使用数字显示的旋转圆盘电路—-说明书—-毕业论文设计.doc

四川信息职业技术学院

毕业设计说明书（论文）

设计(论文)题目: 使用数字显示的
旋转圆盘电路设计
专 业: 通信技术
班 级: 通技06-2__

四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学 生
姓 名

学号

班级
通技06-2
专业
通信技术
设计（或论文）题目
使用数字显示的旋转圆盘电路设计
指导教师姓名
职 称
工作单位及所从事专业
联系方式
备 注

工程师
四川信息职业技术学院电子系

高级
工程师
四川九洲电子科技股份有限公司

设计（论文）内容：
（1）设计指标
① 设计一个LED数码管制作的旋转圆盘电路。
② 要求电路具有启动开关和停止开关，摁下启动开关，计数器开始计数；在摁下停止开关后，计数器仍然工作，然后停止在某一数字上，这个数字就是得中的数字。
③ 要求电路使用稍快的时钟脉冲来实现数字的选取。
（2）设计要求
④ 画出电路原理图（或仿真电路图）；
⑤ 元器件及参数选择；
进度安排：
第5周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定；
第6周~第10周：设计方案确定，分模块部分完成；
第11周：中期检查，查找问题，分析解决难点；
第12周~第15周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等；
第16周：答辩
主要参考文献：
[1]　戴伏生.基础电路设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2002
[2]　谢嘉奎.电子线路.第4版.北京：高等教育出版社，1999
[3]　郑应光.模拟电子线路（一）.南京：东南大学出版社，2005.1
[4]　李哲英等.实用电子线路设计[M].北京:电子工业出版社,1997
[5]　集成电路编委会.标准集成电路数据手册-运算放大器[M].北京:电子工业出版社,1998
[6]　上海电器科学研究所.实用电子元器件手册[M].上海科学技术出版社,1998
[7]　全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选(1994-1999)[Z].北京:北京理工大学出版社，2003
审
批
意
见

教研室负责人：

年 月 日
备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。
四川信息职业技术学院毕业设计说明书
目　录
摘　要 1
第1章　绪论 2
第2章　电路原理框图 3
第3章　单元电路工作原理 4
3.1　RS锁存器 4
3.1.1　用或非门构成的RS锁存器 4
3.1.2　用与非门构成的RS锁存器 5
3.1.3　锁存信号电路 5
3.2　脉冲产生电路 6
3.2.1　脉冲产生电路的选择 6
3.2.2　脉冲产生电路设计 6
3.3　计数器电路工作原理及芯片的选择 7
3.3.1　74LS161芯片介绍 8
3.3.2　利用74LS161构成37进制计数器 9
3.4　七段数字显示译码器 9
3.4.1　七段数字显示译码器74LS48介绍 10
3.4.2　译码电路设计 11
3.5　显示器 12
3.5.1　显示器的选择 12
3.5.2　显示电路 13
第4章　电路原理图 15
总　结 16
参考文献 18

I
四川信息职业技术学院毕业设计说明书
摘　要
当今社会数字显示的应用无处不在，银行、火车站、娱乐场所等移动屏幕的显示，都是在简单的数字显示的基础上发展起来的。本设计是用七段数字显示器制作旋转圆盘，该旋转圆盘是娱乐场所的常用工具，能完成37进制计数，主要由七段译码器、十进制计数器和RC环形振荡器构成。

关键词　旋转圆盘；计数器；译码器；振荡器
第18页　共18页
第1章　绪论
目前，大规模的工业化生产使得生产效率大大提高，产品产量也随之提高，对于产量及相关信息的计量也是非常重要的。无论是大型的生产基地还是小型的工厂，产品日产量动辄成千上万，传统的人工计数方式存在诸多缺点，早已经不能适应现代的产品生产规模。在当今世界，工业产品的计数自动化越来越普及，特别是随着科学技术的迅速发展电子技术的发展越来越快了，LED、LCD等光显示的应用领域越来越广泛，它的适用性及功能的便捷性正在逐渐被人们所利用，在生活、娱乐、工业、医疗等各个行业都应用到了用LED来显示计数，其产品的多样性和功能的使用性、强大性越来越强。
LED数码管灯身及灯罩均为进口PC材料或PMMA材料，采用电脑编程控制数字电路，以高亮度LED作为光源，利用红、绿、蓝三基色，通过微电脑控制器，多条灯管组合形成夜空中的变色光带，可实现彩色渐变、跳变、色彩闪烁、随机闪烁、渐变交替、色彩追逐、流水、扫描、滚动、图案编字等各种颜色变化，是一种新型高级装饰灯具。它既有霓虹灯的动感亮丽，又有日光的柔和，能演化出各种绚丽多彩的灯光颜色，达到同步七彩、三彩渐变、跳变，流水、追逐、扫描等引种变化效果。该产品可广泛应用于花园、舞台、立交桥护栏、大楼轮廓、景观照明、广告牌等场所以及城市亮化工程等。
本设计的旋转圆盘是利用计数器和译码器芯片制作的计数装置，其工作原理是当摁下电路的启动开关，信号就由时钟脉冲控制电路通过延时电路把信号送到振荡电路中，产生的时钟脉冲就会通过熄灭脉冲控制电路送到十进制计数器，然后再通过七段译码器到LED数码管。当摁下停止开关，由于RS锁存器锁存信号，通过延时电路的延时作用，计数器会随机地停止在某一个数字上。本电路主要完成的功能是从00计到36然后又复位开始新一轮循环。
第2章　电路原理框图
本设计使用数字显示的电子旋转圆盘电路主要由计数器、译码器、RC环形振荡器、RS锁存器、LED数码管显示五大部分组成，其原理框图如图2-1所示。

