彩灯循环显示控制电路设计.doc

武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 题 目: 彩灯循环显示控制电路设计 初始条件：数字电子技术基础知识、电子技术实验室彩灯循环显示控制电路设计要求：用74LS194，74LS153，74LS04，CC40161 要求完成的主要任务:彩灯循环显示控制电路设计设计功能为：(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、偶数列和音乐符号数列.，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范围内连续可调设计报告的具体内容：1、原理电路的设计这部分内容应包括以下几个部分（1）、你考虑过哪些方案，分别画出框图，说明原理和优缺点。经过比较后，你选择了哪个方案。（2）、单元电路的设计和元器件的选择。（3）、画出完整的电路图和必要的波形图，并说明主要的工作原理。（4）、计算出个元件的主要参数、并表在电路图中恰当的位置2、在安装调试中遇到那些问题，是怎样解决的？（或者仿真结果及分析）3、整理好性能测试数据，并分析是否满足要求。4、有那些收获、体会和建议5、元器件清单6、主要参考文献资料目 录摘要21设计要求32原件功能介绍42.1 555定时器介绍42.2 CC40161四进制计数器简介62.3 74HC139/74HC138介绍73系统方案的选择和论证93.1 方案一系统总框图93.2 三十进制循环电路93.3 循环数字设置电路103.4 555定时器设定数字显示时间113.5 自动清零电路123.6备选方案二124仿真与测试144.1 555定时器电路仿真144.2方案一彩灯循环电路仿真图144.3方案二彩灯循环电路仿真图155仿真分析报告165.1仿真结果165.2 错误分析176 心得体会187参考文献19附件20摘要本系统利用芯片74LS138，555，CC40161，74LS194，与门，与非门对指定的输入信号012345678913579024680123456701共30位数字进行循环输出，并且打开电源时，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：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、偶数列和音乐符号数列.，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，关键字：循环 彩灯 自动清零1设计要求彩灯循环显示控制电路设计设计功能为：(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、偶数列和音乐符号数列.，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范围内连续设计报告的具体内容：1、原理电路的设计这部分内容应包括以下几个部分（1）、你考虑过哪些方案，分别画出框图，说明原理和优缺点。经过比较后，你选择了哪个方案。（2）、单元电路的设计和元器件的选择。（3）、画出完整的电路图和必要的波形图，并说明主要的工作原理。（4）、计算出个元件的主要参数、并表在电路图中恰当的位置2、在安装调试中遇到那些问题，是怎样解决的？（或者仿真结果及分析）3、整理好性能测试数据，并分析是否满足要求。4、有那些收获、体会和建议2元件功能介绍2.1 555定时器介绍图1 555定时器内部结构555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。555的应用：（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路； 振荡周期： T=0.7（R1+2R2）C图2 555构成多谐振荡器（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。2.2 CC40161四位二进制计数器介绍 40161是模24(四位二进制)同步计数器，具有计数、保持、 预置、清0功能，其逻辑电路及传统逻辑符号分别如图7-3(a)、 (b)所示。它由四个JK触发器和一些控制门组成，QD、 QC、QB、QA 是计数输出，QD 为最高位。74LS161与74161内部电路不同，但外部引脚图及功能表均相同。 OC为进位输出端，OC=QDQCQBQAT，仅当T=1且计数状态为1111时，OC才变高，并产生进位信号。CP为计数脉冲输入端，上升沿有效。 Cr为异步清0端，低电平有效，只要Cr=0，立即有QDQCQBQA=0000，与CP无关。LD为同步预置端，低电平有效，当Cr=1，LD=0，在CP上升沿来到时，才能将预置输入端D、C、B、A的数据送至输出端，即QDQCQBQA=DCBA。 P、T为计数器允许控制端，高电平有效，只有当Cr=LD=1， PT=1，在CP作用下计数器才能正常计数。当P、T中有一个为低时，各触发器的J、K端均为0，从而使计数器处于保持状态。P、T的区别是T影响进位输出OC，而P则不影响OC。 图3 CC40161四位二进制计数器真值表2.3 74HC139和74HC138译码器介绍74HC139（双2-4译码器）本器件是高速硅栅CMOS译码器，适用于存储器地址译码或数据选通应用。它具有标准CMOS集成电路的低功耗和高噪声容限特性和LSTTL的工作速度。