彩灯循环显示控制电路课程设计

任务书 设计题目中文：彩灯循环显示控制电路设计英文：Lantern display control circuit loop 设计功能要求1、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。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。2、打开电源时控制器可自动清零；3、每个数据的一次显示时间相等，这个时间在0.52秒范围内连续可调。 设计任务内容1、 学习与研究相关的电子技术理论知识，通过查阅模、数电资料及相关网站资料，拿出可行的设计方案；2、 根据设计方案进行电路设计，完成电路参数计算、元器件选型、绘制电路原理图；3、 进行电路软件仿真（Multisim 2001），获得实验数据，并验证设计有效性。4、 根据实验结果撰写课程设计报告。签名：赵华影彩灯循环控制电路设计摘要本次课程设计以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。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。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。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。这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。为了使实验结果更容易让人清晰明白，在以上电路的基础上还接了四个小彩灯，根据数码管数字的不同显示，四个小彩灯会相应的亮出不同的颜色。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。用555定时器设计的多谐振荡器，其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。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。电路图连接好后，经MULTISIM软件调试测试之后，电路可以实现设计要求，即实现从自然序列，奇数序列，偶数序列还有音乐序列的循环显示，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。关键词：关键词1：多谐振荡器；关键词2：彩灯循环控制；关键词3：555定时器 目 录引言1第1 章 设计简介21.1 主要任务31.2 技术要求41.3 基本组成方框图5第 2 章 设计方案 62.1 数列循环部分72.2 数列显示部分82.3 脉冲信号的产生92.4 方案的确定 10第 3 章 单元电路的设计及其原理 113.1 数列循环电路的设计 123.2 序列显示电路的设计 133.2.1 十进制自然序列的显示电路143.2.2 奇偶数序列显示电路153.2.3 音乐序列显示电路163.3 脉冲产生电路的设计 173.4 二分频电路的设计 183.5 电源电路的设计 193.6 总电路图的设计 20第四章 仿真结果4.1 脉冲产生电路的仿真4.2 二分频电路、显示电路的仿真结论 21致谢 22参考文献 23附录 24引 言课程设计是我校电气工程学院每一位二年级以上（包括二年级）同学每学期都必须做的设计，通过课程设计可以把同学们平时所学的知识充分利用起来，达到学以致用，同时，理论联系实践才是学习的最好途径和方法。作为电子信息工程专业的学生，我们不仅要把课本知识学扎实，同时也要把理论应用到实践中去，用实验来检验平时所学知识，达到融会贯通的效果。本次课程设计的题目是彩灯循环控制电路设计，主要运用计数器的不同功能、不同的接发就可以实现不同的序列输出。设计以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。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。这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。为了使实验结果更容易让人清晰明白，在以上电路的基础上还接了四个小彩灯，根据数码管数字的不同显示，四个小彩灯会相应的亮出不同的颜色。本次课程设计不仅巩固了学习的理论知识，理论联系实践，并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，而且提高了自己处理、分析电路、设计电路的能力，同时也激发了我们自主学习的兴趣，为今后的理论学习及实践操作做了一个良好的铺垫。第1章 设计简介1.1 主要任务本次课程设计以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。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。这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。为了使实验结果更容易让人清晰明白，在以上电路的基础上还接了四个小彩灯，根据数码管数字的不同显示，四个小彩灯会相应的亮出不同的颜色。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。电路图连接好后，经MULTISIM软件调试测试之后，电路可以实现设计要求，即实现从自然序列，奇数序列，偶数序列还有音乐序列的循环显示，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。1.2 技术要求1.根据设计方案进行电路设计，完成电路各参数计算、元器件选型、绘制电路原理图等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。4进行电路软件仿真（Multisim 2001），获得实验数据，并验证设计有效性。1.3 基本组成方框图图1 基本组成方框图第2章 设计方案2.1 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的功能表输入输出清零CLR控制信号串行输入时钟CLK工作状态S1S0右移左移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，它们的功能表和引脚图分别如下图和表所示。 表2 74HC390的功能表输入输出R01R02S91S92CPACPBQDQCQBQA1100000110000001110010111001R01 R02=0S91 S92=0CP0二进制计数0CP五进制计数CPQA8421码十进制计数QDCP5421码十进制计数 表3 74HC139的功能表输入输出GBAY3Y2Y1Y0111110001110001110101110110110111 图5 74HC390的引脚图 图6 74HC139的引脚图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。