課程設(shè)計(論文）彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計

1、獨立設(shè)計實驗任務(wù)書獨立設(shè)計實驗任務(wù)書學生姓名：學生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 通信通信 07060706 學號：學號： 題題 目目: : 彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計 初始條件：初始條件：以 LED 數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，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（音樂符號數(shù)列） ，然后由依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)序列，音樂符號序列. 如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。打開電源時，控制器可自動清零。每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等，這個

2、時間在 0.5s 到 2s 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): :1. 電路的理論設(shè)計2. 設(shè)計報告的撰寫 目錄目錄摘摘 要要.3ABSTRACT .41 1 設(shè)計方案的選擇設(shè)計方案的選擇.52 2 各部分電路的設(shè)計及原理各部分電路的設(shè)計及原理.62.1 數(shù)列顯示部分.62.1.1 自然序列的顯示電路.62.1.2 奇數(shù)序列顯示電路.72.1.3 偶數(shù)序列顯示電路.82.1.4 音樂序列顯示電路.92.2 脈沖信號的產(chǎn)生.102.3 分頻電路的設(shè)計.132.3.1 1000 分頻電路的設(shè)計.132.3.2 二分頻電路的設(shè)計.152.4 數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計.162.5 開關(guān)清

3、零設(shè)計.173 3 總電路圖設(shè)計與原理總電路圖設(shè)計與原理.194 4 測試結(jié)果分析測試結(jié)果分析.215 5 體會與心得體會與心得.226 6 參考文獻參考文獻.23摘摘 要要彩燈循環(huán)控制電路的實質(zhì)就是要產(chǎn)生一系列有規(guī)律的數(shù)列，然后通過一個七段數(shù)碼管顯示出來。本次設(shè)計主用應(yīng)用的就是計數(shù)器，計數(shù)器在時序電路中應(yīng)用的很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進行計數(shù)，還可用于分頻，定時，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他時序信號。運用計數(shù)器的不同的功能和不同的接法就可以實現(xiàn)不同的序列輸出了。首先設(shè)計出部分分電路，然后進行了電路圖的整合，使的設(shè)計的電路能夠按照要求依次輸出自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列及音樂序列。為了實現(xiàn)這個循環(huán)輸

4、出的功能，在設(shè)計的時候還用到了一個譯碼器，利用它的輸出端來控制四個計數(shù)器，讓四個計數(shù)器依次工作，達到要求的循環(huán)輸出數(shù)列。脈沖信號的產(chǎn)生是由 555 組成的多諧振蕩器完成的，然后經(jīng)過計數(shù)器的分頻來達到數(shù)字顯示時間，還有設(shè)計一個上電清零電路實現(xiàn)電路工作前的清零工作。最后將電路的各個部分進行整合便得到最終的設(shè)計電路。AbstractCarnival of the substance of the cycle circuit is to produce a series of regular series, and then display through a Seven-Segment LED. T

5、he 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 for frequency, timing, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. The use of different functions and different method of ac

6、cess 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 circuit, so that the designed circuit can be output under requirements the natural sequence, odd-numbered sequence, even sequence and music sequ

7、ences 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 counters, so that the four counters work in order under the requirements of the output cycle series. Pulse signal is generated by Multivibra

8、tor 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 cleared before work. Finally, I get the final circuit by integrating the various part circuits.1 設(shè)計方案的選擇方案一設(shè)計數(shù)字顯示部分有很多種方法，這個方案是利用十六進制計數(shù)器組成十進制計

9、數(shù)器完成的，對四個循環(huán)分別設(shè)計出電路圖，當時應(yīng)用的 74LS163 芯片，起先由于對題目要求沒有真正看懂，把最后的音樂數(shù)列顯示理解成 07 的八進制循環(huán)，以至電路圖的誤畫，因為沒有充分理解題目的原因，另一個錯誤是理解成應(yīng)用四個數(shù)碼管，結(jié)果最終完成的設(shè)計有四個數(shù)碼管，總電路圖卻無法完成仿真。于是進行電路結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)在數(shù)列循環(huán)控制時用到反饋環(huán)節(jié)，而反饋進過了過多的元器件，導(dǎo)致了較大的延遲，而計數(shù)器本身的計數(shù)延遲較小，循環(huán)反饋無法及時到達，使得數(shù)列循環(huán)無法完成。因為無法完成題目要求變重新對題目進行分析，看有沒有理解錯誤的地方，經(jīng)過對題目的仔細研究發(fā)現(xiàn)，題目本身的要求都是圍繞十進制進行的，也就是說

