第4章電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)

第4章

電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)

4.1直流可調(diào)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4.2四路彩燈在這一章里，我們對(duì)電子技術(shù)課程中的幾個(gè)典型的綜合實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和仿真，目的在于使讀者對(duì)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)中常用的仿真元件及儀器有個(gè)基本的掌握，幫助大家更好地理解和學(xué)習(xí)電子技術(shù)，同時(shí)對(duì)Proteus在電子線路設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大功能能夠牢固掌握和靈活運(yùn)用。

4.1直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

本節(jié)我們一起來設(shè)計(jì)一個(gè)模擬電子技術(shù)中常用的電路，通過例子對(duì)Proteus各種功能的綜合應(yīng)用更加得心應(yīng)手。直流穩(wěn)壓電源是大家頗為熟悉的電路了，這里我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，具體要求如下：輸出電壓在1.25V~37V可調(diào)；最大輸出電流為1.5A；電壓調(diào)整精度達(dá)0.1%。1.題目分析直流穩(wěn)壓電源的作用是通過把50Hz的交流電變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓從而使電路變成恒定的直流電壓，供給負(fù)載，如圖4-1所示。設(shè)計(jì)出的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)不以電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變換而改變。圖4-1直流穩(wěn)壓電源的組成可調(diào)式穩(wěn)壓器件LM117/LM317是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM117/LM317的輸出電壓范圍是1.25V至37V，負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。LM117/LM317在1.25V至37V之間連續(xù)可調(diào)。調(diào)整端的電流可忽略不計(jì)，因而有

其中，UREF是集是穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。如圖4-2所示，改變R2的值，UO的值即可改變。當(dāng)R2短路時(shí)，UO最小，為UREF即1.25V；當(dāng)R2大于零時(shí)，UO都大于UREF，最大可達(dá)37V。

圖4-1三極管元件拾取對(duì)話框其中，UREF是集是穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。如圖4-2所示，改變R2的值，UO的值即可改變。當(dāng)R2短路時(shí)，UO最小，為UREF即1.25V；當(dāng)R2大于零時(shí)，UO都大于UREF，最大可達(dá)37V。(1)變壓電路直流電源通常從市電取電，把220V、50Hz的單相交流電先降壓，變成所需的交流電，然后再整流。根據(jù)橋式整流電路和電容濾波電路的輸出與輸入電壓的比例關(guān)系，從輸出電壓的最大值37V倒推，可以算出所使用的降壓變壓器的副邊電壓有效值應(yīng)為29V左右。從Proteus的元件庫中取變壓器“TRAN-2P2S”，在原邊接交流電源“ALTERNATOR”，原副邊分別接交流電壓表，且變壓器的原副邊同時(shí)接地，并與后面直流部分電路共地。

2.電路設(shè)計(jì)

打開交流電源的屬性對(duì)話框，把頻率改為50Hz，把幅值改為300V左右，運(yùn)行仿真，觀察原邊交流電壓表的讀數(shù)，再次修改交流電源的幅值，直到原邊電壓表的讀數(shù)為220V為止。打于變壓器屬性對(duì)話框，按照本章前面介紹的變壓器的變比與電壓的關(guān)系，保持原邊電感值為1H不變，修改原副邊的電感值為0.033H左右，運(yùn)行仿真，直到副邊交流電壓表的讀數(shù)為29V左右。變壓電路的仿真圖如圖4-4所示。圖4-4變壓電路的仿真圖

