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1、独立设计实验任务书学生姓名： 专业班级： 通信0706 学号： 题 目: 彩灯循环显示控制电路设计 初始条件：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。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。要求完成的主要任务:1. 电路的理论设计2. 设计报告的撰写 目录摘 要3A
2、BSTRACT41设计方案的选择52 各部分电路的设计及原理62.1 数列显示部分62.1.1自然序列的显示电路62.1.2 奇数序列显示电路72.1.3偶数序列显示电路82.1.4音乐序列显示电路92.2脉冲信号的产生102.3 分频电路的设计132.3.1 1000分频电路的设计132.3.2 二分频电路的设计152.4 数列循环电路的设计162.5 开关清零设计173 总电路图设计与原理194 测试结果分析215 体会与心得226 参考文献23摘 要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。本次设计主用应用的就是计数器，计数器在时序电路中应用的很
3、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法就可以实现不同的序列输出了。首先设计出部分分电路，然后进行了电路图的整合，使的设计的电路能够按照要求依次输出自然序列，奇数序列，偶数序列及音乐序列。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译码器，利用它的输出端来控制四个计数器，让四个计数器依次工作，达到要求的循环输出数列。脉冲信号的产生是由555组成的多谐振荡器完成的，然后经过计数器的分频来达到数字显示时间，还有设计一个上电清零电路实现电路工作前的清零工作。最后将电路的各个部分进行整合便得到最终的设计电路。Abs
4、tractCarnival of the substance of the cycle circuit is to produce a series of regular series, and then display through a Seven-Segment LED. The design of the main applications is to use counters. Counter is wide used in the timing circuit, it not only can be used to count on the pulse, also be used
5、for frequency, timing, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. The use of different functions and different method of access about counters can be achieved on the output of different sequence. First of all, I make parts of sub-circuit design, and then get them into the whole cir
6、cuit, so that the designed circuit can be output under requirements the natural sequence, odd-numbered sequence, even sequence and music sequences in accordance. In order to achieve this cycle of the output function, the design is also added with a decoder, using it to control the output of the four
7、 counters, so that the four counters work in order under the requirements of the output cycle series. Pulse signal is generated by Multivibrator composed of 555, and then after a frequency counter to achieve the required show time of the figures. And then I need to design a circuit to achieve zero c
8、leared before work. Finally, I get the final circuit by integrating the various part circuits.1设计方案的选择方案一设计数字显示部分有很多种方法，这个方案是利用十六进制计数器组成十进制计数器完成的，对四个循环分别设计出电路图，当时应用的74LS163芯片，起先由于对题目要求没有真正看懂，把最后的音乐数列显示理解成07的八进制循环，以至电路图的误画，因为没有充分理解题目的原因，另一个错误是理解成应用四个数码管，结果最终完成的设计有四个数码管，总电路图却无法完成仿真。于是进行电路结构的分析，发现在数列循环
9、控制时用到反馈环节，而反馈进过了过多的元器件，导致了较大的延迟，而计数器本身的计数延迟较小，循环反馈无法及时到达，使得数列循环无法完成。因为无法完成题目要求变重新对题目进行分析，看有没有理解错误的地方，经过对题目的仔细研究发现，题目本身的要求都是围绕十进制进行的，也就是说最后的音乐数列也是十进制，其循环是0，1，2，3，4，5，6，7，0，1。然后在数码显示方面，题目要求是应用一个数码管完成所有循环，如此，找到了错误所在，明白了仿真无法实现的原因，否定了原先的设计，开始进行新的设计。方案二经过以上的错误及对题目的充分理解重新整理思路，重新选择十进制计数器74LS160，然后进行各部分数字显示的
10、设计，然后进行数列循环的设计，因为只能用到一个数码管，所以数字显示要进行选择，也就是需要四位选择完成，想到利用四输入或门达到要求。脉冲源仍然利用555组成多谐振荡器再经过分频得到，自然数列跟音乐数列的脉冲经过二分频已达到跟奇偶数列显示时间间隔的一致性，最终完成整个电路的设计，并顺利完成了仿真。2 各部分电路的设计及原理2.1 数列显示部分2.1.1自然序列的显示电路这个部分是利用74LS160D计数器来实现的。其功能表以及引脚图如下图所示。 图1 74LS160的引脚图 表1 74LS160ENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCou
11、nt1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD01由74LS160设计成的自然数列电路如图所示 图2 自然数列显示电路原理图由于74LS160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。2.1.2 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
12、”，“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。虽然只显示了五个数字，但计数器本身仍然进行着十进制的循环，只是两个脉冲显示一个数字，由此变产生显示时间间隔与自然数列不同的问题，显示时间为自然数列的两倍，于是想到应用二分频电路来解决，基本奇数列电路如图 图3 奇数序列显示电路原理图2.1.3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
