數(shù)電課程設計--- 彩燈循環(huán)顯示控制電路設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 彩燈循環(huán)顯示控制電路設計 </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　74LS390計數(shù)器、555信號發(fā)生器、74LS139譯碼管、數(shù)

2、碼管、74LS161計數(shù)器和相關門電路，可以選用其他的計數(shù)器和集成電路，但必須給出原理說明</p><p>　　要求完成的主要任務:</p><p>　　以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，它能自動地依次顯示出數(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

3、顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列......如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p><b>　　設計要求:</b></p><p>　?、俅蜷_電源時，控制器可自動清零。</p><p>　　②每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等，這個時間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。</p><p>　?、鄞_定設計方案，按功能

4、模塊的劃分選擇元、器件和集成電路，設計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。</p><p>　?、苡肊WB軟件或者multisim軟件或者Quartus軟件完成仿真。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　第19周，安排任務與理論講解</p><p>　　第19-20周，方案設計與仿真

5、</p><p>　　第20周，完成（答辯，提交報告，演示） </p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日 </p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 </p>&l

6、t;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1主要任務及指標要求1</p><p>　　2方案論證與實現(xiàn)2</p><p>　　2.1振蕩電路部分2</p

7、><p>　　2.2數(shù)列循環(huán)部分2</p><p>　　2.3數(shù)列顯示部分5</p><p>　　3單元電路的設計及其原理9</p><p>　　3.1振蕩電路的設計9</p><p>　　3.2數(shù)列循環(huán)電路的設計9</p><p>　　3.3數(shù)列顯示電路的設計10</p>

8、<p>　　3.3.1自然序列顯示電路的設計10</p><p>　　3.3.2奇序列顯示電路的設計11</p><p>　　3.3.3偶序列顯示電路的設計12</p><p>　　3.3.4音樂數(shù)列顯示電路的設計13</p><p>　　3.4總電路圖的設計14</p><p><b>

9、;　　4仿真結果16</b></p><p>　　4.1振蕩電路的仿真16</p><p>　　4.2二分頻電路的仿真17</p><p>　　5仿真結果分析18</p><p><b>　　6心得體會19</b></p><p><b>　　參考文獻20<

10、/b></p><p>　　附錄：元件清單21</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　由于該彩燈循環(huán)控制電路的實質(zhì)就是要產(chǎn)生一系列有規(guī)律的數(shù)列，然后通過一個七段數(shù)碼管顯示出來，故本次課程設計主要是用計數(shù)器來實現(xiàn)的。計數(shù)器在時序電路中應用的很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進行計數(shù)，還可用于分頻，定時，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以

11、及其他時序信號。運用計數(shù)器的不同的功能和不同的觸發(fā)就可以實現(xiàn)不同的序列輸出了。本設計中彩燈循環(huán)顯示器能夠按照要求依次輸出自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列還有音樂序列。為了實現(xiàn)這個循環(huán)輸出的功能，在設計的時候還用到了一個移位寄存器，可以利用它的輸出端來控制四個計數(shù)器的工作情況，可以讓四個計數(shù)器依次工作，就可以達到要求的依次循環(huán)輸出數(shù)列。最后還有一個部分就是脈沖的產(chǎn)生基于多諧振蕩器可以產(chǎn)生方波，就可以利用它來產(chǎn)生脈沖信號了。而這個多諧振蕩器采用

12、的是555定時器來完成的。以上三個部分共同組成了本設計電路！</p><p>　　Abstract </p><p>　　As the lantern of the substance of the cycle control circuit is to produce a series of regular series, and then through a Seven-Segmen

13、t LED display, so the design of this course is mainly used to achieve the counter. Counter timing circuit in a wide range of applications, it can be used not only to count on the pulse, can also be used for frequency, ti

14、ming, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. Counter the use of different functions and different triggers can be achieved o</p><p>　　彩燈循環(huán)顯示控制電路設計</p><p>　　1主要任務及指標要求</p

15、><p>　　（1）以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，它能自動地依次顯示出數(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...... 如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p>　?。?）打開電源時，控制器可自動清

16、零。</p><p>　　（3）每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等，這個時間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。</p><p><b>　　2方案論證與實現(xiàn)</b></p><p><b>　　2.1振蕩電路部分</b></p><p>　　產(chǎn)生信號脈沖的方法很多，這里我在設計的時候選用的是用多諧振蕩器，

17、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，常作為脈沖信號源。由于不用接輸入信號就可以產(chǎn)生所需要的矩形波，所以在設計的時候就選用這個方案。而選用的電路是用555定時器構成的，因為555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用它組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小，這樣使產(chǎn)生的矩形波更穩(wěn)定。電路圖如圖1</p><p>　　圖1 脈沖信號產(chǎn)生電路圖<

