数字电子技术课程设计彩灯循环显示控制电路设计

1课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目目: : 彩灯循环显示控制电路设计彩灯循环显示控制电路设计 初始条件：初始条件：74LS160 计数器、74HC390 计数器、74HC139 译码管、555 定时器、数码管和必要的门电路，以及电容电阻等基本模拟电路电子器件 。可以选用其他的计数器和集成电路，但必须给出原理说明。要求完成的主要任务要求完成的主要任务: :(1) 以 LED 数码管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列） ，1、3、5、7、9（奇数列） ，0、2、4、6、8（偶数列）和 0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列） ，然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列.，如此周而复始，不断循环。（2）打开电源时，控制器可自动清零。（3）每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s 到 2s 范围内连续可调，时间安排：时间安排：第 19 周：理论讲解第 20 周：理论设计，实验室安装调试以及撰写设计报告第 21 周：答辩地点：鉴主 15 楼通信实验室一指导教师签名：指导教师签名： 20092009 年年 7 7 月月 3 3 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 2摘摘 要要 这次的课程设计主要是用计数器来实现的，这个彩灯循环控制电路的实质就是要产生一系列有规律的数列，然后通过一个数码管显示出来。这里使用的只要就是计数器，计数器在时序电路中应用的很广泛，它不仅可以用于对脉冲进行计数，还可用于分频，定时，产生节拍脉冲以及其他时序信号。运用计数器的不同的功能和不同的接发就可以实现不同的序列输出了。而这次的内容还包括分电路图的整合，使这个彩灯循环显示器能够按照要求那个依次输出自然序列，奇数序列，偶数序列还有音乐序列。为了实现这个循环输出的功能，在设计的时候还用到了一个以为寄存器，可以利用它的输出端来控制四个计数器的工作情况，可以让四个计数器依次工作，就可以达到要求的依次循环输出数列。最后还有一个部分就是脉冲的产生基于多谐振荡器可以产生方波，就可以利用它来产生脉冲信号了。而这个多谐振荡器采用的是 555 定时器来完成的,另外,直接用脉冲信号源提供方波。这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。3Abstract This time curriculum project is mainly realizes with the counter, this colored lantern cyclic control electric circuits essence is must have a series of orderly sequences, then the nixietube demonstrates through. Here uses, so long as is the counter, the counter the application is very widespread in the sequence circuit.Iit not only may use to the pulse carries on the counting, but may also use in the frequency division, fixed time, produces the metre pulse as well as other succession signal. And different met using the counter different function sends may realize the different sequence to output.But this time content also includes the power distribution road map the conformity, enables this colored lantern circulation monitor to defer to requests that to output the natural sequence in turn, the odd number sequence, the even number sequence also has music sequence. In order to realize this circulation output function, in design time also used one to think the register, might use its out-port to control four counters the working conditions, might let four counters work in turn, might meet the requirements the circulation output sequence in turn. also has a part Finally the pulse production may have the square-wave based on the multivibrator, might use it to produce the signal impulse. What but this multivibrator uses is 555 timers completes. this design basically is