图2-1　使用数字显示的旋转圆盘框图
当摁下电路的启动开关，信号就由时钟脉冲控制电路通过延时电路把信号送到振荡电路中，产生的时钟脉冲就会通过熄灭脉冲控制电路送到十进制计数器，然后再通过七段译码器到LED数码管。当摁下停止开关，由于RS锁存器锁存信号，通过延时电路的延时作用，计数器会随机地停止在某一个数字上。本电路主要完成的功能是从00计到36然后又复位开始新一轮循环。
第3章　单元电路工作原理
3.1　RS锁存器
RS锁存器在电路中可起到封锁和存储输入触发脉冲的作用，有或非门或与非门两种结构，其作用是一样的。
3.1.1　用或非门构成的RS锁存器
RS锁存器是用两个2输入或非门实现的。每个或非门的其中一个输入都被交叉耦合到另一个或非门的输出端，而另一个输入端提供使锁存器由一个状态变到另一个状态的触发方式。
这种锁存器逻辑符号如图3-1所示。

图3-1　由或非门交叉耦合构成的RS锁存器
其真值表如表3-1所示。
表3-1　或非门构成的RS锁存器的真值表
S
R

0
0

0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
3.1.2　用与非门构成的RS锁存器
用与非门构成的RS锁存器其电路工作原理与或非门电路类似，电路如图3-2所示。

图3-2　由与非门构成的RS锁存器
与非门构成的RS锁存器真值表如表3-2所示。
表3-2　与非门构成的RS锁存器真值表
S
R

1
1

0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
根据真值表知，当输入S、R同时为1时，输出是保持状态；当输入S=0、R=1而输出端Q为逻辑1而为逻辑0时，锁存器处于置位状态。相反地，当输入S=1、R=0而输出端Q为逻辑0而为逻辑1时，锁存器处于复位状态；对于与非结构的RS锁存器，禁止条件是S=R=0，因为这会导致Q==1。
因为和用或非门构成的RS锁存器相比，用与非门构成的RS锁存器对有效的低输入产生响应，所以本设计采用的是用与非门构成的RS锁存器来完成电路的功能。
3.1.3　锁存信号电路
由与非门构成的RS锁存器在电路中主要是锁存信号的功能，其电路如图3-3所示。
信号到RC环形振荡电路
0.47u

图3-3　时钟脉冲控制电路
当按下启动开关，既给电路了一个低电平信号，经过RS锁存器电路输出一个高电平信号，该信号被送到延时电路；按下停止开关后，R端获得一个低电平信号，通过RS锁存器电路输出一个低电平信号，这时二极管截止，所以电路没有信号输出。但是LED数码管显示的数字不会立即停止，由于缓冲会随机的停在某个数字上。
3.2　脉冲产生电路
3.2.1　脉冲产生电路的选择
脉冲产生电路有LC正弦波振荡电路、555电路、RC环形振荡电路等，LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途十分广泛，可以组成多种波形发生器、多谐振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路、频率变换电路等。但由于RC环形振荡器振荡周期调节很方便，价格低廉，所以本设计选用RC环形振荡器。
3.2.2　脉冲产生电路设计
最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。为了克服上述缺点，可以在简单环形振荡器电路的基础上，增加RC延迟环节，即可组成如图3-3所示的RC环形振荡器。它的电路是由三个非门环形连接以确保起振，R、C为定时元件。RS是限流电阻，为G3的保护电阻而设置，其值较小，通常为100欧左右。为保证电路正常工作，要求R+Rs<Roff,否则会使G3门总处于开启状态，电路不能起振。

