3159.彩灯循环显示控制电路设计

课课 程程 设设 计计题题 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学学 院院信息工程学院信息工程学院专专 业业通信工程通信工程班班 级级通信通信 姓姓 名名 指导教师指导教师 2010年7月2日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： 通信通信 08050805 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 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、脉冲发生器、数码管和必要的门电路，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: :（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、设计出完整的彩灯循环显示控制电路设计电路设计；2、对电路原理各部分进行准确的分析；3、写出电路的工作过程；4、对设计电路进行准确的仿真；5、能够分析出理论与实际的误差原因；6、本课设的技术要求较简单，能了解原理及分析仿真结果即可。时间安排：时间安排：17 周理论讲解及任务安排；18 周方案设计、仿真及制作；18 周答辩。指导教师签名：指导教师签名： 20102010 年年 月月 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 目录摘摘 要要 .1ABSTRACT.21 主要任务主要任务 .32 技术要求技术要求 .33 基本组成方框图基本组成方框图 .34 设计方案设计方案 .44.1 数列循环部分 .44.2 数列显示部分 .74.3 脉冲信号的产生 .94.4 方案的确定 .95 单元电路的设计及其原理单元电路的设计及其原理 .105.1 数列循环电路的设计 .105.2 序列显示电路的设计 .115.2.1 十进制自然序列的显示电路 .115.2.2 奇数序列显示电路 .115.2.3 偶数序列显示电路 .125.2.4 音乐序列显示电路 .135.3 脉冲产生电路的设计 .135.4 二分频电路的设计 .145.5 总电路图的设计 .156 仿真结果仿真结果 .176.1 脉冲产生电路的仿真 .176.2 二分频电路的仿真 .187 测试结果分析测试结果分析 .198 体会与心得体会与心得 .209 参考文献参考文献 .2110 元件清单元件清单 .22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，然后通过一个七段数码管显示出来。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。这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。AbstractThe curriculum design is mainly used to achieve the counter, the lanterns of the substance of the cycle control circuit is to produce a series of regular series, and then through a Seven-Segment LED display. Is used here as long as 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, timing, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. Counter the use of different functions and different sending and receiving can be achieved on the output of different sequence. And this also includes the integration of sub-circuit so that the lantern display cycle that in turn can be output in accordance with the requirements of the natural sequence of odd-numbered sequence, even sequence the music sequence. In order to achieve this cycle of the output function, the design is also used when a register that can be used to control the output of the work of the four counters, you can turn the work so that the four counters, we can meet the requirement of the order cycle of the output series. Finally, there is a part of the generated pulse Multivibrator Based on square wave can be generated, you can use it to generate a pulse signal. Multivibrator This is used to complete the 555 timer. This design is basically three parts from the above linked to the composition.彩灯循环显示控制电路设计1 主要任务主要任务以 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） ，然后由依次显示出自然数列、奇数列、偶数序列，音乐符号序列. 如此周而复始，不断循环。2 技术要求技术要求打开电源时，控制器可自动清零。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。3 基本组成方框图基本组成方框图图 1 基本方框图4 设计方案设计方案4.1 数列循环部分数列循环部分方案一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 2 图 2 用 74LS940 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 1，引脚图如图 3表 1 74LS194 的功能表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 图 3 74LS194 的引脚图 方案二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，在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 4对应芯片的清零端图 4 用译码器实现的循环电路这个部分主要用到的是芯片 74HC390 计数器和 74HC139 译码管，它们的功能表如下图和表所示。 表 2 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 表 3 74HC139 的功能表输入输出GBAY3Y2Y1Y0111110001110001110101110110110111这两种方案都可以实现数列的循环，第一种方案需要拨动开关，而第二种就不需要可以自动依次产生数列。另外第一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。但是第二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一的问题，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，不会产生方案一的问题。4.2 数列显示部分数列显示部分这个部分是利用 74LS160D 计数器来实现的。根据数列不同的特点来连接电路的。电路图如图 5（以自然序列为例）图 5 数列显示电路原理图其中主要使用的是 74LS160D 来实现的，其功能表以及引脚图如下图所示。U3DCD_HEXU574LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC5VV150 Hz 5 V 1006789 图 6 74HC160 的引脚图 表 4 74HC160CLRLOADENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCount1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD014.3 脉冲信号的产生脉冲信号的产生产生信号脉冲的方法很多，这里我在设计的时候选用的是用多谐振荡器，它是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，常做为脉冲信号源。