connects by the above three parts is being composed together.4目 录摘 要.21 整体电路方框图.42 设计方案选择.52.1 数列循环部分.52.2 数列显示部分 .93 单元电路的设计及其原理.103.1 数列循环电路的设计.103.2 序列显示电路的设计.113.2.1 十进制自然序列的显示电路.113.2.2 奇数序列显示电路.123.3 脉冲信号的产生电路.143.4 分频电路的设计.154 总电路图的设计 .175 仿真结果及分析.196 心得与体会.217 元件清单.228 参考文献.2351 整体电路方框图自然序列奇数序列偶数序列音乐序列译码器计数器脉冲信号译码显示图 1 基本方框图这个电路框图可以实现设计的要求，依次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，各序列可通过同一芯片的不同接法实现，也可用不同芯片实现，而且还可以通过一个循环电路使之循环输出，序列的输出顺序由译码器控制，由数码管输出各序列，其显示的间隔时间也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整，而脉冲信号可由脉冲产生电路实现，也可直接用脉冲信号源。2 设计方案选择2.1 数列循环部分方案一要让四个数列依次循环则采用一个 2 线-4 线译码器和一个四进制计数器。用译码器的输出依次去控制芯片清零端，再通过一个四进制计数器去控制译码器输入，使其在四个输出间不断循环，而计数器的时钟脉冲则可通过每个芯片的进位端经过一四输入或门输出来控制。其电路图如图 2：6图 2 用译码器实现的循环电路这个部分主要用到的是 74HC390 计数器和 74HC139 译码管，它们的功能表和引脚图分别如下表 1 表 2 和图 3 图 4 所示： 表 1 74HC390 的功能表输入输出R01R02S91S92CPACPBQDQCQBQA1100000110000001110010111001CP0二进制计数0CP五进制计数CPQA8421 码十进制计数R01 R02=0S91 S92=0QDCP5421 码十进制计数 7表 2 74HC139 的功能表输入输出GBAY3Y2Y1Y0111110001110001110101110110110111 图 3 74HC390 的引脚图 图 4 74HC139 的引脚图方案二设计数列的循环有很多种方法，这个方案就是利用移位寄存器将串行数据右移和左移的特点来设计的。电路图如图 5：8图 5 用 74LS194 构成的循环电路原理图这个电路图实现循环主要是依靠 74LS194 的移位功能来完成的。先让开关 J1 拨至与电源相接，就是接入高电平，这样移位寄存器有了脉冲信号之后就可以实现置数的功能，四个输出端为 1000，再将开关 J1 拨至与地相接也就是接入低电平，这时寄存器就可以实现移位的操作了，然后通过脉冲信号的触发下，寄存器的输出就可以从 1000010000100001，这样依次循环了。然后四个输出端用来控制计数器的信号控制端就可以控制序列输出了。循环电路的设计采用 74LS194 移位寄存器，通过 74LS194 移位寄存器的四个输出端子分别控制四个计数器工作，74LS194 的功能表如表 3，引脚图如图6 所示：9表 3 74LS194 的功能表 图 6 74LS194 的引脚图这两种方案都可以实现数列的循环，第二种方案需要拨动开关，而第一种就不需要可以自动依次产生数列。另外第二种开关使其依次产生序列还需要一个脉冲控制，而在设计总体的电路的时候四个计数器也需要有脉冲信号的触发，这样的话就要多设计一个方波脉冲的产生电路，另外还要与计数器的脉冲信号匹配，因为 74LS194 的移位是要一个计数器的全部数列产生完后才下一个脉冲，这样不是很好与计数器的脉冲频率想匹配。但是第一个方案就很好的解决了这个问题，这个方案的数列循环部分就是依靠芯片 74HC390 和 74HC139 也就是输入输出控制信号串行输入清零CLRS1S0右移左移时钟CLK工作状态00100保持1010（1）右移1100（1）左移111置数10一个计数器还有一个译码器来实现的。74HC390 的脉冲信号是由计数器的进位端来控制的，这样就很好解决了方案二的问题，只有当一个计数器的全部数列输出完了之后才会有脉冲信号过来触发 74HC390 让它进入下一个状态，这样就是由电路自己控制的，不会产生方案二的问题。2.2 数列显示部分这个部分选用由 74LS160D 芯片构成，结构简单，原理易懂且易于实现，所以选用该方案，如图 7 以音乐序列为例：图 7 音乐序列显示电路图2.32.3 确立方案确立方案在数列循环的部分我采用的是用一个四进制计数器和一个译码器来实现的，这样避免了脉冲的混乱。在数列显示部分用的是芯片 74LS160 计数器的计数功能实现的。在脉冲信号产生的环节则就是采用 555 定时器构成的多谐振荡器。VCC5VV150 Hz 5 V U174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2DCD_HEX_YELLOW1VCC2340113 单元电路的设计及其原理3.1 数列循环电路的设计在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和一个译码器，这个部分的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列的循环显示。其中四个 74LS160 计数器的进位端与 74HC390 的 CPA 相接，这样就可以通过进位端状态由 0 变为 1 的瞬间给它一个脉冲触发，而另一个脉冲端则是与其输出端 QA 相接的，这样的接法是为了使 74HC390 实现 8421BCD 码十进制计数的功能。然后再让 74HC390 的输出端 QA，QB 分别与译码器 74HC194 相接，这样可以用译码器来控制计数器的动作状态，它可以决定由哪个 74LS160 计数器来工作。