图3-3　RC环形振荡电路
RC环形振荡其的基本原理就是利用电容C的充放电，改变U13的电平（因为RS很小，在分析时往往忽略它）来控制G3周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。
电路的振荡周期为：T2.2RC
改变R、C的值，可以调节RC环形振荡器的振荡器的振荡周期T。但是，R不能选的太大（一般1千欧左右），否则电路不能正常振荡。
在RC环形振荡电路中，周期T定为2S，电阻R选为960，根据振荡周期公式T2.2RC，可得C=T/2.2R，代入数据得C=2S/960=0.002F。
3.3　计数器电路工作原理及芯片的选择
能够实现计数的计数器芯片有74LS161、74LS163、74LS160等，其中，74LS161是具有多种功能的集成同步4位二进制计数器，它具有计数、保持、同步预置、异步清零功能。74LS163是集成同步4位二进制计数器，采用的是同步清零方式，当Cr为低电平时，在CP脉冲的上升沿到来时，计数器清零，Q4Q3Q2Q1=0000。其他逻辑功能、计数工作原理与74LS161没有区别。74LS160是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器，用1片74LS160可以设计一个低于10进制的任意进制计数器。74LS160、74LS161、74LS163的逻辑功能相近，计数工作原理、引线排列图没有区别，因此，在许多场合下可以互换。本设计选用的是74LS161计数器芯片在电路中完成37进制计数功能。
3.3.1　74LS161芯片介绍
74LS161是具有多种功能的集成同步4位二进制计数器，它具有计数、保持、同步预置、异步清零功能。其功能如表3-3所示。
表3-3　74LS161功能表
输入

输出
功能
C
LD
P
T
CP
D
C
B
A
QDQCQBQA

0

0000
异步清零
1
0

d3
d2
d1
d0
d3d2d1d0
同步置数
1
1
0

保持
保持
1
1

0

保持
保持
1
1
1
1

计数
计数

74LS161芯片逻辑符号如图3-4所示。

图3-4　74LS161的逻辑符号
该计数器的端子有清零端，使能端EP、ET，置数端，时钟输入端CP，数据输入端P1、P2、P3、P4；计数器的状态输出端有Q1~Q4,进位输出端有OC。只有当使能端ET为高电平，且计数状态为1111时，进位端OC变成1，从而产生进位信号。当为低电平时，不管其他输入状态为何种状态，都能使计数器清零。由于计数器清零不受CP控制，故称为异步清零。由于在本设计中计数器不需要清零，所以端子接的是高电平。在=1的条件下，若=0，在CP脉冲上升沿作用下，P1、P2、P3、P4输入的数据将并行置入计数器的Q1、Q2、Q3、Q4之中。预置的数据DCBA被并行送到输出端，此时Q4Q3Q2Q1=DCBA。由于端子有同步并行预置数的功能，所以它接的也是高电平。在=的前提下，电路有两种保持功能，其一是，当EP=0、ET=1时，计数器将保持各触发器状态不变，并同时保持进位信号OC的状态不变(OC=Q1Q2Q3Q4ET)；其二是，当ET=0时，计数器保持各触发器的状态不变。所以EP、ET端子在电路中接的也是高电平。当==EP=ET=1时，电路处于计数状态，电路靠CP脉冲上升沿触发。进位信号OC是当计数器为1111状态时为1，其余时间为0，其正脉冲宽度等于CP脉冲的一个周期。
3.3.2　利用74LS161构成37进制计数器
由于一片74LS161只能计到16，而本电路完成的是37进制计数，所以需要两片74LS161芯片来完成旋转圆盘电路的计数。电路如图3-5所示。

图3-5　37进制计数器
图3-5是由两片十六进制计数芯片74LS161构成的单元电路，它可以完成37进制计数。首先将个位74LS161的输出端Q1~Q4的输出Q1和Q4接入与非门输入端构成十进制计数器，然后通过个位Oc进位端向十位的74LS161进位。当计数脉冲的到来时，个位计数器芯片开始从0000计数，当计到1001时，通过OC进位计数端向十位进位，这时，十位计数器芯片记为0001，个位又从0000开始计数，开始新一轮的循环，直到个位计到0111，十位计到0011，计到36电路高位和低位全部复位到全零状态。CP时钟脉冲端来脉冲又开始新一轮计数，当按下停止开关时，通过延时电路延迟，缓冲后停止计数。计数器的信号由RC环形振荡电路通过非门和与非门输入，然后它的输出信号到七段译码器的输出段，通过译码器把信号送到LED数码管。
3.4　七段数字显示译码器
译码器芯片有74LS48、74LS49等，其中74LS48是BCD七段译码器/驱动器，它驱动的是共阴极数码管，使显示段发光。而74LS49是BCD七段译码器/驱动器驱动的是共阳极。旋转圆盘电路采用的是共阴极数码管，共阴极数码管应与输出端为高电平有效的显示译码器配合使用，所以电路选用的译码器是74LS48。
3.4.1　七段数字显示译码器74LS48介绍
74LS48芯片是4线—7段译码器，它的功能是将输入的4位二进制代码转换成显示器所需要的七个段信号a~g，它是与共阴极数字显示器配合使用的集成译码器，真值表见表3-4，其逻辑符号如图3-6所示。

