《Multisim電子電路仿真教程》課件第9章

第9章

電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)例

9.1數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

9.2電子秒表的設(shè)計(jì)

9.3數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)

9.4交通燈控制器的設(shè)計(jì)

9.5彩燈循環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

9.6數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

9.1數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

用中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)并仿真調(diào)試數(shù)字電子鐘，具體要求如下：

(1)設(shè)計(jì)一臺(tái)能直接顯示“時(shí)”、“分”、“秒”十進(jìn)制數(shù)字的數(shù)字鐘。

(2)具有校時(shí)功能，可分別對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)。

(3)計(jì)時(shí)過程具有整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)功能，要求報(bào)時(shí)聲響為四低一高，最后一響為整點(diǎn)。

2．設(shè)計(jì)原理及框圖

數(shù)字電子鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。數(shù)字電子鐘的主要功能就是計(jì)時(shí)，因此需要有振蕩器來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即1Hz的秒脈沖信號(hào)，然后由計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(如北京時(shí)間)一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路。其整機(jī)電路設(shè)計(jì)框圖如圖9-1所示。

圖9-1數(shù)字電子鐘框圖

3．單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

1)振蕩器設(shè)計(jì)

振蕩器是數(shù)字鐘的關(guān)鍵，它的頻率穩(wěn)定性直接影響數(shù)字鐘的精度。要產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，一般采用石英晶體振蕩器。現(xiàn)在使用的指針式電子鐘和數(shù)字顯示的電子鐘都使用石英晶體振蕩電路。從數(shù)字鐘精度考慮，晶體振蕩器頻率越高，計(jì)時(shí)的精度愈高，但這樣會(huì)使分頻器的級(jí)數(shù)增加。在確定頻率時(shí)應(yīng)考慮這兩個(gè)方面的因素，然后再選擇石英晶體的具體型號(hào)。

振蕩器電路如圖9-2所示，U1A和U1B反相器構(gòu)成多諧振蕩電路，石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。由于當(dāng)頻率為f0時(shí)，石英晶體的電抗X=0，而在其他頻率下電抗都很大，因此只有頻率為f0的信號(hào)能夠順利通過，滿足振蕩條件。在電源接通后，電路就會(huì)在頻率f0作用下形成自激振蕩。由于該電路的頻率比較穩(wěn)定，但波形不夠理想，因此需要在電路輸出端加一個(gè)反相器U1C，這樣既能起整形作用，使輸出脈沖更接近矩形波，又能起緩沖隔離作用。本設(shè)計(jì)選用的石英晶體頻率為1MHz，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率為1MHz。

圖9-2晶體振蕩器

2)分頻器設(shè)計(jì)

石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒信號(hào)需采用分頻電路。分頻器的級(jí)數(shù)和每級(jí)的分頻次數(shù)要根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率來確定。如圖9-2所示電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率為1MHz，需經(jīng)過6級(jí)十分頻電路分頻后才可得到秒信號(hào)。分頻器電路如圖9-3所示，電路中十分頻電路采用的是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，從計(jì)數(shù)器進(jìn)位端輸出的信號(hào)頻率是時(shí)鐘頻率的十分之一，將前級(jí)的輸出接到后級(jí)的輸入，經(jīng)過6級(jí)十分頻后，就可以得到1Hz的秒脈沖信號(hào)。

圖9-3分頻器

3)秒計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

有了秒脈沖信號(hào)就可以對(duì)秒信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)時(shí)。根據(jù)60秒進(jìn)1分的原則，秒計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。電路設(shè)計(jì)采用兩片74LS160，一片接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為秒的個(gè)位；另一片接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為秒的十位，然后將個(gè)位片的進(jìn)位輸出端通過一個(gè)非門連接到十位片的CLK輸入端，組成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，完成秒的計(jì)數(shù)功能，圖9-4所示為秒計(jì)時(shí)電路。

該計(jì)數(shù)器中U1采用直接清零復(fù)位法構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U4是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將U4的進(jìn)位輸出通過一個(gè)非門連接到U1的時(shí)鐘輸入端實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)，從而用兩片74LS160實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。