由于不用接输入信号就可以产生所需要的矩形波，所以在设计的时候就选用这个方案。而选用的电路是用 555 定时器构成的，因为 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。电路图如图 7 图 7 脉冲信号产生电路图4.4 方案的确定方案的确定 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 的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。5 单元电路的设计及其原理单元电路的设计及其原理5.1 数列循环电路的设计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应芯片的清零端 图 8 用译码器实现的循环电路5.2 序列显示电路的设计序列显示电路的设计5.2.1 十进制自然序列的显示电路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 9U3DCD_HEXU574LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC5VV150 Hz 5 V 1006789 图 9 自然数列的现实电路图5.2.2 奇数序列显示电路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奇数序列的现实电路图5.2.3 偶数序列显示电路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U1DCD_HEX_DIG_GREENU274LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2V150 Hz 5 V VCC5V10VCC234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 图 11 偶数序列的现实电路图5.2.4 音乐序列显示电路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 U1DCD_HEX_BLUEVCC5VV150 Hz 5 V U274LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC10234VCC5VV150 Hz 5 V U174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2DCD_HEX_YELLOW1VCC2340图 12 音乐数列的现实电路图5.3 脉冲产生电路的设计脉冲产生电路的设计由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。我这里用到的是用 555 定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。而用 555 定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。设 R3 和 R2 的上半部分为 RA，R1 和 R2 的下半部分为 RB，电容 C2 两端的电压为VC。接通电源后，电容 C2 被充电，当 VC上升到 2/3VCC时，使输出电压为低电平，同事放电三极管 T 导通，此时电容 C2 通过 RB和 T 放电，VC下降。当 VC下降到 2/3VCC时，V0 翻转为高电平。当放电结束后，T 管截止，VCC将通过 RA 和 RB 向电容器 C2 充电，当 VC上升到 2/3VCC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其电路图如图 13 图 13 脉冲产生电路5.4 二分频电路的设计二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1nnnQJQKQJK 触发器的 J、K 端均接在高电平，则从输出端 Q 输出的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 14图 14 二分频电路U1A74HC113D_6V1J31Q611K21Q51PR4VCC5VXSC1ABExt Trig+_+_VCCV11kHz 5 V 1205.5 总电路图的设计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，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 15图 15 总电路图6 仿真结果仿真结果6.1 脉冲产生电路的仿真脉冲产生电路的仿真 图 16 脉冲产生电路 图 17 脉冲产生电路的仿真6.2 二分频电路的仿真二分频电路的仿真 图 18 二分频电路U1A74HC113D_6V1J31Q611K21Q51PR4VCC5VXSC1ABExt Trig+_+_VCCV11kHz 5 V 120 图 19 二分频电路的仿真7 测试结果分析测试结果分析经测试之后，电路可以实现设计要求，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。电路由一个缺点就是不能实现清零的作用，每次打开电源它的起始的数列是未知的，这点还需要改进。8 体会与心得体会与心得这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多电路，例如频率计、交通灯、数字钟这些都是我们自己可以实现的，突然感觉自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。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，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。另外在分析比较设计循环电路的环节中，我还考虑过利用移位寄存器来设计循环，可是发现移位寄存器的脉冲不好控制。不过我还是学会了移位寄存器的很多功能，以及通过查阅资料也知道了它的很多种典型的电路。最后一个知识点就是利用 555定时器来设计多谐振荡器，我采用的电路就是课本里介绍的典型电路，通过这个电路也让我了解了 555 定时器的功能，还有一个就是利用 JK 触发器来实现分频的功能。这些都是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如中我了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，方面以后的学习很仿真。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。总之我觉得这样的实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助，而且对我分析问题的方法也有很大的帮助，使我考虑问题更周到，更全面。9 参考文献参考文献1谢自美.电子线路设计.实验.测试（第三版）.武汉：华中科技大学出版，20062梁宗善主编.新型集成电路的应用电子技术基础课程设计.武汉：华中科技大学出版社.1998.3孙梅生等.电子技术基础课程设计.北京：高等教育出版社，19894康华光, 周寿彬, 秦臻.电子技术基础数字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，20065阎石主编.数字电子技术基础（第 4 版）.北京：高等教育出版社.20016陈明义主编.数字电子技术基础（电类）.中南大学出版社 2004.17高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社，2005.28Victor p. Nelson 主编.DIGITAL LOGIC CIRCUIT ANALYSIS & DESIGN 数字逻辑电路分析与设计.北京：清华大学出版社，200310 元件清单元件清单器件型号用途介绍数量74LS160N计数器474HC113DJK 触发器174HC390N多功能的计数器174HC04N非门474HC139N2 线-4 线译码器1NE555555 集成定时器14072BP四输入或门5GND接地端4VCC直流电源5本科生课程设计成绩评定表本科生课程设计成绩评定表姓姓 名名性性 别别女女专业、班级专业、班级通信通信 0805课程设计题目：课程设计题目： 彩灯循环显示控制电路设计彩灯循环显示控制电路设计课程设计答辩或质疑记录：课程设计答辩或质疑记录：问：偶数序列显示电路的原理是什么？答：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，我利用二分频电路解决上述问题。成绩评定依据：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师指导教师签字：签字： 年年 月月 日日