当QA,QB 为“0” ， “0”时，这时译码器的输出端就只有 Y0为 0，接一个反相器然后再接产生自然序列的计数器的清零端;这样就可以实现只有自然序列输出的功能，同理当 QA,QB 为“0”,“1”时，这是译码器的输出端就只有 Y1为 0，接一个反相器然后再接产生奇数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有奇数序列输出的功能; 当 QA,QB 为“1”,“0”时，这是译码器的输出端就只有 Y2为 0，接一个反相器然后再接产生偶数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有偶数序列输出的功能; 当 QA,QB 为“1”,“1”时，这是译码器的输出端就只有 Y3为 0，接一个反相器然后再接产生音乐序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有音乐序列输出的功能。其产生序列的功能就是这样实现的。其电路图如图 8：12图 8 数列循环电路图3.2 序列显示电路的设计3.2.1 十进制自然序列的显示电路由于 74HC160 本身就是一个十进制计数的芯片，因此对于这个部分就只需按照其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000000100100011010001010110011110001001，然后再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0 到 9 了。其序列显示电路图如图 9：U3DCD_HEXU574LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC5VV150 Hz 5 V 100678913图 9 自然序列实现电路图3.2.2 奇数序列显示电路将奇数 1，3，5，7，9 用 8421BCD 码分别表示为：“0001” ， “0011” ，“0101” ， “0111” ， “1001” ，可以发现最后一位都为 1，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了。虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是奇数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2 倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图 10：图 10 奇数序列实现电路图3.2.3 偶数序列显示电路将偶数 0，2，4，6，8 用 8421BCD 码分别表示为“0000”， “0010”， “0100”,“0110”,“1000”, ,可以发现最后一位都为 0，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的 2 倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图 11：U1DCD_HEX_DIG_GREENU274LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2V150 Hz 5 V VCC5V10VCC234U1DCD_HEX_BLUEVCC5VV150 Hz 5 V U274LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC1023414图 11 偶数序列实现电路图3.2.4 音乐序列显示电路音乐序列的特点是从 0 显示到 7 后又再变为 0，这里可以将数码管的最高位固定接低电平就可以实现了。因为 74LS160 的输出端只有三个与数码管相接，当 74LS160 的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000” ， “0001” 。这样数码管的显示就又变成 0 和 1 了。其序列显示电路图如图 12：图 12 音乐序列实现电路图VCC5VV150 Hz 5 V U174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2DCD_HEX_YELLOW1VCC23401574LS160D 功能表以及引脚图如下表 4 和图 13 所示： 表 4 74HC160 功能表 CLRLOADENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCount1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD01图 13 74HC160 的引脚图3.3 脉冲信号的产生电路经过筛选，我选择了 555 所构成的多谐振荡电路，如下图 14 所示：16图 14 555 组成的多谐振荡电路从电路中我可以求出电路所产生的方波的频率为： f= 1.34/(R1+2*R2)*C 而我们要根据输出频率的周期的大小在 0.52s 之间可以连续地变化。那么555 多谐振荡电路所产生的频率大小应该在 14HZ 之间变化。才可以使输出的数屏显示间隔满足条件。因而我可以求得在电容 C=10uV 的情况下，可以根据频率范围求得 R1=10K 欧，R2可以在 13K65K 欧的范围内改变，这样就可以改变输出方波的频率了。3.4 分频电路的设计因为奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的 2 倍，为了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用二分频电路，让自然序列和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。