圖9-4秒計(jì)數(shù)器

4)分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

根據(jù)60分進(jìn)1小時(shí)的原則，分計(jì)數(shù)器也應(yīng)該設(shè)計(jì)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以分計(jì)數(shù)器電路與秒計(jì)數(shù)電路完全相同。所不同的是，只有當(dāng)秒電路計(jì)到60時(shí)，分電路才能計(jì)一次，所以要將計(jì)分電路的時(shí)鐘輸入端通過一個(gè)非門與計(jì)秒電路的十位74LS160的清零端相連，這樣，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器完成一個(gè)60計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)分電路才接收到一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

5)時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)采用兩片74LS160，先采用級(jí)聯(lián)的方法，即將低位片的進(jìn)位輸出端

RCO通過一個(gè)非門連接到高位片的時(shí)鐘CLK輸入端，構(gòu)成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)，然后將高位片的QB和低位片的QC連接到兩輸入與非門的輸入端。與非門的輸出同時(shí)連接到兩片的清零端，實(shí)現(xiàn)當(dāng)計(jì)數(shù)到24時(shí)，異步清零翻轉(zhuǎn)為00，從而構(gòu)建二十四進(jìn)制計(jì)時(shí)電路。設(shè)計(jì)電路如圖9-5所示。圖9.5中CLK輸入的脈沖信號(hào)是為了調(diào)試時(shí)計(jì)數(shù)器電路的需要，在數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)中，該時(shí)鐘輸入端通過一個(gè)非門與計(jì)分電路的十位74LS160的清零端相連，這樣，當(dāng)分計(jì)數(shù)器完成一個(gè)60計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)時(shí)電路才接收到一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

圖9-5時(shí)計(jì)數(shù)器

6)校時(shí)電路

在剛開機(jī)接通電源時(shí)，由于“時(shí)”、“分”為任意值，或當(dāng)數(shù)字鐘出現(xiàn)走時(shí)誤差時(shí)，都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。校時(shí)電路的基本原理是將秒信號(hào)直接引進(jìn)時(shí)計(jì)數(shù)器，讓時(shí)計(jì)數(shù)器快速計(jì)數(shù)，在時(shí)達(dá)到需要的數(shù)字后，切斷“秒”信號(hào)。校分電路也按此方法進(jìn)行。

實(shí)現(xiàn)校時(shí)的電路的方法很多，如圖9-6所示電路即可作為時(shí)計(jì)數(shù)器或分計(jì)數(shù)器的校時(shí)電路。

圖9-6校時(shí)電路

現(xiàn)設(shè)用圖9-6所示電路作為分計(jì)數(shù)器的校時(shí)電路，圖中采用RS觸發(fā)器作為無抖動(dòng)開關(guān)。通過開關(guān)J1，可以選擇是將1Hz信號(hào)還是將來自秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)送至分計(jì)數(shù)器的CLK端。當(dāng)開關(guān)J1置于上端時(shí)，來自秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)送至分計(jì)數(shù)器的CLK端，分計(jì)數(shù)器正常工作；需要校正分計(jì)數(shù)器時(shí)，將開關(guān)J1置于下端，這時(shí)，1Hz信號(hào)送至分計(jì)數(shù)器的CLK端，分計(jì)數(shù)器在1Hz信號(hào)的作用下快速計(jì)數(shù)，直至正確的時(shí)間，再將開關(guān)置于上端，達(dá)到校準(zhǔn)分的目的。校準(zhǔn)時(shí)的方法與此類似。

圖9-7整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路

4．整機(jī)電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

將秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器單元電路共同構(gòu)成數(shù)字電子鐘系統(tǒng)，秒計(jì)數(shù)器的CLK的輸入端接晶振分頻后獲得的秒脈沖信號(hào)，再將輔助電路(如校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路)連

接到電路中。數(shù)字鐘的整機(jī)電路如圖9-8所示。運(yùn)行仿真開關(guān)，調(diào)試電路，直至電路工作正常。

圖9-8

數(shù)字電子鐘原理圖

9.2電子秒表的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

用中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)并仿真調(diào)試電子秒表。具體要求如下：

(1)電子秒表的計(jì)數(shù)范圍為0.01～9.99s。

(2)具有啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)功能。

(3)電子秒表啟動(dòng)計(jì)數(shù)時(shí)能自動(dòng)復(fù)位從0開始計(jì)數(shù)。

2．設(shè)計(jì)原理及框圖

電子秒表一般應(yīng)用在體育比賽中，比賽開始時(shí)，按下啟動(dòng)鍵，電子秒表從0開始計(jì)時(shí)，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，按下停止鍵，停止計(jì)時(shí)，同時(shí)顯示時(shí)間。在比賽中為了精確計(jì)時(shí)，通常要求電子秒表能計(jì)到0.01s。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電子秒表的設(shè)計(jì)框圖如圖9-9所示。時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100Hz，周期為0.01s的時(shí)鐘信號(hào)送入到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，通過顯示譯碼器譯碼驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示時(shí)間值?？刂齐娐房刂齐娮用氡淼膯?dòng)和停止，并控制復(fù)位電路在啟動(dòng)計(jì)數(shù)瞬間產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)，使計(jì)數(shù)器先清零再計(jì)數(shù)。