18、/p><p><b>　　2.2數(shù)列循環(huán)部分</b></p><p>　　采用一個2線--4線譯碼器和一個四進制計數(shù)器可以讓四組數(shù)列依次循環(huán)。通過譯碼器的輸出依次去控制芯片清零端，再通過四進制計數(shù)器來控制譯碼器輸入，這樣就可以使得譯碼器的四個輸出不斷循環(huán)，而四進制計數(shù)器的時鐘脈沖則可通過每個74LS161芯片的進位端經(jīng)過一四輸入或門（這里我們采用集成門電路CD4072）輸

19、出來控制。其電路圖如圖2</p><p>　　圖2 用譯碼器實現(xiàn)的循環(huán)電路</p><p>　　在這個部分中，我主要用到的芯片有74LS390計數(shù)器和74LS139譯碼管以及四輸入集成或門芯片CD4072，它們的引腳圖和功能表分別如下圖和表所示。 </p><p>　　表1 74LS390的功能表</p><p>　　表2 74LS1

20、39的功能表</p><p><b>　　2.3數(shù)列顯示部分</b></p><p>　　設計要求中明確規(guī)定以LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，因此，再搭建實物過程中首先要設計好數(shù)碼管驅(qū)動電路， LED數(shù)碼管是將數(shù)個條狀發(fā)光二極管共陰極連接，排成8字形，而將另一端做控制端分別引出而制成。</p><p>　　每只數(shù)碼管由7條LED組成，故稱七段

21、數(shù)碼管。使用時，接通相對應的數(shù)段，則可得到0~9一系列數(shù)字。數(shù)字、顯示圖形與發(fā)光段的對應關系見圖</p><p>　　實現(xiàn)計數(shù)器輸出和數(shù)碼管輸入的轉(zhuǎn)換采用數(shù)碼器。本部分采用的74LS48的輸出是高電平有效、驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。圖3為74LS48外引腳圖，表3為74LS48的功能表。</p><p>　　圖3 74LS48引腳圖</p><p>　　表3 74L

22、S48功能表</p><p>　　由此組成的數(shù)碼管驅(qū)動電路如圖4：</p><p>　　圖4 數(shù)碼管驅(qū)動電路圖</p><p>　　搭建好數(shù)碼管驅(qū)動電路后，再來設計數(shù)列發(fā)生電路，利用74LS161計數(shù)器可以實現(xiàn)設計要求中的數(shù)列，根據(jù)數(shù)列不同的特點來搭建電路就可以實現(xiàn)相關功能，電路圖如圖5</p><p>　　圖5 數(shù)列顯示電路原理圖&l

23、t;/p><p>　　其中主要使用計數(shù)器74LS161來實現(xiàn)自然數(shù)列的計數(shù)，其功能表以及引腳圖如圖6。</p><p>　　圖6 74LS161的引腳圖</p><p>　　表4 74LS161功能表</p><p>　　3單元電路的設計及其原理</p><p>　　此電路主要由三部分組成；即振蕩電路，數(shù)列循環(huán)電路以

24、及數(shù)列顯示電路。其中振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的脈沖信號，使得每個數(shù)字的顯示時間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；數(shù)列循環(huán)電路使得整個數(shù)列可以不斷循環(huán)顯示，數(shù)列顯示電路使得最終顯示效果可以按照任務要求依次顯示自然數(shù)列，奇數(shù)數(shù)列，偶數(shù)數(shù)列，音樂符號數(shù)列。</p><p>　　3.1振蕩電路的設計</p><p>　　在這個部分主要是應用了555定時器，采用555定時器組成的振蕩器，主要用來產(chǎn)生時間基準信

25、號（脈沖信號），因為任務要求頻率可調(diào)，則可以選擇使用由555定時器組成的多諧振蕩器。多諧振蕩器的優(yōu)點是在接通電源之后就可以產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，而不需要再外加輸入信號了。而用555定時器設計的多諧振蕩器也有很多優(yōu)點，由于555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，這樣就使多諧振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率受電源電壓和環(huán)境溫度變化的影響很小。電路如圖7：</p><p>　　圖7 脈沖產(chǎn)生

26、電路</p><p>　　3.2數(shù)列循環(huán)電路的設計</p><p>　　這個電路的作用是為了使自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列循環(huán)顯示。其中四個計數(shù)器的進位端接到四輸入或門的輸入端，其輸出端接到74LS390的CPA，于是每當計數(shù)器進一位時，CPA變?yōu)楦唠娖接行?，從而使得譯碼器的地址輸入端發(fā)生改變，進而控制計數(shù)器的動作狀態(tài)，即可以由譯碼器來決定哪個74LS161計數(shù)器來工作。當QA,