10、最后的音樂數(shù)列也是十進制，其循環(huán)是 0，1，2，3，4，5，6，7，0，1。然后在數(shù)碼顯示方面，題目要求是應(yīng)用一個數(shù)碼管完成所有循環(huán)，如此，找到了錯誤所在，明白了仿真無法實現(xiàn)的原因，否定了原先的設(shè)計，開始進行新的設(shè)計。方案二經(jīng)過以上的錯誤及對題目的充分理解重新整理思路，重新選擇十進制計數(shù)器74LS160，然后進行各部分數(shù)字顯示的設(shè)計，然后進行數(shù)列循環(huán)的設(shè)計，因為只能用到一個數(shù)碼管，所以數(shù)字顯示要進行選擇，也就是需要四位選擇完成，想到利用四輸入或門達到要求。脈沖源仍然利用 555 組成多諧振蕩器再經(jīng)過分頻得到，自然數(shù)列跟音樂數(shù)列的脈沖經(jīng)過二分頻已達到跟奇偶數(shù)列顯示時間間隔的一致性，最終完成整個電

11、路的設(shè)計，并順利完成了仿真。2 各部分電路的設(shè)計及原理2.1 數(shù)列顯示部分2.1.1 自然序列的顯示電路這個部分是利用 74LS160D 計數(shù)器來實現(xiàn)的。其功能表以及引腳圖如下圖所示。 圖 1 74LS160 的引腳圖 表 1 74LS160CLRLOADENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0000001000POSABCD11111POSCount1111QA0QB0QC0QD01111QA0QB0QC0QD01由 74LS160 設(shè)計成的自然數(shù)列電路如圖所示 圖 2 自然數(shù)列顯示電路原理圖由于 74LS160 本身就是一個十進制計數(shù)的芯片，因此對于這個部分就只需按照其功能表來接

12、電路就可以實現(xiàn)十進制自然序列輸出了。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 0000000100100011010001010110011110001001，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可以在數(shù)碼管上面看到依次顯示從 0到 9 了。2.1.2 奇數(shù)序列顯示電路將奇數(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制自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接高電平就可以實現(xiàn)奇數(shù)序列了。雖然只顯示了五個數(shù)字，但計數(shù)器本身仍然進行著十進制的循環(huán)，

13、只是兩個脈沖顯示一個數(shù)字，由此變產(chǎn)生顯示時間間隔與自然數(shù)列不同的問題，顯示時間為自然數(shù)列的兩倍，于是想到應(yīng)用二分頻電路來解決，基本奇數(shù)列電路如圖 圖 3 奇數(shù)序列顯示電路原理圖2.1.3 偶數(shù)序列顯示電路 將偶數(shù) 0，2，4，6，8 用 8421BCD 碼分別表示為“0000” ， “0010” ， “0100”,“0110”,“1000”, ,可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為 0，因此可以在上述十進制自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接低電平就可以實現(xiàn)偶數(shù)序列了。雖然只顯示了五個數(shù)字，但計數(shù)器本身仍然進行著十進制的循環(huán)，只是兩個脈沖顯示一個數(shù)字，由此變產(chǎn)生顯示時間間隔與自然數(shù)列不同的問題，顯示時間為自然數(shù)

14、列的兩倍，于是想到應(yīng)用二分頻電路來解決，基本偶數(shù)列電路如圖 圖 4 偶數(shù)序列顯示電路原理圖2.1.4 音樂序列顯示電路 音樂序列的特點是從 0 顯示到 7 后又再變?yōu)?0，其實質(zhì)仍然是十進制，這里可以將數(shù)碼管的最高位固定接低電平就可以實現(xiàn)了。因為 74LS160 的輸出端只有三個與數(shù)碼管相接，當 74LS160 的輸出為“1000”和“1001”時，這時由于數(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。其序列顯示電路圖如圖 圖 5 音樂序列顯示電路原理圖2.2 脈沖信號的產(chǎn)生產(chǎn)生信號脈沖的方法很多，這里我在設(shè)計的

