數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計-彩燈控制器的設(shè)計

1、<p><b>　　彩燈控制器的設(shè)計</b></p><p><b>　　一、設(shè)計任務(wù)與要求</b></p><p>　?。?）以半導(dǎo)體數(shù)碼管作為控制器的顯示器，它能自動地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（

2、音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。</p><p>　　（2）打開電源時，控制器可自動清零，從接通電源時刻起，數(shù)碼管最先顯示出自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化。</p><p><b>　　二、方案設(shè)計與論證</b></p><p>　　彩燈循環(huán)顯示控制電路組成方框圖如

3、上圖所示,脈沖時鐘信號輸出高低電平,通過四個計數(shù)器依次計數(shù),再由譯碼器譯碼,通過數(shù)碼管顯示出自然序列、奇數(shù)列、偶數(shù)列、音樂序列，序列循環(huán)的顯示由計數(shù)器來控制,每一個序列循環(huán)完畢后,計數(shù)器會產(chǎn)生一個進(jìn)位信號,該信號通過計數(shù)器進(jìn)而使序列循環(huán)起來。奇數(shù)列和偶數(shù)列的循環(huán)為自然序列和音樂序列的二分頻，這樣能做到每一次顯示的時間相同。</p><p>　　要讓四個數(shù)列依次循環(huán)則采用一個2線—4線譯碼器和一個四進(jìn)制計數(shù)器。用譯

4、碼器的輸出依次去控制芯片清零端,再通過一個四進(jìn)制計數(shù)器去控制譯碼器輸入,使其在四個輸出間不斷循環(huán),而計數(shù)器的時鐘脈沖則可通過每個芯片的進(jìn)位端經(jīng)過一四輸入或門輸出來控制。電路如圖</p><p>　　這個部分主要用到的芯片是74HC390計數(shù)器和74HC139譯碼管,他們的功能表和引腳圖分別如下圖和表所示。</p><p>　　74HC390功能表</p><p>　

5、　74HC139的功能表</p><p>　　74HC390的引腳圖 74HC139的引腳圖</p><p>　　三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p><b>　　數(shù)列顯示部分</b></p><p>　　這個部分是利用74LS160D計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)數(shù)列不同的特點(diǎn)來連接電路的。電路圖如圖（以自

6、然序列為例）</p><p><b>　　數(shù)列顯示電路原理圖</b></p><p>　　其中主要使用的是74LS160D來實(shí)現(xiàn)的，其功能以及引腳圖如下圖所示。</p><p>　　74HC160引腳圖</p><p>　　74HC139的功能表</p><p><b>　　脈沖信號的產(chǎn)

7、生</b></p><p>　　選用多諧振蕩器，它是一種在接通電源后，就能產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，常作為脈沖信號源。而選用的電路是555定時器構(gòu)成的，因?yàn)?55定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用它組成的多諧振蕩器的震蕩頻率收電源電壓和溫度變化的影響很小，這樣使產(chǎn)生的矩形波更穩(wěn)定。電路如圖</p><p><b>　　脈沖信號產(chǎn)生電

8、路圖</b></p><p><b>　　數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計</b></p><p>　　在這個部分主要是應(yīng)用了一個四進(jìn)制的計數(shù)器和一個譯碼器，這個部分的作用是為了使自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列的循環(huán)顯示。其中四個74LS160計數(shù)器的進(jìn)位端與74HC390的CPA相接，這樣就可以通過進(jìn)位端狀態(tài)由0變?yōu)?的瞬間給它一個脈沖觸發(fā)，而另一個脈沖端則是

9、與其輸出端QA相接的，這樣的接法是為了使74HC390實(shí)現(xiàn)8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)的功能。然后再讓74HC390的輸出端QA，QB分別與譯碼器74HC194相接，這樣可以用譯碼器來控制計數(shù)器的動作狀態(tài)，它可以決定由哪個74LS160計數(shù)器來工作。當(dāng)QA，QB為“0”，“0”時，這時譯碼器的輸出端就只有Yo為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生自然序列的計數(shù)器的清零端；這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有自然序列輸出的功能，同理當(dāng)QA，QB為“0”，“1”時，這