JK 触发器可以构成二分频电路。由于 JK 触发器的状态方程为，将 JK 触发器的 J、K 端均接在高电平，则从输出端 Q 输出的1nnnQJQKQ是二分频后的时间脉冲，其时间间隔为原脉冲的 2 倍。其电路图如图 15：17 图 15 二分频电路JK 触发器状态方程： ，其真值表如下表 5：nnnQKQJQ1表 5 JK 触发器真值表输 入输出DRCPJKQn+11nQ001100QnnQ110101010118 4 总电路图的设计这个电路图可以实现设计的要求，可以依次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，而且还可以循环输出，数码管的显示的间隔时间 也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整。电路图中四个 74LS160 的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是 2 倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器很好地实现了这一功能。当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是 U1 先工作，它的清零端接的是“1“，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从 0 到 9，当 U1 的输出要从 9 变到 0 的瞬间，它的进位端的状态是”1” ，然后通过一个或门接至 74HC390 的脉冲输入端，这时从“0”变至“1” ，恰好有一个脉冲，就可以通过译码器使 U4 开始工作即开始计数，它从 9 变至 1 时，又通过进位端给 74HC390 一个脉冲，然后就通过译码器又使 U8 开始工作，它从 0 变至 8，当它从 8 变至 0 时，它的进位端又变至“1” ，就又可以给 74HC390 一个脉冲信号，最后就通过译码器控制 U9 的工作，111nQQn1QnnQ19输出音乐数列。如此周而复始的这样循环，就可以实现我们需要的功能了。其电路图如图 16: 图 16 总电路图5 仿真结果及分析5.1 仿真结果总电路将多谐振荡电路换成电压时钟脉冲信号，对电路进行仿真。通过对20脉冲信号的频率调节就可以改变数屏显示的时间间隔。由于循环一次的状态数过多，若要完整的显示出仿真得到的波形，只能选择分段截图，才能保证波形显示清晰，则总电路图的仿真由以下截取的图 17（1） ，17（2） ，17（3）组成： 图 17 （1）21 图 17 （2） 图 17（3）225.2 仿真结果分析 理论上，当电压时钟脉冲信号的频率为 1Hz 的时候，数屏显示的时间间隔为 2s；当电压时钟脉冲信号的频率为 4Hz 的时候，数屏显示的时间间隔为0.5s；当电压时钟脉冲信号的频率为 2Hz 的时候，数屏显示的时间间隔为 1s。而实际仿真过程用到的电压时钟脉冲信号的频率为 100HZ，才能使数屏显示的时间间隔大致在 0.5s 到 2s 的范围内。 分析仿真结果，发现总电路可以实现从自然数列，奇数数列和音乐数列的循环显示，而且数字之间的显示时间间隔也可以通过改变脉冲信号的频率来改变，使其在 0.5s 到 2s 范围内连续可调。另外，控制器可自动清零。故本次课设取得预想的方针结果。但每个数字的一次显示时间基本相等这个要求未能很好实现，故还需完善。6 心得与体会这次的数电课程设计最大的特点是与实际运用直接相关，回顾这些题目：汽车尾灯显示控制电路设计 、多路智能竞赛抢答器设计、多功能数字钟电路设计、数字频率计设计以及彩灯循环显示控制电路设计，无一不是生活中常见的，这样一次课程设计，让我投入了前所未有的兴致与热情去完成。刚拿到题目时，紧张了好一阵，无从下手，总觉得题目有求太多太难，上网、去图书馆查了好久资料，看了好些电路原理图才明白，这就是一个利用计数器以不同方式计数。明白原理之后便可以开始动手了。而此次选用 EWB 软件仿真主要是它简单易用而且正好可以很好地显示数字序列。当然，课程设计过程中遇到了一些困难，比如在使用 EWB 仿真时，脉冲产生电路的仿真一部分的波形成了一条直线，无法显示出预想的矩形波；总电路图画好后还出现了好多问题，但是在后来经过思考和改正，终于得出预想的结果。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不23同的接法设计出各种各样不同的电路出来。最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如我了解一般设计时序电路的主要步骤，还有如何利用 EWB、Multisim等学习软件， 。而且我很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实际的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。当然这次的设计学到的不仅仅是知识，还有如何去查阅资料，如何去完成一份报告书等等。总而言之，我觉得在这次课设中收获很大，加深了对理论和实践结合的理解，学习了仿真过程，最重要的是对数字电子技术基础这门课的实际应用多了许多了解，一定程度上也增加了对这门课、这个专业的兴趣。7 元件清单器件型号用途介绍数量74LS160D计数器474HC113DJK 触发器174HC390D多功能计数器174HC04D非门474HC139N2 线-4 线译码器1555-VIRTUAL555 集成定时器14072BD四输入或门5C电容2R电阻3DCD-HEXLED 数码管124SPST单刀单掷开关18 参考文献【1】 数字电子技术基础高等教育出版社 康华光【2】 电子线路设计实验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社【3】 新型集成电路的应用电子技术基础课程设计 ，梁宗善主编，华中科技大学出版社【4】 电子技术基础课程设计 ，孙梅生等编著，高等教育出版社