四路彩燈顯示系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工程大學(xué)數(shù)字邏輯綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn) 題目名稱 四路彩燈顯示系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 同組班級(jí) 同組學(xué)號(hào) 同組姓名 指導(dǎo)教師 武俊鵬、孟昭林、劉書勇、趙國(guó)冬2013年 06 月 摘 要四路彩燈常見(jiàn)于節(jié)慶場(chǎng)合，按照某種規(guī)則點(diǎn)亮或者閃爍彩燈，本次數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要完成四路彩燈的控制流程，控制流程如下：1) 第一路彩燈先點(diǎn)亮，然后依次點(diǎn)亮第二路、第三路、第四路；2) 第四路先滅，然后第三路、第二路、第一路依次滅；3) 四路彩燈均亮0.5s滅0.5s，共四次；4) 從1)開始循環(huán)。本次實(shí)驗(yàn)采用中小規(guī)模集成電路進(jìn)行彩燈顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體使用74LS16

2、1作為循環(huán)控制電路，74LS194控制彩燈花型顯示，并用若干基本與門、非門、與非門等芯片基本邏輯電路。關(guān)鍵詞： 四路彩燈； 計(jì)數(shù)器； 移位寄存器；中小規(guī)模集成電路；目 錄目錄1 需求分析- 3 -1.1基本功能要求- 3 -1.2創(chuàng)新拓展功能- 3 -1.3設(shè)計(jì)原理- 3 -2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 5 -2.1.1 循環(huán)控制電路- 5 -2.1.2 四路彩燈狀態(tài)顯示- 7 -2.2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 10 -2.2.1 循環(huán)控制電路物理結(jié)構(gòu)- 10 -2.2.2 狀態(tài)顯示電路物理結(jié)構(gòu)- 11 -2.2.3 完整系統(tǒng)電路物理結(jié)構(gòu)- 12 -3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)- 13 -3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程- 1

3、3 -3.2 系統(tǒng)測(cè)試- 13 -3.3 系統(tǒng)最終電路圖- 14 -3.4系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)分工- 15 -4 總結(jié)- 16 -參考文獻(xiàn)- 17 -1 需求分析1.1 基本功能要求用小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)并制作一個(gè)四路彩燈顯示系統(tǒng)的要求如下：1) 開機(jī)自動(dòng)置入初始狀態(tài)后即能按規(guī)定的程序進(jìn)行循環(huán)顯示。2) 程序由三個(gè)節(jié)拍組成：a) 第一節(jié)拍時(shí)，四路輸出Q1Q4依次為1，使第一路彩燈先點(diǎn)亮，接著第二路、第三路、第四路彩燈依次點(diǎn)亮；b) 第二節(jié)拍時(shí)，Q4Q1依次為0，使第四路先滅，然后第三路、第二路、第一路彩燈依次滅；c) 第三節(jié)拍時(shí)，Q1Q4輸出同時(shí)為1態(tài)0.5s，然后同時(shí)為0態(tài)0.5s，使四路彩燈同時(shí)點(diǎn)亮0.

4、5s，然后同時(shí)滅0.5s，共進(jìn)行4次。每個(gè)節(jié)拍費(fèi)事為4s，執(zhí)行一次程序共需12s。3) 用發(fā)光二極管顯示彩燈系統(tǒng)的各節(jié)拍。1.2 創(chuàng)新拓展功能對(duì)四路彩燈所在擴(kuò)展如下：1) 增加暫停功能，即在四路彩燈顯示系統(tǒng)工作時(shí)，可從任意狀態(tài)暫停，之后可以恢復(fù)暫停時(shí)的狀態(tài)，并繼續(xù)工作；2) 增加數(shù)字顯示，用兩位十進(jìn)制數(shù)0011隨著彩燈的變化顯示12個(gè)狀態(tài)。1.3 設(shè)計(jì)原理為保證四路彩燈系統(tǒng)開機(jī)后可從初始狀態(tài)按規(guī)定程序進(jìn)行循環(huán)演示，循環(huán)控制電路可用74LS161和74LS20實(shí)現(xiàn)。彩燈花型顯示分為3個(gè)節(jié)拍，彩燈的三個(gè)節(jié)拍可以用移位寄存器74LS194實(shí)現(xiàn)。彩燈有亮、滅兩個(gè)狀態(tài)，此外，還需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、