2.2 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7（以自然序列为例） 图7 数列显示电路原理图其中主要使用的是74LH160D来实现的，其功能表以及引脚图如下图所示。图8 74HC160的引脚图表4 74HC160ENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCount1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD01 2.3 脉冲信号的产生产生信号脉冲的方法很多，充分结合本学期数字电子技术课程里的知识，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定时器能很方便的接成施密特触发器，可以先把它接成施密特触发器，然后在其基础上该接成多谐振荡器，而且通过模电知识可知道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。如下图，只要把施密特触发器的反向输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。通过改变R和C的参数即可改变振荡频率，用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率约500HZ,用CB7555组成的多谐振荡器最高振荡频率约1MHZ.电路图如图9图9 脉冲信号产生电路图2.4 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。用555定时器设计的多谐振荡器，其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。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。第 3 章 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10图11 用译码器实现的循环电路图10 用译码器实现的循环电路 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11图11 自然数列的现实电路图3.2.2奇偶数序列显示电路1奇数列将奇数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12图12 奇数序列的现实电路图2.偶数列将偶数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13图13 偶数序列的现实电路图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14图14 音乐数列的现实电路图3.3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15图15 脉冲产生电路3.4二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JK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16图16二分频电路3.5电源电路图的设计 图17 电源电路的设计3.6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。其电路图如图图18 总电路图第4章 仿真结果4.1脉冲产生电路的仿真图19 脉冲产生电路图 图20 脉冲产生电路的仿真4.2二分频电路的仿真图21 二分频电路 图22 二分频电路的仿真4.3 显示电路的仿真图23 偶数序列显示电路 图25 音乐系列显示电路图24 奇数序列显示电路图25 十进制自然序列显示电路 图26 总电路图1图26 音乐系列显示电路 图27 总电路图1图28 总电路图2 结 论 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。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。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。本次课程设计不仅巩固了学习的理论知识，理论联系实践，并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，而且提高了自己处理、分析电路、设计电路的能力，同时也激发了我们自主学习的兴趣，为今后的理论学习及实践操作做了一个良好的铺垫。致 谢在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助，非常感谢他们。首先，我要感谢学校为我提供的良好的课程设计的环境，给我提供了一个锻炼自己理论联系实践及动手操作的的平台。其次，我要感谢高文根老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的动手设计能力。再次，我要感谢帮助过我的同学特别是我们这组课程设计团队的同学，他们也为我解决了不少设计中出现的的难题。课程设计中，大家相互讨论，相互合作，不断改进和完善各自的设计，不仅在设计上达到了“共赢”，同时也增进了大家的友谊。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。谢谢！作者：赵华影 2010 年 7月 1日 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5 模拟电子技术基础第四版，童诗白 华成英主编，高等教育出版社6 数字电子技术基础第五版，阎石主编，高等教育出版社7 电子元器件与电子实习实训教程姚彬主编，机械工业出版社8 系统编程技术及其应用黄正瑾主编，东南大学出版社，19979 电子技术课程设计指导彭介华主编，高等教育出版社，199710 电子技术实验指导书李国丽、朱维勇主编，中国科技大学出版社，200011 集成电子技术基础教程郑家龙、王小海、章安元主编，高等教育出版社12 VHDL与数字电路设计卢杰、赖毅主编，科学出版社，2001附 录附录A总电路图1总电路图2附录B元件清单 器件型号用途介绍数量74LS160D计数器4555VIRTUAL555集成定时器174HC113D_6VJK触发器174HC05N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4三端式稳压器稳压电源1电容稳压电源4附录C1.脉冲产生电路的仿真2.二分频电路的仿真