10、時譯碼器的輸出端就只有Y1為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生奇數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有奇數(shù)序列輸出的功能；當(dāng)QA，QB為“1”，“0”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y2為0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生偶數(shù)序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有偶數(shù)序列輸出的功能；當(dāng)QA，QB為“1</p><p>　　用譯碼器實(shí)現(xiàn)的循環(huán)電路</p><p><b>　　序列顯示電路的設(shè)

11、計</b></p><p>　　十進(jìn)制自然序列的顯示電路</p><p>　　由于74HC160本身就是一個十進(jìn)制技術(shù)的芯片，因此對于這個部分就需要按其功能表來接電路就可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制自然序列輸出了。在脈沖信號的觸發(fā)下，計數(shù)器的輸出端的狀態(tài)依次為0000→0001→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再將計數(shù)器的輸出端和數(shù)碼管的輸入端口相接就

12、可以在數(shù)碼管上面看到依次顯示從0到9了。其序列顯示電路圖如圖</p><p>　　自然數(shù)列的顯示電路圖</p><p><b>　　奇數(shù)序列顯示電路</b></p><p>　　將奇數(shù)1，3，5，7，9用8421BCD碼分別表示為：“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為1，因此可以在上述十進(jìn)制

13、自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接高電平就可以實(shí)現(xiàn)奇數(shù)序列了。雖然在每個脈沖觸發(fā)的作用下，芯片實(shí)現(xiàn)的仍然是十進(jìn)制，但是用于數(shù)碼管最低位接高電平，在數(shù)碼管現(xiàn)實(shí)的則是奇數(shù)列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的2倍，為了實(shí)現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。其序列顯示電路圖如圖</p><p>　　奇數(shù)序列的實(shí)現(xiàn)電路圖</p><p><b>　　偶數(shù)序列顯示電

14、路</b></p><p>　　將偶數(shù)0，2，4，6，8用8421BCD碼分別表示為“0000”，“0100”，“0100”，“0110”，“1000”，可以發(fā)現(xiàn)最后一位都是0，因此可以在上述十進(jìn)制自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接低電平就可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)序列了。雖然在每個脈沖觸發(fā)的作用下，芯片實(shí)現(xiàn)的仍然是十進(jìn)制，但是由于數(shù)碼管最低位接高電平，在數(shù)碼管顯示的則是偶數(shù)列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的2

15、倍，為了實(shí)現(xiàn)相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。其序列顯示電路圖如圖</p><p>　　偶數(shù)序列的實(shí)現(xiàn)電路圖</p><p><b>　　音樂序列顯示電路</b></p><p>　　音樂序列的特點(diǎn)是從0顯示到7后又再變?yōu)?，這里可以將數(shù)碼管的最高位固定接低電平就可以實(shí)現(xiàn)了。因?yàn)?4LS160的輸出端只有三個與數(shù)碼管相接

16、，當(dāng)74LS160的輸出為“1000”和“1001”時，這是由于數(shù)碼管最高位是固定接低電平的，也就是數(shù)碼管的輸入端仍是“0000”，“0001”。這樣數(shù)碼管的顯示就又變成0和1了。其序列顯示電路如圖</p><p>　　音樂數(shù)列的實(shí)現(xiàn)電路圖</p><p><b>　　脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計</b></p><p>　　由于上述設(shè)計中所用到的芯片全

17、要有脈沖信號的觸發(fā)才能完成相應(yīng)的功能，所以就需要用到脈沖產(chǎn)生電路。這里用到的是555定時器設(shè)計的多諧振蕩器，多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是在接通電源之后就可以產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，而不需要再外加輸入信號了。而用555定時器設(shè)計的多諧振蕩器也有很多優(yōu)點(diǎn)，由于555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，這樣就使多諧振蕩器產(chǎn)生的震蕩頻率受電源電壓和環(huán)境溫度變化的影響很小。</p><p>　　設(shè)R

18、3和R4的上部分為RA，R1和R4的下部分為RB，電容C2兩端的電壓為Vc。接通電源后，電容C2被充電，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時，使輸出電壓為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C2通過RB和T放電,Vc下降。當(dāng)Vc下降到2/3Vcc時，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。當(dāng)放電結(jié)束后，T管截止，Vcc將通過RA和RB向電容器C2充電，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其電路如