图3-6　74LS48的逻辑符号
由于为低电平的时候输出端显示的是1111111，而电路需要输出端从0000000显示到1110001，所以端子在电路中接的是高电平。
/：一方面可作为消隐输入端()。当该端为低电平时，不管其他输入端是何状态，输出端a~g为低电平，这可用于使7段显示器熄灭；另一方面，该脚还有第二功能，称为灭零信号输出端（），它的作用是用来控制与之相连的下一位显示器是否需要灭零功能。由于本电路中的数字显示不需要消影，所以/端子不能接低电平，只能接高电平。
灭“0”输入端：所谓灭“0”就是使“0”不被显示出来，在为1，/为0的前提下，当为0时尽管输入A~D=0000，输出a~g=0000000，但“0”不能显示出来；但是输入A~D0000时，显示效果不受影响。此功能用于输入为“0”但又不需要显示“0”的场合。所以接的是低电平。

表3-4　74LS48功能表
输入

输出

功能

D
C
B
A
/
a
b
c
d
e
f
g
显示
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1

0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
2
1

0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
2
3
1

0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
4
1

0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
4
5
1

0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
5
6
1

0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
6
7
1

0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
8
1

1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
8
9
1

1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
9
灭灯

0（输入）
0
0
0
0
0
0
0

灭零
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

试灯
0

1
1
1
1
1
1
1
1

3.4.2　译码电路设计
译码电路如图3-7所示，这是由两片74LS48来驱动LED数码管显示器，由于一片74LS48只能完成一位数的计数，而这里需要完成两位数的计数，所以需要两片74LS48。它构成的单元电路，在电路中实现译码功能。

图3-7　译码电路
用两片74LS48在电路中实现37进制的译码功能，A~D为输入端，输入信号来自计数器的状态输出端Q1~Q4，当十位的译码芯片得知计数器计到0011时，个位的译码芯片得知计数器计到0111时，通过37译码器把高位和低位都复位到0000，因为37译码器通过与计数器的复位端相连，所以当计数器计到37的时候计数器复位，从而完成复位功能。a~g为输出端，高电平有效，与共阴极七段数字显示器配合使用，显示效果由三个辅助控制端、、/进行控制，其功能如下：连接个位的74LS48的端子，使端与D触发器的Q端连接，因为D触发器的D端接高电平，所以根据D触发器的功能，使得端输入高电平，让个位的数字不会灭“0”，一直显示。而连接十位的74LS48的端子接的是低电平，因为十位需要灭“0”，只要当输入不为0，输出就不会受影响，会正常显示。当计数从0到36，计满37时，由于计数器的复位，使译码电路又从00开始，然后把信号送到LED数码管，数码管又会从00开始显示。
3.5　显示器
3.5.1　显示器的选择
在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观的显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成。
1．液晶显示器件
液晶显示器件（LCD）是一种平板薄型显示器件，其驱动电压很低、工作电流极小，与COMS电路结合起来可以组成微功耗系统，广泛地用于电子钟表、电子计算器、各种仪器和仪表中。
液晶是一种既具有液体的流动性有具有晶体光学特性的有机化合物，它的透明度和显示的颜色受外加电场的控制。在没有外电压且入射光从偏光板的一侧射入时，光线就成为偏振光，光轴与偏振镜的轴向一致。偏振光进入液晶层后，由于液晶的排列方式使射出液晶层的偏振光光轴已发生90度的旋转，与上板偏振轴向一致，光线得以通过，呈亮点。
2．LED数码管
LED数字显示器是专门用来显示数字信息的数字显示模块，所显示数字的形状部分配置有发光二极管，所以可视性非常好。
ROHM的LED显示器有LED数字显示器(段式LED)和LED点阵式显示器两种，都是用LED构成的模块产品，由于采用了ROHM独创的结构设计而具有广视角、高亮度、高可靠性等优点。LED数字显示器是以表面贴装、高亮度、低功耗、高可靠性作为关键词开数码由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如半导体显示器。半导体数码管——BS201A半导体数码管是分段式半导体显示器件，其基本结构是PN结，即用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。发出来的；LED点阵式显示器是以广视角、高反差作为关键词开发出来的。ROHM把这两种产品作为联结信息与人的接口奉献给社会。
由于LED数字显示器是专门用来显示数字信息的数字模块，所以本设计选用的是LED数字显示器来专门显示从00到36的计数，它的可视性也非常好。
3.5.2　显示电路
LED显示器电路由两个共阴极七段数字显示器和限流电阻组合而成，其电路如图3-8所示，限流电阻在电路中起保护作用，以免电流过大而损坏LED数码管。由表3-4知，当译码器的输出端a~g=1111110时，显示器显示为0；当译码器的输出端a~g=0110000时，显示器的显示为1等，显示器通过译码器的的输出控制来显示相应的输出信息。
0.91K14