13、电平就可以实现偶数序列了。虽然只显示了五个数字，但计数器本身仍然进行着十进制的循环，只是两个脉冲显示一个数字，由此变产生显示时间间隔与自然数列不同的问题，显示时间为自然数列的两倍，于是想到应用二分频电路来解决，基本偶数列电路如图 图4 偶数序列显示电路原理图2.1.4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，其实质仍然是十进制，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
14、的显示就又变成0和1了。其序列显示电路图如图 图5 音乐序列显示电路原理图2.2脉冲信号的产生产生信号脉冲的方法很多，这里我在设计的是利用555组成的多谐振荡器，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。题目要求数字显示时间在0.5s2s内可调，于是利用多谐振荡器周期的计算公式可知，可以通过改变电阻R1来实现，于是将R1变成一个变阻器。应用的公式如下：高电平时间： 低电平时间： 一个周期时间： 输出频率： 设计电路图如下 图6 脉冲信号发生电路图其中变阻器R1选择200K，R
15、2选择10K，两个电容全为0.01uF的，由此电路可得到周期为0.25ms1ms的脉冲信号，然后再利用1000分频电路得到0.25s1s的脉冲信号，最终经过二分频电路得到0.5s2s的脉冲信号，其原始仿真波形如下 图7 0.25ms脉冲信号波形仿真 图8 1ms脉冲信号仿真波形 2.3 分频电路的设计2.3.1 1000分频电路的设计因为原始555组成的多谐振荡器产生的脉冲周期为0.25ms1ms的，要想得到0.25s1s的信号就要进行信号的分频，将信号频率缩小1000倍，其周期便可以扩大1000倍。分频电路实际上就是计数电路，经过计数器的计数，原始信号每经过1000次脉冲计数，分频电路得到一
16、次脉冲，由此可以应用74LS90计数器设计电路图，74LS90计数器引脚图及功能表如下 图9 74LS90引脚图 表2 74LS90真值表说明：引脚中MR1，MR2分别是真值表中的R9(1),R9(2);MS1,MS2分别是真值表中的R0(1),R0(2);CP0,CP1分别是电路图中的INA,INB。由74LS90设计的分频电路图如下 图10 1000分频电路原理图用信号发生器及示波器仿真，信号发生器取1kHz的频率，得到的波形如下 图11 1kHz分频后仿真波形2.3.2 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两倍，为了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用
17、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。二进制计数器可以构成二分频电路。74LS90计数器本身具有二进制与八进制两个电路，由此只利用其二进制就可以实现二分频了，其电路原理图与波形仿真图分别如下 图12 二分频电路原理图 图13 二分频波形仿真2.4 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计数器的进位端相或后与74HC390的INA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
18、法是为了使74HC390实现8421BCD码十进制计数的功能，再将QC与CLR相连，实现由十进制变为四进制。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”,
19、“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。序列的循环功能就是这样实现的。 图14 序列循环电路原理图2.5 开关清零设计为了实现在计数开始前的清零，特设计了开关清零电路，此清零电路的原理是上电清零法，即应用电容的充放电来实现清零，因此此清零方法有一定得延迟，但并不影响整个电路的工作，清零电路如下 图15 上电清零电路原理图开关应该跟复位开关一样应用，即
20、闭合后接着打开，当开关打开时，电容充电，充电完全后电路时断开的，此时A点为低电平，当开关闭合后，瞬间A点得到高电平，而电容也瞬间放电，因为都是瞬间完成的，所以再接着打开开关时电容已经不带电，此时A点跟电源同时给电容充电，还有A点向地面的放电，使得A点很快便又回到低电平，虽然速度很快但是仍然具有一定得延迟，延迟大约为几百毫秒。A点与序列循环电路中译码器的使能端G相连，当A为低电平时译码器才能正常工作，有输入输出，当A点在得到高电平的一刻，译码器无法工作，输出端全为高电平，经过反相器与四个计数器的清零端相连，使得四个计数器全部清零，如此便实现了电路的开关清零。3 总电路图设计与原理这个电路图可以实
21、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或门相接，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。首先，开关J1先要进行一次闭合打开，实现电路工作前的清零。然后就是输出自然序列，这时是U7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
22、再接至数码管的输入端，就可以依次显示从0到9，当U7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74LS390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U8开始工作即开始计数，它从9变至1时，又通过进位端给74LS390一个脉冲，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74LS390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制U14的工作，输出音乐数列。如此周而复始的这样循环，就可以实现需要的功能了。其电路图如图 图16 总电路原理图4 测试结果分析经测试之后，电路可以实现设计要求，可以
23、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。电路每次开始前可以进行清零工作，但是有一缺点就是无法确定由哪一个序列开始循环，这是电路需要改进的地方。5 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
24、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。还有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。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
25、论性的知识的理解。最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如从中我了解了一般设计时序电路的主要步骤，还有如何利用MULTISIM软件进行电路的设计与仿真。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。6 参考文献1 数字电子技术基础 康华光主编,高等教育出版社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，高等教育出版社附件1元件清单74LS160D计数器 474LS90D计数器 174LS139D译码器 174LS390D多功能的计数器 174LS04D非门 1555集成定时器 14072BD四输入或门 3200K变阻器 110K电阻 20.01uF电容 230uF电容 1开关 1