19、圖</p><p><b>　　脈沖產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　二分頻電路的設(shè)計</b></p><p>　　因?yàn)槠?、偶序列?shù)字顯示時間間隔是自然序列和音樂序列的2倍，為了實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字時間間隔相等的要求，可以使用二分頻電路，讓自然序列和音樂序列的顯示時間與奇偶電路的顯示時間相等。</p>&

20、lt;p>　　JK觸發(fā)器可以構(gòu)成二分頻電路。由于JK觸發(fā)器的狀態(tài)為，將JK觸發(fā)器的J、K端均接在高電平，則從輸出端Q輸出的是二分頻后的時間脈沖，其時間間隔為原脈沖的2倍。其電路圖如圖</p><p><b>　　二分頻電路</b></p><p>　　四、總電路工作原理及元器件清單</p><p><b>　　總電路圖的設(shè)計&l

21、t;/b></p><p><b>　　1．總原理圖</b></p><p>　　2．電路完整工作過程描述（總體工作原理）</p><p>　　這個電路圖可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計的要求，可以一次輸出自然數(shù)列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列還有音樂數(shù)列，而且還可以循環(huán)輸出，數(shù)碼管的顯示間隔時間也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進(jìn)行調(diào)整。</p><

22、p>　　電路圖中四個74LS160的輸出端口分別與四個與門相接，然后再將四個門電路的輸出端分別與數(shù)碼管的輸入端相接。其中產(chǎn)生自然數(shù)列和音樂數(shù)列的脈沖信號的頻率是產(chǎn)生技術(shù)序列和偶數(shù)序列的脈沖信號的頻率是2倍，這是因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)數(shù)字顯示時間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實(shí)現(xiàn)了這一功能。</p><p>　　當(dāng)打開電路的開關(guān)后，首先就是輸出自然序列，這時是U1先工作，他的清零端接的是“1”，這時就是它處在計

23、數(shù)的操作，然后輸出通過與或門相接再接至數(shù)碼管的輸入端，就可以依次顯示從0到9，當(dāng)U1的輸出要從9變到0的瞬間，它的進(jìn)位端的狀態(tài)是“1”，然后通過一個或門接至74HC390的脈沖輸入端，這是從“0”，變至“1”，恰好有一個脈沖，就可以通過譯碼器使U4開始工作即開始計數(shù)，這是從9變至1時，又通過進(jìn)位端給74HC390一個脈沖，然后就通過譯碼器又使U8開始工作，它從0變至8，當(dāng)它從8變至0時，它的進(jìn)位端又變至“1”，就又可以給74HC390一

24、個脈沖信號，最后就通過譯碼器控制U9的工作，輸出音樂數(shù)列。如此周而復(fù)始就可以實(shí)現(xiàn)需要的功能?？傠娐穲D如下</p><p><b>　　3．元件清單</b></p><p><b>　　五、仿真調(diào)試與分析</b></p><p><b>　　脈沖產(chǎn)生電路的仿真</b></p><p&

25、gt;<b>　　脈沖產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　脈沖產(chǎn)生電路的仿真</b></p><p><b>　　二分頻電路的仿真</b></p><p><b>　　二分頻電路</b></p><p><b>　　二分頻電路的仿真&l

26、t;/b></p><p><b>　　總電路的仿真</b></p><p><b>　　調(diào)試結(jié)果分析：</b></p><p>　　經(jīng)調(diào)試后，電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求，可以實(shí)現(xiàn)從自然序列，奇數(shù)序列和音樂序列的循環(huán)顯示，而且數(shù)字之間的顯示時間間隔也可以通過改變脈沖信號的頻率來改變。電路有一個缺點(diǎn)就是不能實(shí)現(xiàn)清零的作用，每

27、次打開電源它的起始的數(shù)列是未知的，也就是說不能確定是從哪一個序列開始循環(huán)的，還有一個缺陷是序列循環(huán)在交接的時刻起會出現(xiàn)顯示時間不相等的現(xiàn)象，這可能是在芯片工作時由于傳輸延遲等原因所致，由調(diào)試結(jié)果可知，雖然基本滿足設(shè)計要求，但仍有需要改進(jìn)的地方。</p><p>　　改進(jìn)構(gòu)想：首先，循環(huán)序列芯片采用含有片選端的多功能計數(shù)器；其次，控制循環(huán)部分采用一種可編程邏輯器件制成的移位寄存器，用程序來實(shí)現(xiàn)置數(shù)；第三，脈沖產(chǎn)生電