5、循環(huán)控制電路和彩燈花樣輸出電路。由設(shè)計(jì)要求出發(fā)可知彩燈的3個(gè)節(jié)拍可以用移位寄存器74LS194實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制S0和S1實(shí)現(xiàn)1右移、0左移、送數(shù)和通過(guò)控制CLR控制清零。第一節(jié)拍為1右移，第二節(jié)拍為0左移，第三節(jié)拍全亮為置數(shù)1，全滅為清零。由于程序循環(huán)一次要12s，故需要一個(gè)12進(jìn)制的計(jì)數(shù)器控制循環(huán)。第三節(jié)拍時(shí)要求1s內(nèi)全滅全亮各一次，故脈沖信號(hào)頻率比先前兩節(jié)拍時(shí)脈沖頻率要快一倍，而且要以相同頻率控制CLR?？梢杂靡粋€(gè)十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，一路送到控制十二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，一路經(jīng)邏輯電路送到移位寄存器。 上述原理可用圖1.3 表示: 顯示電路脈沖器啟動(dòng) 節(jié)拍程序執(zhí)行器 1s 分頻器節(jié)拍控制器

6、4s 1s 圖1.3 四路彩燈顯示系統(tǒng)圖 2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 循環(huán)控制電路由于程序循環(huán)一次要12s，故需要十二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器控制循環(huán)，考慮使用同步集成計(jì)數(shù)器74LS161，因其是M=16的計(jì)數(shù)器，并且有異步清零的功能，因此采用反饋復(fù)位信號(hào)使清零輸入端CLR為零的方法，可以使計(jì)數(shù)器在按自然態(tài)序計(jì)數(shù)的過(guò)程中，跳過(guò)無(wú)效狀態(tài)，構(gòu)成12進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。為完成要求，列出十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表，尋找清零是QD QC QB QA的狀態(tài)，表 2.1.1為自然態(tài)序12進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表。表 2.1.1 自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)表 計(jì)數(shù)N 輸出 QD QCQBQA0000010001200103001

7、1401005010160110701118100091001101010111011 無(wú)效狀態(tài)1100110111101111由表 2.1.1 可知，應(yīng)用反饋復(fù)位法，可在QD,QC,QB,QA為1100時(shí)，使CLR置零，從而達(dá)到異步清零的功能，跳過(guò)下面四個(gè)無(wú)效狀態(tài)，則可得:CLR=QAQBQCQD另外，LOAD、ENT、ENP接高電平，CLK接脈沖。圖 2.1.1 即為利用反饋復(fù)位法設(shè)計(jì)的十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路圖。 圖 2.1.1 自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器同時(shí)需要為74LS194產(chǎn)生一個(gè)快一倍的脈沖信號(hào)，則可以考慮多加一片74LS161用來(lái)分出兩個(gè)頻率，比如QB的頻率是QC的二倍，則用QC為

8、十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器提供脈沖，QB經(jīng)邏輯電路為74LS194提供脈沖。2.1.2 四路彩燈狀態(tài)顯示四路彩燈共有十二個(gè)狀態(tài)，使用實(shí)驗(yàn)箱上的顯示譯碼器可以顯示011來(lái)表示狀態(tài)，由于一片74LS161為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以采用74LS161的輸出QD QC QB QA作為輸入，輸出為兩片顯示譯碼器的A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2的輸入，可列真值表 2.1.2。表 2.1.2 彩燈顯示狀態(tài)真值表 輸入 輸出數(shù)碼管1數(shù)碼管0QDQCQBQA數(shù)碼管 1數(shù)碼管 0D1C1B1A1D0C0B0A00000000000000000010100000001001002000000100011030000

9、00110100040000010001010500000101011006000001100111070000011110000800001000100109000010011010100001000010111100010001根據(jù)真值表可寫出各個(gè)輸出的邏輯表達(dá)式： D1=0 C1=0 B1=0 A1=QDQCQBQA+QDQCQBQA D0=QDQCQBQA+QDQCQBQA C0=QDQCQBQA+QDQCQBQA+QDQCQBQA+QDQCQBQA B0=QDQCQBQA+ QDQCQBQA+QDQCQBQA+ QDQCQBQA A0=QDQCQBQA+QDQCQBQA+QDQCQB