圖9-9電子秒表框圖

3．單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

1)控制電路

要求控制電路能控制電子秒表的啟動(dòng)和停止。啟動(dòng)時(shí)要求能控制復(fù)位電路，使每次計(jì)時(shí)都從0開始計(jì)時(shí)，停止時(shí)要能顯示時(shí)間值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制電路設(shè)計(jì)如圖9-10所示。電路為用集成與非門74LS00構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器，屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復(fù)位的功能。將它的一路輸出Q控制時(shí)鐘信號(hào)是否輸出到計(jì)數(shù)端，另一路輸出Q送到復(fù)位電路。

S2按鈕是啟動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕，當(dāng)按下按鈕S2時(shí)，Q=1，Q=0。手松開后，RS觸發(fā)器的兩輸入端輸入1，電路狀態(tài)保存不變，Q由0變1控制與非門U2C開啟，時(shí)鐘信號(hào)送至電子秒表時(shí)鐘輸入端，同時(shí)在由1變0時(shí)，控制復(fù)位電路產(chǎn)生一清零脈沖，使各計(jì)數(shù)器清零后再開始計(jì)時(shí)。

S1按鈕是停止計(jì)時(shí)按鈕，當(dāng)按下按鈕S1時(shí)，Q=0,Q=1,

。手松開后，RS觸發(fā)器的兩輸入端輸入1，電路狀態(tài)保持不變，Q由1變0封鎖與非門U2C的輸入，電子秒表停止計(jì)時(shí)，同時(shí)Q由0變1，復(fù)位電路不工作。

圖9-10控制電路

2)復(fù)位電路

當(dāng)控制電路中Q由1變0時(shí)，復(fù)位電路才能產(chǎn)生一清零脈沖送至各計(jì)數(shù)器復(fù)位，并且要求復(fù)位時(shí)間很短，基本不影響計(jì)時(shí)，在其他情況下，復(fù)位電路都不工作。設(shè)計(jì)一個(gè)由負(fù)脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路就能滿足復(fù)位電路的要求，具體電路見圖9-12。

3)時(shí)鐘發(fā)生器

時(shí)鐘發(fā)生器可以有很多種電路形式，如上節(jié)中采用的晶體振蕩電路就是很好的時(shí)鐘源。用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路，也是一種性能較好的時(shí)鐘源，電路如圖9-11所示。電路振蕩周期T=0.7(RA+2RB)C，調(diào)節(jié)RA，使在555定時(shí)器輸出端獲得頻率為100Hz，即周期為0.01s的脈沖信號(hào)，同時(shí)在輸出端用示波器監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)波形。

圖9-11時(shí)鐘電路

4)計(jì)數(shù)器

采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160完成各位的計(jì)數(shù)。

5)譯碼器

譯碼器采用74LS248顯示譯碼器，驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管顯示時(shí)間值。表9-1是74LS248的功能表。

表9-1顯示譯碼器74LS248的功能表

4．整機(jī)電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

電子秒表原理圖如圖9-12所示。其中U2C、U2D構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，在負(fù)脈沖的觸發(fā)下輸出一個(gè)脈寬由R6、C4參數(shù)控制的清零信號(hào)送至各計(jì)數(shù)器的CLR端，使各計(jì)數(shù)器復(fù)位后再計(jì)數(shù)。

三片74LS00構(gòu)成計(jì)數(shù)器，分別對(duì)0.01s、0.1s、1s進(jìn)行計(jì)數(shù)。完成0.01s位計(jì)數(shù)器的CLK時(shí)鐘輸入端輸入的是555多諧振蕩電路輸出的100Hz時(shí)鐘信號(hào)，此信號(hào)通過門U3A送至CLK端，門U3A受基本RS觸發(fā)器Q的控制。將0.01s位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)通過一個(gè)非門送至0.1s位片的時(shí)鐘輸入端，當(dāng)0.01s位片計(jì)到10時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，0.1s位計(jì)數(shù)器計(jì)1，完成十進(jìn)制功能。同理，將0.1s位計(jì)數(shù)器的的進(jìn)位信號(hào)通過一個(gè)非門送至秒位計(jì)數(shù)器完成0.1s位和1s位之間的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。