28、路采用一種頻率、幅度和周期都可調(diào)的高穩(wěn)定性元件。</p><p><b>　　六、結(jié)論與心得</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計是一次難得的鍛煉機(jī)會，讓我們能夠充分利用所學(xué)過的理論知識還有自己的想象能力，另外還有學(xué)習(xí)查找資料的方法，以及自己處理分析電路、設(shè)計電路的能力。我相信這是對我們的一個很好的提高。平時在學(xué)習(xí)理論知識的時候，根本就沒有想到我們所學(xué)的這些東西

29、有什么用，它們可以做成什么，只是一味利用它們來解決課后的習(xí)題，沒有想其它的用途。這次的課程設(shè)計讓我們懂得了它們在實(shí)際中的用途，突然感覺自己學(xué)的東西很有用，我們覺得這樣就可以激發(fā)我們以后的學(xué)習(xí)興趣，這樣有利于今后更好的學(xué)習(xí)。</p><p>　　通過這次實(shí)踐活動，我們增強(qiáng)了解決問題的能力，從中也發(fā)現(xiàn)了自己在動手操作方面的不足，為日后參加工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　首先，通過本次

30、活動，我們了解數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展前景，對所學(xué)專業(yè)有了進(jìn)一步的了解，更加熱愛所學(xué)專業(yè)，從中發(fā)現(xiàn)了理論方面的缺陷。</p><p>　　理論是我們今后實(shí)踐、工作的基礎(chǔ)，理論的學(xué)習(xí)不能有絲毫的懶惰，雖說理論是枯燥、乏味的，但我們要刻苦學(xué)習(xí)，充實(shí)自己的理論，為今后的學(xué)習(xí)工作打下基礎(chǔ)。</p><p>　　其次，我們忽視了動手能力的培養(yǎng)，在動手制作中明顯感到了吃力，犯了很多錯誤，對我們是一個不

31、少的打擊。但在另一方面也給了我們以警示，知不足，然后謀進(jìn)。發(fā)現(xiàn)不足，促使我們更加多的參加各種實(shí)踐活動，壞事又成了好事。</p><p>　　由于理論方面所學(xué)有限，了解又不好，再加之動手能力的匱乏，這次實(shí)踐也有很多不足之處，通過這次課程設(shè)計，我還更加深了理論知識的學(xué)習(xí)。這次的設(shè)計電路我用到了計數(shù)器還有譯碼器，通過自己分析和設(shè)計更好地運(yùn)用了它們，而且還學(xué)會了它們更多的功能，發(fā)現(xiàn)它們的功能遠(yuǎn)比功能表里面說的多很多，可以

32、利用不同的接法設(shè)計出各種各樣不同的電路出來，另外在分析比較設(shè)計循環(huán)電路的環(huán)節(jié)中，我還考慮過利用移位寄存器來設(shè)計循環(huán)，可是發(fā)現(xiàn)移位寄存器的脈沖不好控制。不過我還是學(xué)會了移位寄存器的很多功能，以及通過查閱資料也知道了它的很多典型的電路。最后一個知識點(diǎn)就是利用555定時器來設(shè)計多諧振蕩器，我采用的電路就是課本里的介紹的典型電路，通過這個電路也讓我了解了555定時器的功能，還有一個就是利用JK觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)分頻的功能。這些是我這次設(shè)計所用到的知識

33、點(diǎn)，通過這次的設(shè)計我鞏固了對這些理論性的知識的理解。</p><p>　　最后我覺得自己也學(xué)到了一些方法，比如我一般設(shè)計時序電路的主要步驟，還有如何利用EWB,MULTISM等學(xué)習(xí)軟件，這方面以后的學(xué)習(xí)很仿真。而且我很贊同學(xué)校這種利用課程設(shè)計來考驗(yàn)我們動手能力和動腦能力的教學(xué)方式，這樣一方面激發(fā)了我們自主學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也鞏固了學(xué)習(xí)到的理論知識，可以從實(shí)踐中積累實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，而不是老停留在理論學(xué)習(xí)的階段。當(dāng)然這