27、QB為“0”，“0”時，這時譯碼器的輸出端就只有Y0為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生自然序列的計數(shù)器的清零端;這樣就可以實現(xiàn)只有自然序列輸出的功能，同理當QA,QB為“0”,“1”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y1為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生奇數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實現(xiàn)只有奇數(shù)序列輸出的功能; 當QA,QB為“1”,“0”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y2為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生偶數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實現(xiàn)只有

28、偶數(shù)序列輸出的功能; 當QA,QB為“1”,“1”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y3為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生音樂序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實現(xiàn)只有音樂序列輸出的功能。其產(chǎn)生序列的功能就是這樣實現(xiàn)的。其電路圖如圖8</p><p>　　圖8 數(shù)列循環(huán)電路原理圖</p><p>　　3.3數(shù)列顯示電路的設計</p><p>　　3.3.1自然序列顯示電路的

29、設計</p><p>　　這部分電路我們選擇74LS161芯片，在脈沖信號的觸發(fā)下，計數(shù)器的輸出端的狀態(tài)依次為0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，因此對于這個部分我們只要將計數(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。其序列顯示電路圖如圖9</p><p>　　圖9 自然數(shù)列的顯示電路圖&l

30、t;/p><p>　　3.3.2奇序列顯示電路的設計</p><p>　　0~9的BCD碼分別為0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，通過觀察可知奇數(shù)1，3，5，7，9的8421BCD碼最后一位都為1，也就是說，我們可以通過3.2.1中所示數(shù)碼管的最低位上接入高電平就能夠使其顯示奇數(shù)列。此時，74LS161芯片仍然實現(xiàn)十進制計數(shù)，只

31、不過數(shù)碼管上只會顯示奇數(shù)了；但是顯示的時間間隔會是上圖中自然數(shù)列顯示間隔的兩倍；因此，為了實現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們選擇利用二分頻電路解決上述問題。奇序列顯示電路圖如圖10； </p><p>　　圖10 奇數(shù)序列的顯示電路圖</p><p>　　3.3.3偶序列顯示電路的設計</p><p>　　由3.2.2結論可知偶數(shù)0，2，4，6，8用8421BCD碼分

32、別表示為“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”的最后一位都為0，也就是說，我們可以通過3.2.1中所示數(shù)碼管的最低位上接入低電平就能夠使其顯示偶數(shù)列。此時，74LS161芯片仍然實現(xiàn)十進制計數(shù)，只不過數(shù)碼管上只會顯示偶數(shù)了；但是顯示的時間間隔會是圖中自然數(shù)列顯示間隔的兩倍；因此，為了實現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們選擇利用二分頻電路解決上述問題。偶數(shù)列顯示電路圖如圖11</p><p>

33、;　　圖11 偶數(shù)序列的顯示電路圖</p><p>　　3.3.4音樂數(shù)列顯示電路的設計</p><p>　　通過觀察十進制數(shù)的BCD碼就不難發(fā)現(xiàn)從0顯示到7這8個十進制數(shù)的BCD碼的高位均為0，并且8這個十進制數(shù)的BCD碼的高位就變成了1，利用這一點我們就可以將數(shù)碼管的最高位固定接低電平，從而實現(xiàn)音樂數(shù)列的顯示。因為74LS161的輸出端只有三個與數(shù)碼管相接，當74LS161的輸出為“

34、1000”和“1001”時，這時由于數(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12</p><p>　　圖12 音樂數(shù)列的現(xiàn)實電路圖</p><p>　　3.4總電路圖的設計</p><p>　　這個電路圖可以實現(xiàn)設計的要求，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

35、數(shù)列，而且還可以循環(huán)輸出，數(shù)碼管的顯示的間隔時間 也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進行調(diào)整。</p><p>　　電路圖中四個74LS161的輸出端口分別與四個與門相接，然后再將四個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，這是因為為了實現(xiàn)數(shù)字顯示時間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實現(xiàn)了這一功能。因為奇、偶序列數(shù)字顯示時

36、間間隔是自然序列和音樂序列的2倍，為了實現(xiàn)顯示數(shù)字時間間隔相等的要求，可以使用二分頻電路，讓自然序列和音樂序列的顯示時間與奇偶電路的顯示時間相等。JK觸發(fā)器可以構成二分頻電路。由于JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為，將JK觸發(fā)器的J、K端均接在高電平，則從輸出端Q輸出的是二分頻后的時間脈沖，其時間間隔為原脈沖的2倍。</p><p>　　當打開電路的開關后，首先就是輸出自然序列，這時是74LS161A先工作，它的清零端接的是

37、“1“，這時就是它處在計數(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74LS161A的輸出要從9變到0的瞬間，它的進位端的狀態(tài)是”1”，然后通過一個或門接至74LS390的脈沖輸入端，這時從“0”變至“1”，恰好有一個脈沖，就可以通過譯碼器使74LS161B開始工作即開始計數(shù)，它從9變至1時，又通過進位端給74LS390一個脈沖，然后就通過譯碼器又使74LS161C開始工作，它從0變至8，當它從8變至

38、0時，它的進位端又變至“1”，就又可以給74LS390一個脈沖信號，最后就通過譯碼器控制74LS161D的工作，輸出音樂數(shù)列。如此周而復始的這樣循環(huán)，就可以實現(xiàn)我們需要的功能了。其電路圖如圖13</p><p><b>　　圖13 總電路圖</b></p><p><b>　　4仿真結果</b></p><p>　　4.