譯碼器采用74LS248顯示譯碼器，74LS248是一種BCD碼輸入的四線-七段譯碼器，輸出高電平有效。顯示器采用七段共陰極數(shù)碼管。

最后連接整機(jī)電路，對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試。

圖9-12電子秒表原理圖

9.3數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

(1)8路開關(guān)輸入。

(2)顯示與輸入開關(guān)編號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字1～8。

(3)輸出具有唯一性和時(shí)序第一的特征。

2．設(shè)計(jì)原理及框圖

本設(shè)計(jì)的重要任務(wù)是準(zhǔn)確判斷第一時(shí)間搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一搶答信號(hào)后，立即將其輸入鎖存，并使其他組別的搶答信號(hào)無效。當(dāng)電路鎖存第一搶答信號(hào)后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答組別的數(shù)字。完成本次搶答后，由節(jié)目主持人控制解鎖電路，電路清零，重新開始搶答。

根據(jù)搶答器的基本工作原理，其設(shè)計(jì)框圖如圖9-13所示。

圖9-13搶答器設(shè)計(jì)框圖

3．單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

1)搶答開關(guān)電路和觸發(fā)鎖存電路

搶答開關(guān)電路由多路開關(guān)組成，每一競(jìng)賽者與一組開關(guān)對(duì)應(yīng)。開關(guān)為動(dòng)合型，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，開關(guān)閉合；當(dāng)松開開關(guān)時(shí)，開關(guān)自動(dòng)斷開。8路搶答開關(guān)電路如圖9-14所示，電路中R1～R8為上拉限流電阻，本電路采用CMOS集成電路組成，故上拉電阻均采用1MW的電阻。當(dāng)按下任一開關(guān)時(shí)，相應(yīng)的輸入為低電平，否則為高電平，如電路中按下開關(guān)5，對(duì)應(yīng)的電路輸入端5D輸入低電平，其他路輸入高電平。

當(dāng)某一開關(guān)首先被按下時(shí)，觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)，在輸出端輸出相應(yīng)的開關(guān)電平信號(hào)，利用這個(gè)變化的開關(guān)電平將本觸發(fā)電路鎖定，使隨后其他開關(guān)觸發(fā)輸入無效。8路觸發(fā)鎖存電路如圖9-14所示，圖中74HC374為八邊沿D鎖存器，當(dāng)所有開關(guān)均未按下時(shí)，鎖存器輸出全部為高電平。經(jīng)8輸入與非門和非門后的反饋信號(hào)仍為高電平，該信號(hào)送入到與門U4輸入端，控制與門開啟，從而控制時(shí)鐘信號(hào)加到CLK端。搶答開始后，當(dāng)某一組競(jìng)賽者將開關(guān)首先按下時(shí)，必然有一路D鎖存器的輸入為低電平，經(jīng)鎖存器后輸出為低電平，使反饋信號(hào)為低電平，從而封鎖時(shí)鐘信號(hào)。這時(shí)，隨后的競(jìng)賽者按下按鈕無效，達(dá)到鎖存第一時(shí)間搶答者信號(hào)的目的。

圖9-148路搶答開關(guān)電路

2)編碼電路

編碼電路的作用是將某一開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的8421BCD碼，以提供數(shù)字顯示電路所需要的編碼輸入。編碼電路采用74HC147集成電路，該集成電路為10線-4線優(yōu)先編碼器，輸入低電平有效，當(dāng)某一輸入為低電平時(shí)，輸出為相應(yīng)的8421BCD碼的反碼，該編碼器多余的輸入端應(yīng)接高電平。打開幫助文件，查看74HC147的功能，如圖9-15所示為74HC147的功能表。

圖9-1510線-4線編碼器74HC147

3)譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元

編碼器實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)信號(hào)的編碼，并以BCD碼的形式輸出。為了將輸出的BCD碼顯示出來，需要采用顯示譯碼電路。本設(shè)計(jì)中選擇常用的七段顯示譯碼驅(qū)動(dòng)器4511作為顯示譯碼電路。選擇LED數(shù)碼管為顯示單元電路。打開幫助文件，查看4511的功能，如圖9-16所示。

