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1、目录1、设计任务和要求 12、基本组成方框图 23、设计方案的选择与论证 33.1 数列循环模块 33.2 数列显示模块 73.3 脉冲信号的产生 73.4 方案的确定 84、单元电路的设计及其原理 94.1 数列循环电路的设计 94.2 序列显示电路的设计 104.2.1 十进制自然序列的显示电路 104.2.2 奇数序列显示电路 104.2.3 偶数序列显示电路 114.2.4 音乐序列显示电路 124.3 脉冲产生电路的设计 124.4 二分频电路的设计 134.5 总电路图的设计 145、仿真分析 165.1 脉冲产生电路的仿真 165.2 二分频电路的仿真 176、 PCB板的制作
2、197、体会与心得208、参考文献21附录 元件清单 22彩灯循环显示控制电路设计报告1设计任务和要求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.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。2基本组成方框图利用555定时器组成一个多谐振荡器，发出连续脉冲，作为计数器
3、的时间脉冲源。通过分频器改变时钟脉冲的频率，从而改变彩灯变化速度。用计数器的输出接译码器以实现对自然序列、奇数序列、偶数序列、音乐序列的循环变化。最后有数码管显示其结果。原理方框图如图2.1所示。图2.1方框图3设计方案的选择与论证3.1数列循环模块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3.1 所示：图3.1 74LS 194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
4、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4.1所示，引脚图如图3.2所示：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置数表3.1 74LS194的功能表 图3.2 74LS194的引脚图方案二
5、这个电路图实现循环主要是依靠74LS160的计数功能来完成的。通过进位端或门输出作为脉冲信号就可以可以控制74LS160来实现计数功能，输出从0001001000110100，这样依次用两个74LS153的四个输出端依次去控制计数器的清零端。其电路图如图3.3所示：图3.3用数选器器实现的循环电路这个部分主要用到的是芯片74LS160计数器和74LS153数选器，它们的功能表和引脚图分别如下图3.4图3.5和表3.2所示。 表3.2 74LS153的功能表 图3.4 74LS153的引脚图 图3.5 74LS160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
6、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74LS160和74LS153也就是一个计数器还有一个数选器来实现的。74LS160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74
7、LS160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。3.2数列显示模块这个部分是利用74LS160D计数器来实现的。根据数列不同的特点来连接电路的。其中主要使用的是74LS160D来实现的，其功能表与管脚排列如图3.5所示。ENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCount1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD01表3.3 74HC1603.3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，
8、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4.6所示。图3.6 脉冲信号产生电路图3.4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两个数选器来实现的，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。4单元电路的设计及其原理4.1数列循环电路
9、的设计在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和两个数选器，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74LS160的CP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74LS160实现8421BCD码十进制计数的功能。然后再让74LS160的输出端QA，QB分别与数选器74LS153相接，这样可以用数选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”，“1”时，这时数选器的输出端就只有Y0为1，然后再接产生自
10、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3.2所示。4.2序列显
11、示电路的设计4.2.1十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4.2所示。图4.2 自然数列的现实电路图4.2.2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
12、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5.3所示。图4.3奇数序列的现实电路图4.2.3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
13、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4.4所示。图4.4偶数序列的现实电路图4.2.4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”，“
14、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4.5所示： 图4.5 音乐数列的现实电路图4.3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。其电路图如图4.6所示。图4.6 脉冲产生电路4
15、.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。 D触发器可以构成二分频电路。由于D触发器的状态方程为Q*=D，将D触发器的D端均接输出Q*端，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4.7所示。 图4.7 二分频电路4.5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7
16、4LS160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
17、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4.8所示：图4.8 总电路图5仿真分析5.1脉冲产生电路的仿真555定时器脉冲产生的电路和仿真结果如图5.1和图5.2所示。图5.1 555脉冲产生电路图5.2 555仿真图 脉冲产生电路的周期T=2ms 5.2二分频电路的仿真检测二分频电路的周期，电路原理图和仿真图如图5
18、.3和图5.4所示。 图5.3 二分频电路 仿真所得T（A）=0.5ms T（B）=1ms图5.4二分频电路的仿真经测试之后，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。6 PCB板的制作本次电路原理图我使用的是Multisim 11.0这款软件，除此之外，它还外带一款PCB板制作软件Ultiboard 11.0，我就是通过这款软件制作了我的PCB板。首先，在Multisim 11.0中点击菜单栏中的Transfer
19、选项，再选择Transfer To Ultiboard中的第一项，出现一个对话框，点击保存，然后下面两项点击OK，软件自身开始导入封装，这些都完了，选择菜单栏中Autoroute，下拉菜单选择Start Atuplacement，它本身开始自动布局。最后就是自动布线了，选择工具栏中Start/resume autorouting the board，开始自动布线。我制作的PCB板是双层面板。结果如图6.1所示。 PCB板图7 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
20、。我相信是对我的一个很好的提高。这次的课程设计让我懂得了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
21、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
22、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很有帮助，使我考虑问题更周到，更全面。8 参考文献1、阎石.数字电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社.2006年5月2、郭海文.电气试验技术.徐州：中国矿业大学出版社.2008年12月3、薛鹏骞.电子设计自动化技术实用教程.徐州：中国矿业大学出版社.2007年2月4、藤国仁.电子技能训练教程.北京：煤炭工业出版社.2005年11月5、康光华.电子技术基础：数字部分.4版.北京：高等教育出版社.2000年附录 元件清单器件型号用途介绍数量74LS160N计数器574LS74DD触发器174LS153D数据选择器24069BD非门274HC139N2线-4线译码器1NE555555集成定时器14072BP四输入或门5GND接地端6DCD-HEXLED显示管1VCC直流电源14012BD4输入与非门1