对74HC器件，译码器的输出端能驱动10个LSTTL负载，74HC139在功能和外引线排列方面均与LS139相同。74HC139包括两个独立的四选一译码器。每个译码器有一个低电平有效的使能输入端（G1或G2）。根据选择输入端（A1、B1或A2、B2）的数据，四个正常为高电平的输出端中有一个变为低电平。74HC139真值表（注：H为高电平，L为低电平，X为任意状态）输入输出GBAY0Y1Y2Y3HXXHHHHLLLLHHHLLHHLHHLHLHHLHLHHHHHL图4 74HC139真值表74HC138 3-8译码器138 为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出图5 74HC138 3-8译码器。利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，138 还可作数据分配器。图6 74HC138 3-8译码器真值表3系统方案的选择和论证3.1 方案一系统总框图图7 方案一总电路方案一电路分为三十进制循环电路，5线-32线译码电路，与非门电路，LED数码管显示电路。3.2 三十进制循环电路要循环输出自然数0123456789奇数13579偶数024680乐符123456701共30个数字，所以电路开始需要一个30进制的计数器，运用161二进制四输出计数器的连接使其成为30进制5输出的计数器，如下图所示：图8三十进制循环电路3.3 5线-32线译码器将2线-4线的74HC139与四片3线-5线的74HC138按照上图的链接方式是其成为一个5线-32线的译码器图9 5线-32线译码电路3.4 555定时器设定数字显示时间图10 555定时器设定数字显示电路由于电路设计要求数字输出的时间在0.5s2s之间，通过计算移动滑动变阻器R1基本可使时间符合此范围此电路是由555定时器组成的555多谐振荡电路，通过改变R1的大小改变电容C1的充电时间从而改变整个输出方波的周期频率，用此电路代替一般的信号发生器可以起到改变信号输出频率的作用。3.5自动清零电路图11为一种电自动复位电路，它利用电容两端电压不能突变的原理，在上电之处将复位信号保持在低电平，将系统预置为初始状态。随着电源V1通过电阻R1对电容C1充电，使C两端电压逐渐升高，经过一段时间之后，输出信号才跨越逻辑闸值转变为高电平，使系统脱离复位状态而进入正常工作状态。图11自动清零电路3.6备选方案二备选方案二中的555定时器设定数字显示时间电路和三十进制循环电路跟上一个方案一样，不同之处在于如何使显示器显示30个循环数字：根据30进制的五个输出端设为EDCBA以及将和显示器相连的四个输出端设为L1，L2，L3，L4，分别列出L1，L2，L3，L4与ABCDE之间的卡诺图，从而写出L1，L2，L3，L4的逻辑表达式，表达式如下： L1=E+BE+CE+BE+BC+ACDE+BDE+DE+BDL2=D+ABD+ACD+BDE+A+BCL3=C+C+AB+AE+ABD+ADEL4=B+BCD+ADE 方案二比较容易想到，但是L1，L2,L3,L4与A，B，C，D，E的逻辑表达式太过复杂，而且没有合适的与门，所以需要自己重组门电路，使得该电路的线路更加复杂，所以最后选择了相对来说过较为简单的方案一电路，是电路的线路得到简化。图12 方案二总电路4仿真与测试：4.1 555定时器设定数字显示时间：仿真电路图图13 555定时器多谐振荡电路仿真通过调节R3可改变波形的周期。用此555多谐振荡电路作为信号发生器使周期在0.5S2S之间，从而使数字显示间隔在规定范围内。4.2方案一彩灯循环电路Multisim7仿真图：图14 方案一彩灯循环电路仿真图4.3方案二彩灯循环电路Multisim7仿真图图15方案二彩灯循环电路仿真图以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、偶数列和音乐符号数列.，如此周而复始，不断循环。5 仿真分析报告5.1仿真结果图16 555多谐振荡电路仿真波形图此电路按图调试的周期为1.551s符合设计要求，调节R3可改变波形的周期，此555多谐振荡电路作为信号发生器使周期在0.5S2S之间，从而使数字显示间隔在规定范围内。 图12经过仿真证明可以完整实现课设要求中的数字循环5.2 错误分析555多谐振荡电路输出的方波脉冲符合电路设计所要求的0.5s到2s之间。方案一：在彩灯循环电路的总电路仿真过程中，电路能够不断循环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、偶数列和音乐符号数列.，周而复始。但是每个数字显示的间隔时间，LED都会显示数字0，分析此种情况出现的原因：由于电路显示循环的数字个数和顺序都是正确的，所以出现这种情况的原因可能是由于电路中的门电路过多，线路有些复杂所以显示器反省有些滞后造成的。方案二：对于方案二，我也做了相应的总电路仿真，但是该电路循环的数字顺序不符合题目的要求，在检查过对应的逻辑表达式正确无误后，可以断定该电路的原理是正确的，但是由于电路的线路过于复杂，所以应该是在仿真连线时出现了错误是最终输出的结果不正确。参考文献1邱关源主编：电路 高等教育出版社2邓元庆主编：数字电路与系统设计 西安电子科技大学出版社3 薛宏熙主编：数字系统设计自动化 清华大学出版社4刘秀成主编：电路原理 清华大学出版社5谢自美主编：电子线路综合设计 华中科技大学出版社 元件、器件明细表电阻若干电容若干74HC138474HC1391CC401612信号发生器1显示器1四输入与门若干与非门若干5V电源1导线若干20