圖9-16顯示譯碼器4511BD

4)解鎖電路

當(dāng)鎖存電路被觸發(fā)鎖存后，若要進(jìn)行下一輪的搶答，則需要節(jié)目主持人將鎖存器解鎖，同時(shí)顯示電路顯示0。解鎖電路如圖9-17所示，節(jié)目主持人將開關(guān)J1撥向上方，可將鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)強(qiáng)行加到時(shí)鐘輸入端，使鎖存器處于待接收狀態(tài)。

圖9-17解鎖電路

4．整機(jī)電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

根據(jù)上述單元電路設(shè)計(jì)，搶答器的整機(jī)電路如圖9-18所示。對(duì)整機(jī)電路進(jìn)行調(diào)試。

圖9-18搶答器整機(jī)電路

9.4交通燈控制器的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

(1)主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。

(2)綠燈亮表示可通行，紅燈亮表示禁止通行。

(3)每次綠燈變紅燈時(shí)，黃燈先亮5s。

(4)在黃燈亮?xí)r，原紅燈按1Hz的頻率閃爍。

(5)十字路口的交通燈要有數(shù)字顯示，作為等候時(shí)間提示。要求主、支干道通行時(shí)間及黃燈亮的時(shí)間均以秒為單位作減計(jì)數(shù)。

2．設(shè)計(jì)原理及框圖

十字路口的交通燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個(gè)主干道和支干道的十字路口，如圖9-19所示。兩條干道上都設(shè)置了紅、綠、黃3色信號(hào)燈。紅燈表示禁止通行，綠燈表示可以通行，在綠燈變紅燈時(shí)先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運(yùn)行。因?yàn)橹鞲傻郎系能囕v多，所以放行的時(shí)間要長(zhǎng)。

要實(shí)現(xiàn)上述交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制，則要求控制電路由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)控制器、信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路幾部分組成。整機(jī)電路的設(shè)計(jì)框圖如圖9-20所示。

圖9-19十字路口交通燈

圖9-20交通燈控制系統(tǒng)組成框圖

狀態(tài)控制器用于記錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主、支干道車輛運(yùn)行狀態(tài)的控制。狀態(tài)譯碼器根據(jù)狀態(tài)控制器所處的狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮相應(yīng)的信號(hào)燈，指揮主、支干道的行人和車輛。通過減法計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖信號(hào)作減計(jì)數(shù)，完成計(jì)時(shí)任務(wù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的目的。減法計(jì)數(shù)器的回零脈沖控制狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個(gè)工作狀態(tài)，決定計(jì)數(shù)器下一次減計(jì)數(shù)的初始值。減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)由BCD碼譯碼器譯碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制器，使紅燈閃爍。

3．單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

1)狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，因主干道和支干道各有3種燈(紅、黃、綠)，它們?cè)谡９ぷ鲿r(shí)，發(fā)亮的燈只有4種可能的組合：主綠燈亮，支紅燈亮，主干道通行；主黃燈亮，支紅燈閃爍，主干道停車；主紅燈亮，支綠燈亮，支干道通行；主紅燈閃爍，支黃燈亮，支干道停車。各信號(hào)燈的工作順序流程如圖9-21所示。

圖9-21交通燈工作順序流程圖

圖9-22交通燈狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

由圖9-22可知其顯然是一個(gè)2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可采用多種中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。本電路采用74LS161的4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器直接利用其低位構(gòu)成2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，電路如圖9-23(a)所示。

將狀態(tài)控制器創(chuàng)建為子電路。分別在各端口接入輸入/輸出端口，注意端口的左右放置，朝左放置是輸入端口，朝右放置是輸出端口，然后將電路全選，選擇Place/ReplacebySubcircuit菜單命令，在彈出的對(duì)話框中輸入子電路名稱statecontrol，創(chuàng)建的子電路如圖9-23(b)所示，RC1是來自減法計(jì)數(shù)器的控制脈沖輸入端，Q2和Q1是控制信號(hào)輸出端。

圖9-23交通燈狀態(tài)控制器

2)狀態(tài)譯碼器設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

主、支干道上紅、黃、綠信號(hào)燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見真值表9-2。對(duì)于信號(hào)燈的狀態(tài)，1表示燈亮，0表示燈滅。