39、1振蕩電路的仿真</p><p>　　圖14 脈沖產(chǎn)生電路的仿真</p><p>　　4.2二分頻電路的仿真</p><p><b>　　圖15 二分頻電路</b></p><p>　　圖16 二分頻電路的仿真</p><p><b>　　5仿真結果分析</b></

40、p><p>　　經(jīng)測試之后，電路可以實現(xiàn)設計要求，可以實現(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)字之間的顯示時間間隔也可以通過改變脈沖信號的頻率來改變。電路有一個缺點就是不能實現(xiàn)清零的作用，每次打開電源它的起始的數(shù)列是未知的，這點還需要改進。</p><p><b>　　6心得體會</b></p><p>　　這次的課程設計是一次難得的鍛

41、煉機會，讓我們能夠充分利用所學過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學習查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設計電路的能力。我相信是對我的一個很好的提高。平時在學習理論知識的時候，根本就沒有想到我所學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題，沒有想其他的用途。這次的課程設計讓我懂得了它們在實際中的用途，還有我們身邊的很多電路，例如頻率計、交通燈、數(shù)字鐘……這些都是我們自己可以實現(xiàn)的，突然感覺自己學的

42、東西很有用，我相信這樣就可以激發(fā)我以后的學習興趣，這樣有利用今后更好地學習。</p><p>　　通過這次課程設計，我還更加深了理論知識的學習。這次的設計電路我用到了計數(shù)器還有譯碼器，通過自己分析和設計更好地運用了它們，而且還學會了它們更多的功能，發(fā)現(xiàn)它們的功能遠比功能表里面說的多很多，可以利用不同的接法設計出各種各樣不同的電路出來。另外在分析比較設計循環(huán)電路的環(huán)節(jié)中，我還考慮過利用移位寄存器來設計循環(huán)，可是發(fā)現(xiàn)

43、移位寄存器的脈沖不好控制。不過我還是學會了移位寄存器的很多功能，以及通過查閱資料也知道了它的很多種典型的電路。最后一個知識點就是利用555定時器來設計多諧振蕩器，我采用的電路就是課本里介紹的典型電路，通過這個電路也讓我了解了555定時器的功能，還有一個就是利用JK觸發(fā)器來實現(xiàn)分頻的功能。這些都是我這次設計所用到的知識點，通過這次的設計我鞏固了對這些理論性的知識的理解。</p><p>　　最后我覺得我自己也學到了

44、一些方法，比如我了解了一般設計時序電路的主要步驟，還有如何利用EWB，MULTISIM等學習軟件，方便以后的學習和仿真。而且我很贊同學校這種利用課程設計來考驗我們動手能力和動腦能力的教學方式，這樣一方面激發(fā)了我們自主學習的興趣，另一方面也鞏固了學習到的理論知識，可以從實踐中積累實際的經(jīng)驗，而不是老停留在理論學習的階段。當然這次的設計學到的不僅僅是知識，還有如何去查閱資料，如何去完成一份報告書等等。</p><p>

45、;　　總之我覺得這樣的實踐對我們現(xiàn)在的學習以及以后的工作都是很大的幫助，而且對我分析問題的方法也有很大的幫助，使我考慮問題更周到，更全面。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 謝自美. 電子線路設計·實驗·測試（第三版）. 武漢：華中科技大學出版社.2006</p><p>　　[2]

46、閻石. 數(shù)字電子技術基礎. 北京：高等教育出版社.2007</p><p>　　[3] 大連理工大學等. 數(shù)字系統(tǒng)設計方法：數(shù)字電路課程設計指導. 大連：大連理工大學出版社.1992</p><p>　　[4] 康華光等. 電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）.北京：高等教育出版社.2006</p><p>　　[5] 梁宗善. 新型集成電路的應用――電子技術基礎課程設計

47、. 武漢：華中科技大學出版社。1999</p><p>　　[6] 孫梅生. 電子技術基礎課程設計. 北京：高等教育出版社.1989</p><p>　　[7] Thomas L. Floyd. Digital fundamentals. Upper Saddle River, N.J. Prentice Hall.2002</p><p><b>　　附