15、是利用 555 組成的多諧振蕩器，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，常做為脈沖信號源。由于不用接輸入信號就可以產(chǎn)生所需要的矩形波，所以在設(shè)計的時候就選用這個方案。題目要求數(shù)字顯示時間在 0.5s2s 內(nèi)可調(diào)，于是利用多諧振蕩器周期的計算公式可知，可以通過改變電阻 R1 來實現(xiàn)，于是將 R1 變成一個變阻器。應(yīng)用的公式如下：高電平時間： )(7 . 021RRtCph低電平時間： RtCpl27 . 0一個周期時間： )(7 . 0221RRtCph輸出頻率： CRRttfplph21243. 11設(shè)計電路圖如下 圖 6 脈沖信號發(fā)生電路圖其中變阻器 R1 選擇

16、 200K，R2 選擇 10K，兩個電容全為 0.01uF 的，由此電路可得到周期為 0.25ms1ms 的脈沖信號，然后再利用 1000 分頻電路得到 0.25s1s 的脈沖信號，最終經(jīng)過二分頻電路得到 0.5s2s 的脈沖信號，其原始仿真波形如下 圖 7 0.25ms 脈沖信號波形仿真 圖 8 1ms 脈沖信號仿真波形 2.3 分頻電路的設(shè)計2.3.1 1000 分頻電路的設(shè)計因為原始 555 組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖周期為 0.25ms1ms 的，要想得到0.25s1s 的信號就要進行信號的分頻，將信號頻率縮小 1000 倍，其周期便可以擴大 1000倍。分頻電路實際上就是計數(shù)電路，經(jīng)

17、過計數(shù)器的計數(shù)，原始信號每經(jīng)過 1000 次脈沖計數(shù)，分頻電路得到一次脈沖，由此可以應(yīng)用 74LS90 計數(shù)器設(shè)計電路圖，74LS90 計數(shù)器引腳圖及功能表如下 圖 9 74LS90 引腳圖 表 2 74LS90 真值表說明：引腳中 MR1，MR2 分別是真值表中的 R9(1),R9(2);MS1,MS2 分別是真值表中的 R0(1),R0(2);CP0,CP1 分別是電路圖中的 INA,INB。由 74LS90 設(shè)計的分頻電路圖如下 圖 10 1000 分頻電路原理圖用信號發(fā)生器及示波器仿真，信號發(fā)生器取 1kHz 的頻率，得到的波形如下 圖 11 1kHz 分頻后仿真波形2.3.2 二分頻

18、電路的設(shè)計因為奇、偶序列數(shù)字顯示時間間隔是自然序列和音樂序列的兩倍，為了實現(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。二進制計數(shù)器可以構(gòu)成二分頻電路。74LS90 計數(shù)器本身具有二進制與八進制兩個電路，由此只利用其二進制就可以實現(xiàn)二分頻了，其電路原理圖與波形仿真圖分別如下 圖 12 二分頻電路原理圖 圖 13 二分頻波形仿真2.4 數(shù)列循環(huán)電路的設(shè)計在這個部分主要是應(yīng)用了一個四進制的計數(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)器的進位端相或后與 74HC3

19、90 的 INA 相接，這樣就可以通過進位端狀態(tài)由 0 變?yōu)?1 的瞬間給它一個脈沖觸發(fā)，而另一個脈沖端則是與其輸出端 QA 相接的，這樣的接法是為了使74HC390 實現(xiàn) 8421BCD 碼十進制計數(shù)的功能，再將 QC 與 CLR 相連，實現(xiàn)由十進制變?yōu)樗倪M制。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 QA,QB 為“0” ， “0”時，這時譯碼器的輸出端就只有 Y0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;這樣就可以實現(xiàn)只有自然序列輸出的功能