10、QA+QDQCQBQA+QDQCQBQA+ QDQCQBQA用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)，可得與或最簡(jiǎn)式:由于D1 C1 B1已經(jīng)最簡(jiǎn)，不需化簡(jiǎn)，即D1=0 、 C1=0 、B1=0 ；其他邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)如下： 1）A1卡諾圖： QBQAQDQC00011110 000000 010000 11dddd 100011 可得A1=QDQB2) D0卡諾圖： QBQAQDQC00011110 000000 010000 11dddd 101100 可得D0=QDQB3) C0卡諾圖 QBQAQDQC00011110 000000 011111 11dddd 100000 可得C0=QC4) B0卡諾圖 Q

11、BQAQDQC00011110 000011 010011 11dddd 100000 可得B0=QDQB5) A0卡諾圖 QBQAQDQC00011110 000110 010110 11dddd 100110 可得A0=QA用與門和非門實(shí)現(xiàn)此邏輯函數(shù)的邏輯圖，如圖 2.1.2 所示: 圖 2.1.2 四路彩燈狀態(tài)顯示邏輯電路2.2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1 循環(huán)控制電路物理結(jié)構(gòu)由于需要產(chǎn)生兩路控制頻率，一路送至十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一路經(jīng)邏輯電路送至移位寄存器，所以需要兩片74LS161；由于一片74LS161需采用反饋復(fù)位法構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CLR=QAQBQCQD，所以需要74LS20一

12、片，74LS04一片。由分析可得所用器材表如下： 表 2.2.1 循環(huán)控制電路器材表器材數(shù)量74LS1612片74LS201片74LS041片集成芯片74LS161是同步的可預(yù)置的4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并具有異步清零功能。表 2.2.1 是74LS161的功能真值表。 表 2.2.2 74161功能真值表 輸入 輸出CLKCLRLOADENPENTABCDQAQBQCQD x0xxxxxxx000010xxABCDABCD x110xxxxx 保持 x11x0xxxx 保持1111xxxx 計(jì)數(shù)2.2.2 狀態(tài)顯示電路物理結(jié)構(gòu)由顯示電路的輸入輸出及邏輯函數(shù)：D1=0 、C1=0 、B1=0 、A1

13、=QDQB、D0=QDQB、C0=QC、B0=QDQB、A0=QA，可知其物理電路需要兩個(gè)數(shù)碼管，以及非門74LS04一片，與門74LS08一片。由分析可的器材表如下： 表 2.2.3 狀態(tài)顯示電路器材表器材數(shù)量數(shù)碼管274LS041片74LS081片數(shù)碼管顯示狀態(tài)表如下：表 2.2.4 數(shù)碼管顯示狀態(tài)DCBA顯示000000001100102001130100401015011060111710008100191010無(wú)效狀態(tài)101111001101111011112.2.3 完整系統(tǒng)電路物理結(jié)構(gòu)完整系統(tǒng)所用器材表如下：表 2.2.3 完整系統(tǒng)電路器材表器材數(shù)量數(shù)據(jù)邏輯實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)74LS16

14、12片74LS201片74LS042片74LS082片74LS1941片74LS3731片74LS321片74LS194用于控制彩燈顯示，74LS194是典型的移位寄存器，它是四位雙向通用移位寄存器。它的功能如表2.2.4 所示: 表 2.2.4 74LS194功能表功能 輸入 輸出CLRS1S0CPSLSRABCDQAn+1QBn+1QCn+1QDn+1清除0xxxxxxxxx0000保持1xx0xxxxxxQAnQBnQCnQDn送數(shù)111xxABCDABCD右移101x1xxxx 1QAnQBnQCn101x0xxxx 0QAnQBnQCn左移1101xxxxxQBnQCnQDn 111

