā)器的方法來實現(xiàn)。（2）判別選組電路可以用觸發(fā)器和組合邏輯電路完成，也可用一些特殊器件（如MC14599或CD4099八路可尋址輸出鎖存器）來實現(xiàn)。倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器電路中，

S0

～S3為模擬開關，由輸入數(shù)碼Di

控制；R和2R

組成電阻解碼網(wǎng)絡，呈倒T形；運算放大器A構成求和電路。（1）當時，Si

接運放反相輸入端（“虛地”），Ii

流入求和電路。（2）當時，Si

將電阻2R接地。無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均等效接“地”（地或虛地）。這樣流經(jīng)2R電阻的電流與開關位置無關，為確定值。（3）計數(shù)顯示電路可用8421碼撥碼開關譯碼電路顯示；加/減計數(shù)既可以由8421碼撥碼開關實現(xiàn)，也可由加/減計數(shù)器（如74LS193）來組成；譯碼、顯示可以用共陰或共陽組件，也可用CL002譯碼顯示器。（4）啟動定時電路時，定時計數(shù)器按減計數(shù)或加計數(shù)方式進行工作，并使指示燈亮；定時結束時，輸出一脈沖，驅動音響電路工作，并使指示燈滅。智力競賽搶答器的主要元器件如下。9.2.4主要元器件選擇（1）通用實驗底板。（2）直流穩(wěn)壓電源。（3）集成電路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及門電路。（4）顯示器：LCD5011-11、CL002、發(fā)光二極管。（5）撥碼開關（8421碼）。（6）阻容元件、電位器。（7）喇叭、開關等。如圖9-2所示為智力競賽搶答器的邏輯電路參考圖。9.2.5設計原理及參考電路圖9-2智力競賽搶答器的邏輯電路參考圖1．計分部分每組均由8421碼撥碼開關KS-1，完成分數(shù)的增和減，每組為三位，個、十、百位，每位可以單獨進行加減。例如，100分加10分變?yōu)?10分，只需按動撥碼開關十位“”號一次；若加“20”分，只要按動“+”號兩次。若減分，方法相同，即按動“”號就能完成減數(shù)計分。另外，計分電路也可以用電子開關或集成加、減法計數(shù)器來組合完成。2．判組電路判組電路由RS觸發(fā)器完成，CD4043為三態(tài)RS鎖存觸發(fā)器，當S1

按下時，Q1

為1，這時或非門74LS25為低電平，封鎖了其他組的輸入。Q1為1，使發(fā)光管D1發(fā)亮，同時也驅動音響電路鳴叫，實現(xiàn)聲、光的指示。輸入端采用了阻容方法，以防止開關抖動。3．定時電路當進行搶答或必答時，主持人按動單次脈沖啟動開關，使定時數(shù)據(jù)置入計數(shù)器，同時使JK觸發(fā)器74LS112翻轉（

），定時器進行減計數(shù)定時，定時開始，定時指示燈亮。當定時時間到，即減法計數(shù)器為“00”時，為“1”，定時結束，控制音響電路鳴叫，并滅掉指示燈（JK觸發(fā)器的，）。如圖9-3所示為音響電路的音頻時序波形圖，其中f1和f2

為兩種不同的音響頻率。當某組搶答時，應為多音，其時序應為間斷音頻輸出；當定時到，應為單音，其時序應為單音頻輸出。4．音響電路圖9-3音頻時序波形圖9.3數(shù)字電子鐘邏輯電路設計簡述1設計任務及要求2設計方案提示3主要元器件選擇4設計原理及參考電路59.3.1簡述如圖9-4所示為數(shù)字電子鐘的電路原理組成方框圖。圖9-4數(shù)字電子鐘原理框圖（1）由晶振電路產(chǎn)生1Hz標準秒信號。（2）秒、分為00～59六十進制計數(shù)器。（3）時為00～23二十四進制計數(shù)器。（4）周顯示從1～日為七進制計數(shù)器。9.3.2設計任務及要求用中、小規(guī)模集成電路設計一臺能顯示日、時、分、秒的數(shù)字電子鐘，具體要求主要包括以下幾點。（5）可手動校時：能分別進行秒、分、時、日的校時，即只要將開關置于手動位置，就可分別對秒、分、時、日進行手動脈沖輸入調整或連續(xù)脈沖輸入的校正。（6）整點報時：要求電路在每個整點前鳴叫五次低音（500Hz），整點時再鳴叫一次高音（1000Hz）。9.3.3設計方案提示如圖9-5所示為秒脈沖發(fā)生器的電路結構。圖9-5秒脈沖發(fā)生器的電路結構1．秒脈沖發(fā)生器2．計數(shù)譯碼顯示以“日”計數(shù)譯碼顯示為例，設計七進制計數(shù)器時，應根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表進行（日用數(shù)字8代替），如表9-1所示。表9-1“日”計數(shù)譯碼顯示狀態(tài)表3．校時電路在剛開機接通電源時，由于日、時、分、秒為任意值，所以需要進行調整，即將計數(shù)開關置為手動狀態(tài)，分別對時、分、秒、日進行單獨計數(shù)，計數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。當時計數(shù)器在每次計到整點前6s時，需要報時，可用譯碼電路來解決，即當分為59時，則秒在計數(shù)計到54時，輸出一延時高電平打開低音與門，使報時聲按500Hz頻率鳴叫5聲，直至秒計數(shù)器計到58時，結束高電平脈沖；當秒計數(shù)到59時，驅動1kHz頻率高音輸出而鳴叫1聲。4．整點報時電路9.3.4主要元器件選擇數(shù)字電子鐘的主要元器件如下。（1）通用實驗底板。（2）直流穩(wěn)壓電源。（3）集成電路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及門電路。（4）晶振：32768Hz。（5）電容：100μF/16V、22pF、3～22pF之間。（6）電阻：200Ω、10kΩ、22MΩ。（7）電位器：2.2kΩ或4.7kΩ。（8）數(shù)顯：共陰顯示器LC5011-11。（9）開關：單次按鍵。（10）三極管：8050。9.3.5設計原理及參考電路如圖9-6所示為數(shù)字電子鐘的邏輯電路參考圖。圖9-6數(shù)字電子鐘的邏輯電路參考圖1．秒脈沖電路由晶振32768Hz經(jīng)14分頻器分頻為2Hz，再經(jīng)一次分頻，即得1Hz標準秒脈沖，供時鐘計數(shù)器用。2．單次脈沖和連續(xù)脈沖電路單次、連續(xù)脈沖均由門電路構成，主要用于手動校時。若開關K1打在單次端，要調整日、時、分、秒即可按單次脈沖進行校正。如K1在單次，K2在手動，則此時按動單次脈沖鍵，使日計數(shù)器從星期“1”到星期“日”計數(shù)。若開關K1處于連續(xù)端，則校正時，不需要按動單次脈沖，即可進行校正。3．秒、分、時、日計數(shù)器電路這一部分電路均使用中規(guī)模集成電路74LS161實現(xiàn)秒、分、時的計數(shù)，其中秒、分為六十進制，時為二十四進制。時計數(shù)器為二十四進制，當開始計數(shù)時，個位按十進制計數(shù)，當計到23時，這時再來一個脈沖，應該回到“零”。對于日計數(shù)器電路，它是由四個D觸發(fā)器組成的（也可以用JK觸發(fā)器），其邏輯功能為當計數(shù)器計到6后，再來一個脈沖，用7的瞬態(tài)將Q3，Q2，Q1，Q0