表9-2信號(hào)燈信號(hào)狀態(tài)真值表

根據(jù)真值表，可求出各信號(hào)燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：

選擇發(fā)光二極管來模擬交通燈，狀態(tài)譯碼器仿真電路如圖9-24所示，其中X1是狀態(tài)控制器子電路。

由于門電路帶灌電流的能力一般比帶拉電流的能力強(qiáng)，故當(dāng)顯示電路設(shè)計(jì)的是輸出低電平時(shí)，會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。再考慮到設(shè)計(jì)任務(wù)要求，當(dāng)黃燈亮?xí)r，紅燈按1Hz的頻率閃爍。從信號(hào)燈的信號(hào)狀態(tài)真值表中可以看出，當(dāng)黃燈亮?xí)r，Q1必為高電平，而紅燈點(diǎn)亮信號(hào)與Q1無關(guān)。可利用Q1信號(hào)控制一個(gè)三態(tài)門電路74LS125，由于74LS125的使能端是低電平有效，所以將引入到使能端。當(dāng)黃燈亮?xí)r，Q1為高電平，為低電平，使能端有效，將秒脈沖信號(hào)引到驅(qū)動(dòng)紅燈的與非門輸入端，使紅燈在黃燈亮期間閃爍；否則，將秒脈沖信號(hào)隔離，紅燈信號(hào)不受黃燈信號(hào)控制。圖9-24所示的仿真電路中，為了快速仿真，來自減法計(jì)數(shù)器的控制脈沖用了100Hz的脈沖信號(hào)仿真，故秒信號(hào)采用了1kHz的信號(hào)仿真。

圖9-24交通燈狀態(tài)顯示仿真電路

3)定時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一個(gè)能自動(dòng)置入不同定時(shí)時(shí)間的定時(shí)器，以完成30s、20s及5s的定時(shí)任務(wù)。該定時(shí)器由兩片74LS190構(gòu)成兩位十進(jìn)制可預(yù)置數(shù)減法計(jì)數(shù)器完成；時(shí)間顯示由兩片74LS248和兩個(gè)共陰數(shù)碼管對(duì)減法計(jì)數(shù)器進(jìn)行譯碼顯示；預(yù)置減法計(jì)數(shù)器的時(shí)間通過三片8路三態(tài)門74LS245來完成，74LS245選通端DIR高電平有效。三片74LS245的輸入數(shù)據(jù)分別接30、20、5三個(gè)不同的數(shù)據(jù)，由狀態(tài)控制器的輸出信號(hào)控制在不同狀態(tài)時(shí)分別選通74LS245來實(shí)現(xiàn)置入不同的數(shù)據(jù)，狀態(tài)控制如表9-3所示。

表9-3狀

態(tài)

控

制

表

將DIR30送到輸入數(shù)據(jù)為30的74LS245的DIR端；將DIR20送到輸入數(shù)據(jù)為20的74LS245的DIR端；將DIR5送到輸入數(shù)據(jù)為5的74LS245的DIR端。狀態(tài)控制器的轉(zhuǎn)換由計(jì)數(shù)器來控制，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到0時(shí)，要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可通過電路中的U10和U14A來完成。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到0時(shí)，經(jīng)U10和U14輸出一上升沿驅(qū)動(dòng)狀態(tài)控制器轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。

所設(shè)計(jì)的定時(shí)系統(tǒng)如圖9-25所示，其中X1是狀態(tài)控制器子電路。

圖9-25交通燈定時(shí)電路

4)秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)的電路有多種形式，本設(shè)計(jì)中利用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。電路見圖9-26，電路的輸出脈沖周期T≈0.7(R2+2R1)C2，調(diào)節(jié)R2使輸出脈沖周期為1s。

4．整機(jī)電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

將各單元電路組成整機(jī)電路，如圖9-26所示。555定時(shí)器構(gòu)成的是秒信號(hào)發(fā)生器，將其輸出接到定時(shí)器的時(shí)鐘輸入端CLK和狀態(tài)顯示譯碼電路的三態(tài)門74LS125的輸入端，將來自減法計(jì)數(shù)器的定時(shí)控制信號(hào)送入狀態(tài)控制器的CLK端，狀態(tài)控制的輸出接到狀態(tài)顯示譯碼器和定時(shí)器電路，控制定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間和狀態(tài)顯示。整機(jī)調(diào)試電路直到工作正常。