15、00xxxxxQBnQCnQDn 0保持100xxxxxxQAnQBnQCnQDn3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)方法與步驟:1. 進(jìn)行電路原理分析，給出預(yù)期功能與實(shí)現(xiàn)，利用真值表，狀態(tài)圖等方法對(duì)邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理選用芯片；2. 在MultiSim上對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真模擬，排查邏輯錯(cuò)誤，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)；3. 按照所設(shè)計(jì)電路在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行線路連接，實(shí)際操作并檢查電路；3.2 系統(tǒng)測(cè)試在整個(gè)電路完成之后，進(jìn)行的測(cè)試有：1. 進(jìn)行仿真測(cè)試，檢查電路邏輯是否存在問(wèn)題，如存在問(wèn)題，則修改；2. 將構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的74LS161(電路中U1)的輸出QD QC QB QA連接實(shí)驗(yàn)箱上的顯示燈，

16、檢測(cè)輸出是否為自然態(tài)序的十二進(jìn)制計(jì)數(shù)，且正確循環(huán)，如不正常，則重新檢查反饋復(fù)位邏輯電路是否接錯(cuò)；3. 如1正常，將74LS194的輸入S0 S1 CLR CLK是否正常變化，如不正常，則檢查轉(zhuǎn)換74LS161輸出有74LS194輸入的邏輯電路是否正確；4. 如果2正常，顯示不正常，則檢查74LS194芯片是否完好，功能是否正常；5. 檢查擴(kuò)展部分的邏輯電路連接是否完好，芯片功能是否正常。3.3 系統(tǒng)最終電路圖最終電路圖如圖 3.3所示： 圖 3.3 最終電路圖整個(gè)電路利用左下74161(以U2代替 )將脈沖分為兩個(gè)頻率，其中QB的輸出頻率是QD的一倍，由左上74161(以U1代替)利用反饋復(fù)位

17、法構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生十二個(gè)循環(huán)的不同狀態(tài)，和U2的QD一起經(jīng)過(guò)邏輯電路控制74194的S0 S1 CLR CLK。在前四個(gè)狀態(tài)，S0=1、S1=0、CLR=1同時(shí)SR=1，利用1右移來(lái)完成第一節(jié)拍；接著四個(gè)狀態(tài)，S0=0、S1=1、CLR=1同時(shí)SL=0，利用0作移來(lái)完成第二節(jié)拍；最后四個(gè)狀態(tài)，S0=1、S1=1、CLR 和 CLK 的頻率是之前的二倍，且A=1、B = 1、C = 1、D = 1，所以交替清零與置數(shù)，完成第三節(jié)拍。同時(shí)利用U1的輸出QD QC QB QA經(jīng)邏輯電路處理控制數(shù)碼管的顯示，完成對(duì)十二個(gè)狀態(tài)的顯示。利用與門和開關(guān)控制脈沖的通斷，以及利用八位鎖存器保存兩片7416

18、1的輸出狀態(tài)，可以暫停電路并恢復(fù)狀態(tài)，另其繼續(xù)工作。3.4系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)分工自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(兩片74LS161的改裝設(shè)計(jì))、四路彩燈的狀態(tài)顯示功能以及最終完成的電路圖的制作由我完成。使用74LS194來(lái)控制四路彩燈的基本功能實(shí)現(xiàn)以及對(duì)電路進(jìn)行的暫停保持和繼續(xù)功能由我的合作者宋浩宇完成。實(shí)物連線由我們共同完成，圖3.4 為系統(tǒng)實(shí)物圖。 圖 3.4 系統(tǒng)實(shí)物照片4 總結(jié) 通過(guò)四路彩燈電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使我對(duì)芯片功能、一般組合邏輯電路和時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)有了更深的認(rèn)識(shí)，鞏固了在此之前已在課堂和書本上學(xué)到有關(guān)知識(shí)?；倦娐吩O(shè)計(jì)完成之后，通過(guò)在MultiSim上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，重新檢查電路并進(jìn)行修改，使我熟悉了電路的一般設(shè)計(jì)方法。電路的實(shí)物連接過(guò)程中，通過(guò)查詢芯片引腳圖與功能表，并與實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行連接，因?yàn)檎麄€(gè)線路連接之后十分復(fù)雜，而且連接完成之后必須對(duì)照引腳圖才能分析電路，所以在操作過(guò)程中必須小心謹(jǐn)