置數(shù)，即為“1000”，從而顯示“日”。譯碼、顯示很簡單，采用共陰極LED數(shù)碼管LC5011-11和譯碼器74LS248，當然也可用共陽數(shù)碼管和譯碼器。當計數(shù)到整點的前6秒鐘，此時應該準備報時。當分計到59分時，將分觸發(fā)器QH置1，而等到秒計數(shù)到54秒時，將秒觸發(fā)器QL置1，然后通過QL與QH相與后再和1s標準秒信號相與而去控制低音喇叭鳴叫，直至59秒時，產(chǎn)生一個復位信號，使QL清0，停止低音鳴叫，同時59秒信號的反相又和QH相與后去控制高音喇叭鳴叫。當計到分、秒從59:59～00:00時，鳴叫結束，完成整點報時。5．整點報時電路4．譯碼、顯示電路鳴叫電路由高、低兩種頻率通過或門去驅動一個三極管，帶動喇叭鳴叫。1kHz和500Hz從晶振分頻器近似獲得。圖9-6中CD4060分頻器輸出端Q3的輸出頻率為1024Hz，Q6的輸出頻率為512Hz。6．鳴叫電路9.4交通燈控制邏輯電路設計5.設計原理及參考電路3.設計方案提示2.設計任務及要求1.簡述4.主要元器件選擇9.4.1簡述如圖9-7所示為交通燈控制器的電路原理組成方框圖。圖9-7交通燈控制器原理框圖9.4.2設計任務及要求設計一個十字路口交通信號燈控制器，具體要求主要有：（1）如圖9-8所示為交通燈順序工作流程圖，設南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR，NSY，NSG；東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR，EWY，EWG。圖9-8交通燈順序工作流程圖（2）如圖9-9所示為交通燈時序工作流程圖，兩個方向的工作時序應滿足：東西方向亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之和；南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。圖9-9交通燈時序工作流程圖（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間，具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。（4）可以手動調整和自動控制，夜間設置為黃燈閃耀。（5）在完成上述任務后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。①在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道；主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮時間的2倍或3倍。②用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮時，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮時，移位發(fā)光二極管就停止，而過了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動；紅燈亮時，則另一方向轉為綠燈亮，LED發(fā)光二極管開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。9.4.3設計方案提示1．秒脈沖和分頻器因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮時間比例分別為5:1:6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一單位時間，則計數(shù)器每計4秒輸出一個脈沖。這一電路就很容易實現(xiàn)，邏輯電路參考前面有關課題。計數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數(shù)器。計數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器。如表9-2所示為扭環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表。2．交通燈控制器表9-2扭環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式：東西方向：綠：黃：紅：綠：黃：紅：南北方向：由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計數(shù)器材用可預置加、減法計數(shù)器，如74LS168、74LS193等。3．顯示控制部分這可用一選擇開關進行。置開關在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開關在自動位置時，則交通信號燈按自動循環(huán)工作方式運行。夜間時，將夜間開關接通，黃燈閃亮。4．手動/自動控制，夜間控制用移位寄存器組成汽車模擬控制系統(tǒng)，即當某一方向綠燈亮時，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮時，則使該方向的移位停止。如圖9-10所示為南北方向汽車模擬控制電路。5．汽車模擬運行控制圖9-10南北方向汽車模擬控制電路9.4.4主要元器件選擇交通燈控制器主要元器件如下。（1）通用實驗底板。（2）直流穩(wěn)壓電源。（3）交通信號燈及汽車模擬裝置。（4）集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路。（5）顯示：LC5011-11，發(fā)光二極管。（6）電阻。（7）開關。9.4.5設計原理及參考電路如圖9-11所示為交通信號燈控制器的邏輯電路參考圖。圖9-11交通信號燈控制器參考電路單次脈沖是由兩個與非門組成的RS觸發(fā)器產(chǎn)生的，當按下K1時，有一個脈沖輸出使