20、，同理當 QA,QB 為“0”,“1”時，這是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，這樣就可以實現(xiàn)只有奇數(shù)序列輸出的功能; 當 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，這樣就可以實現(xiàn)只有偶數(shù)序列輸出的功能; 當 QA,QB 為“1”,“1”時，這是譯碼器的輸出端就只有 Y3為 0，接一個反相器然后再接產(chǎn)生音樂序列的計數(shù)器的清零端，這樣就可以實現(xiàn)只有音樂序列輸出的功能。序列的循環(huán)功能就是這樣實現(xiàn)的。 圖 14 序列循環(huán)電路原理圖2.5 開關(guān)清零設(shè)計為了實現(xiàn)在計數(shù)開始前的清

21、零，特設(shè)計了開關(guān)清零電路，此清零電路的原理是上電清零法，即應(yīng)用電容的充放電來實現(xiàn)清零，因此此清零方法有一定得延遲，但并不影響整個電路的工作，清零電路如下 圖 15 上電清零電路原理圖開關(guān)應(yīng)該跟復(fù)位開關(guān)一樣應(yīng)用，即閉合后接著打開，當開關(guān)打開時，電容充電，充電完全后電路時斷開的，此時 A 點為低電平，當開關(guān)閉合后，瞬間 A 點得到高電平，而電容也瞬間放電，因為都是瞬間完成的，所以再接著打開開關(guān)時電容已經(jīng)不帶電，此時A 點跟電源同時給電容充電，還有 A 點向地面的放電，使得 A 點很快便又回到低電平，雖然速度很快但是仍然具有一定得延遲，延遲大約為幾百毫秒。A 點與序列循環(huán)電路中譯碼器的使能端 G 相

22、連，當 A 為低電平時譯碼器才能正常工作，有輸入輸出，當 A 點在得到高電平的一刻，譯碼器無法工作，輸出端全為高電平，經(jīng)過反相器與四個計數(shù)器的清零端相連，使得四個計數(shù)器全部清零，如此便實現(xiàn)了電路的開關(guān)清零。3 總電路圖設(shè)計與原理這個電路圖可以實現(xiàn)設(shè)計的要求，可以依次輸出自然數(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)碼管的顯示的間隔時間也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進行調(diào)整。電路圖中四個 74LS160 的輸出端口分別與四個或門相接，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)生奇數(shù)序列和偶數(shù)序列的脈沖信號的頻率是 2 倍，

23、這是因為為了實現(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現(xiàn)了這一功能。首先，開關(guān) J1 先要進行一次閉合打開，實現(xiàn)電路工作前的清零。然后就是輸出自然序列，這時是 U7 先工作，它的清零端接的是“1“，這時就是它處在計數(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 U7 的輸出要從 9 變到 0 的瞬間，它的進位端的狀態(tài)是”1” ，然后通過一個或門接至 74LS390 的脈沖輸入端，這時從“0”變至“1” ，恰好有一個脈沖，就可以通過譯碼器使 U8 開始工作即開始計數(shù)，它從 9 變至 1 時，又通過進位端給 74LS390 一個脈沖，然后就通過譯

24、碼器又使 U8 開始工作，它從 0 變至 8，當它從 8 變至 0 時，它的進位端又變至“1” ，就又可以給 74LS390 一個脈沖信號，最后就通過譯碼器控制 U14 的工作，輸出音樂數(shù)列。如此周而復(fù)始的這樣循環(huán)，就可以實現(xiàn)需要的功能了。其電路圖如圖 圖 16 總電路原理圖4 測試結(jié)果分析經(jīng)測試之后，電路可以實現(xiàn)設(shè)計要求，可以實現(xiàn)從自然數(shù)列，奇數(shù)數(shù)列和音樂數(shù)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。電路每次開始前可以進行清零工作，但是有一缺點就是無法確定由哪一個序列開始循環(huán)，這是電路需要改進的地方。5 體會與心得這次的課程設(shè)計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分利用所學過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學習查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設(shè)計電路的能力。我相信是對我的一個很好的提高。平時在學習理論知識的時候，根本就沒有想到我所學的這些東西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題，沒有想其他的用途。這次的課程設(shè)計讓我懂得了它們在實際中的用途，還有我們身邊的很多電路，例如頻率計、交通燈、數(shù)字鐘這些都是我們自己可以實現(xiàn)的，突然感覺