圖9-26交通燈控制器整機(jī)電路

9.5彩燈循環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

(1)彩燈能夠自動(dòng)循環(huán)點(diǎn)亮。

(2)彩燈循環(huán)顯示且頻率快慢可調(diào)。

(3)該控制電路具有8路以上輸出。

2．設(shè)計(jì)框圖

彩燈循環(huán)控制器的工作原理就是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，控制彩燈循環(huán)顯示。該控制器主要由3部分組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖9-27所示。

圖9-27彩燈循環(huán)控制器設(shè)計(jì)框圖

3．單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

1)振蕩電路

振蕩電路主要用來產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)(脈沖信號(hào))。因?yàn)檠h(huán)彩燈對(duì)頻率的要求不高，只要能產(chǎn)生高低電平就可以了，且脈沖信號(hào)的頻率可調(diào)，所以可以采用555定時(shí)器組成的振蕩器，其輸出的脈沖作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)，電路如圖9-28所示。

圖9-28555定時(shí)器組成的振蕩器

2)計(jì)數(shù)器/譯碼分配器

【方案一】采用CD4017集成電路。

計(jì)數(shù)器是用來累計(jì)和寄存輸入脈沖個(gè)數(shù)的時(shí)序邏輯電路。電路中采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分頻器CD4017，它是一種用途非常廣泛的電路。其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼器輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序是依次出現(xiàn)O0、O1、O2、…、O9并與時(shí)鐘同步的高電平，其寬度等于時(shí)鐘周期。

CD4017有3個(gè)輸入端(MR、CP0和～CP1)，MR為清零端。當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時(shí)，其輸出O0為高電平，其余輸出端(O1～O9)均為低電平。CP0和～CP1是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CP0端輸入；若要用下降沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由～CP1端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。

CD4017有10個(gè)輸出端(O0～O9)和1個(gè)進(jìn)位輸出端～O5-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，～O5-9就可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。

由此可見，當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。CD4017的仿真圖如圖9-29所示，其測(cè)試波形如圖9-30所示。

圖9-29CD4017的仿真圖

圖9-30CD4017的測(cè)試波形圖

3)顯示電路

顯示電路主要由發(fā)光二極管組成，當(dāng)CD4017的輸出端依次輸出高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管也依次點(diǎn)亮，產(chǎn)生一種流動(dòng)變化的效果。發(fā)光二極管要求驅(qū)動(dòng)電壓小一點(diǎn)，一般在1.66V左右，電流在5mA左右。彩燈的循環(huán)速度由脈沖源頻率決定。R4、C3構(gòu)成微分電路，用于上電復(fù)位。如有興趣也可以把發(fā)光二極管換成各種顏色的彩燈，這樣循環(huán)起來就會(huì)更好看。

4．整機(jī)電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

整機(jī)電路如圖9-31所示。

圖9-31彩燈循環(huán)控制器整機(jī)電路

【方案二】

在計(jì)數(shù)譯碼部分采用四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS163和4線-16線譯碼器74LS154來完成。

整機(jī)電路如圖9-32所示，圖中使用了總線連接方式，使電路連線簡(jiǎn)單、清晰。

電路中555定時(shí)器組成多諧振蕩器，輸出一定頻率的矩形脈沖。74163是同步4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)輸入周期性脈沖信號(hào)時(shí)，其輸出在0000～1111之間循環(huán)變化。通過4線-16線譯碼器74154，其16條輸出線按照74163輸出的二進(jìn)制依次變成低電平，哪條輸出線為低電平，與它相連的發(fā)光二極管就亮。因?yàn)樵谌我粫r(shí)刻，只有1個(gè)發(fā)光二極管亮，所以所有發(fā)光二極管只接1個(gè)限流電阻。該電路的16個(gè)發(fā)光二極管若組成一個(gè)環(huán)狀，則當(dāng)發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮?xí)r，就像一個(gè)光環(huán)在滾動(dòng)一樣，可用在燈光布置或裝飾上。

圖9-32方案二整機(jī)電路

9.6數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求

(1)測(cè)頻率范圍：1～9999Hz。

(2)輸入波形：任意周期信號(hào)。

(3)輸入電壓幅度：0.1～10V。

(4)顯示位數(shù)：4位。

2．?dāng)?shù)字頻率計(jì)的基本工作原理及設(shè)計(jì)框圖

數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。若在給定的1s時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)