信号由译码器的输出端输入

图3-8　显示器电路
第4章　电路原理图
由以上单元电路可以绘制出数字显示的旋转圆盘电路的总电路原理图，如图4-1所示，该电路可以完成37进制计数，当按下启动开关时LED数码管就会一直不停的跳动显示相应数字00到37；当按下停止开关时，它就会随机的停在某个数字上。
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图4-1　使用数字显示的旋转圆盘电路原理
总　结
通过做毕业设计，让我学到了不少东西。理论知识的学习是基础，而且是必不可少的，通过实践对理论的理解更深刻。我认为，在对于数字显示的旋转圆盘设计上有许多来源于和运用于生活的。数字显示在生活中的应用可以说是无处不在，而且许多中电子显示表盘的原理和数字显示的旋转圆盘的相关方面有着很大的联系和相似之处。
我们学校的实践活动是较少的了，如果我们可以真正的自己动手的话，我认为对我们是很大的帮助的，这是对学专业课的要求和对学校的建议。科技在生活中无处不在，只是我们缺少发现和观察，不留意身边的事物，认为它们的存在理所当然。学为宗旨，不断地锻炼自己，提高自己的全面素质。
三年的大学生活，让我对电子理论知识有了一定的了解，但实践出真知，唯有把理论与实践相结合，才能更好地为社会服务，这次毕业设计提高了我的动手能力，同时也让我了解到了自己的不足，我会继续努力，完善自我，对于学校的精心安排和指导老师的用心辅导非常感谢。
这次的毕业设计做的不是很好，提交完论文后，仍觉得有做的不好的地方，对于论文能不能最后通过，我心里也没底，下面来对毕设总结一下：
1．快速入题。拿到毕设题目要尽快把自己的蓝图勾画出来，不能走一步算一步，必须把整体把握好。而我的这次毕设，都过了很长时间才知道自己要做什么。
2．频繁与导师讨论。有问题多问导师，不能自己闷头做，方向偏了仍不知道，多把自己的想法和思路告诉老师。
3．软件的学习。一定要边做边学软件，千万不能在做毕设期间，拿着本软件教程从第一页开始看，这样效率最低了，最好是根据已有论文资料中提到的软件用途，有针对性的学。包括毕设前期读文献资料，也不能闷头读，要与毕设紧密联系起来，最好是边做边读，有针对性的读。
4．越挫越勇。做毕设，常常感觉到这句话：“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”通常，一定是有解决的办法，只是由于文献查的不够，或是少了那点灵感。
5．不能脱离实际。做的毕设要有意义，不能浮在上面，要让自己满意。
6．越来越紧的状态，尤其是最后的那几天。毕设越到最后阶段，越要有毅力和状态，不能前紧后松，觉得前面做了不少，后面可以放松了。论文提交的前几天，要不厌其烦的检查论文，包括内容，格式等。本次毕设，论文已经打印了，竟然发现有几页没有两端对齐，又去重新打印。最好是一项一项的检查：图、表、公式、字体、行距、对齐。整体上一项一项检查，确保万无一失。

参考文献
[1]　戴伏生.基础电路设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2002
[2]　谢嘉奎.电子线路.第4版.北京：高等教育出版社，1999
[3]　郑应光.模拟电子线路（一）.南京：东南大学出版社，2005
[4]　李哲英等.实用电子线路设计[M].北京:电子工业出版社,1997
[5]　集成电路编委会.标准集成电路数据手册-运算放大器[M].北京:电子工业出版社,1998
[6]　上海电器科学研究所.实用电子元器件手册[M].上海科学技术出版社,1998
[7]　全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选(1994-1999)[Z].北京:北京理工大学出版社，2003