(2)整流及濾波電路整流采用常用的二極管橋式整流電路。在Proteus的元件庫中尋找“BRIDGE”，取出此通用二極管整流橋，放置在電路中，注意接法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般濾波電路常用的濾波電容有2200μF和1100μF兩種，但要注意它的耐壓值要大于電路中所承受的電壓，并注意電壓的極性的接法是上正下負(fù)，如圖4-5所示。圖4-5整流及濾波電路如果要詳細(xì)計(jì)算濾波所需的電容值，可采用以下公式：全波整流半波整流式中，VM為濾波之后的最大電壓，Vγ為濾波之后的波紋電壓，即最大電壓與最小電壓的差值，R為負(fù)載電阻，f為工頻50Hz。(3)集成穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路的核心器件是LM317，在實(shí)際應(yīng)用中要注意加裝散熱片。為了保護(hù)集成器件在接反的狀態(tài)下不被燒毀，在輸入、輸出端之間以及輸出與調(diào)節(jié)端之間分別接反向保護(hù)二極管1N4003，如圖4-6所示。圖4-6集成穩(wěn)壓電路一般設(shè)R2為100~200Ω，典型值為120Ω，這里設(shè)為200Ω。在實(shí)際接線時(shí)，這個(gè)電阻應(yīng)盡可能地靠近LM317元件來接，因?yàn)楸緫?yīng)是LM317內(nèi)部電阻。由上面的公式算出滑動(dòng)變阻器的最大值為4.92kΩ，取典型值4.1kΩ，這樣最大值達(dá)不到37V，理論上只有32V左右，仿真時(shí)顯示為33.5V，有些誤差，并且最小值也比1.25V小。電容C2和C3分別為去抖和濾波作用。C2并聯(lián)在滑動(dòng)變阻器兩端，可防止滑動(dòng)變阻器在調(diào)節(jié)過程中由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的諧波，一般經(jīng)驗(yàn)值為10μF。C3為輸出側(cè)二次濾波，其目的是去掉輸出電壓波形中細(xì)小的波紋。C1與C3的關(guān)系一般為22倍?？烧{(diào)直流穩(wěn)壓電源的完整電路如圖4-7所示。圖4-7直流可調(diào)穩(wěn)壓電源完整電路4.2四路彩燈四路彩燈是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中一個(gè)非常有趣的課題，結(jié)合Proteus會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)和分析快捷而輕松。題目設(shè)計(jì)要求如下：共有四個(gè)彩燈，分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)過程，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)共12秒；第一個(gè)過程要求四個(gè)燈依次點(diǎn)亮，共4秒；第二個(gè)過程要求四個(gè)燈依次熄滅，共4秒，先亮者后滅；最后4秒要求四個(gè)燈同時(shí)亮一下滅一下，共閃4下。4.2.1核心器件74LS194簡(jiǎn)介其實(shí)這個(gè)題目主要考察的是四位雙向通用移位寄存器74LS194的靈活應(yīng)用，四個(gè)燈可用四個(gè)發(fā)光二極管表示。74LS194的引腳圖如圖4-8所示。圖4-5變壓器屬性對(duì)話框圖4-974LS194的時(shí)序圖圖4-8中引腳MR為復(fù)位信號(hào)，正常工作時(shí)應(yīng)接高電平；CLK為時(shí)鐘信號(hào)，上升沿到來時(shí)有效。74LS194的時(shí)序圖如圖4-9所示。74LS194有四種工作方式，分別由S1S0組成的兩位二進(jìn)制數(shù)來控制，如表4-1所示。表4-174LS194的四種工作方式S1S0輸出Q0~Q3數(shù)據(jù)輸入00保持不變×01右移SR10左移SL11并行輸出D0~D3表4-274LS194的功能表輸入輸出功能時(shí)鐘復(fù)位控制串入并入Q0Q1Q2Q3CPCrS1S0DSLDSRD0D1D2D3X0XXXXXXXX0000清零↑111XXD0D1D2D3D0D1D2D3置數(shù)↑110DXXXXXQ1Q2Q3D左移↑101XDXXXXDQ0Q1Q2右移↑100XXXXXXQ0Q1Q2D3保持

4.2.2題目分析與設(shè)計(jì)此題應(yīng)把四路彩燈接在74LS194的Q0~Q3上，SR穩(wěn)定接一高電平，SL穩(wěn)定接地電位，而D0~D3接周期為1秒的方波信號(hào)。下面關(guān)鍵是時(shí)鐘和方式控制S1S0的信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)才能滿足題目的要求。三個(gè)過程每個(gè)4秒，加起來正好12秒。如果選擇CLK為周期1s的方波信號(hào)，好像就可以了，但是前兩個(gè)過程可以，最后一個(gè)過程卻不能精確地實(shí)現(xiàn)。圖4-10是正確的CLK信號(hào)與1Hz方波信號(hào)的比較。前面我們已經(jīng)確定D0~D3接1Hz的方波信號(hào)，那么Q0~Q3在讀D0~D3的信號(hào)時(shí)是在CLK上升沿到來的一瞬間，看圖4-10的前半部分，如果二者一樣，CLK的每個(gè)上升沿到來時(shí)讀到的都是高電平，燈就會(huì)一直亮著，不會(huì)出現(xiàn)閃的效果。所以，當(dāng)74LS194的工作方式為11時(shí)，一定要改變CLK的信號(hào)頻率為D0~D3信號(hào)頻率的2倍，才可以在D0~D3的一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)CLK的兩個(gè)上升沿，Q0~Q3分別讀到1和0各一次，如圖4-10的后半部分。圖4-10正確的CLK信號(hào)與1Hz方波信號(hào)的比較正確的時(shí)鐘信號(hào)在整個(gè)12秒時(shí)間應(yīng)該是前8秒為1Hz的頻率，后4秒變?yōu)?Hz的頻率，可以用555定時(shí)器產(chǎn)生2Hz的方波信號(hào)，再用D觸發(fā)器分頻產(chǎn)生1Hz的方波信號(hào)，如圖4-11所示。二者分別與控制信號(hào)相與再通過或門即可得到CLK信號(hào)。圖4-11用555產(chǎn)生的2Hz及1Hz方波信號(hào)下面再來分析S1S0的信號(hào)。四種工作方式中剔除第一種S1S0為00的情況，那么S1S0應(yīng)按01、10、11的順序循環(huán)，可設(shè)計(jì)一個(gè)同步計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘周期為4秒，共三個(gè)狀態(tài)。S1及S0的波形應(yīng)如圖4-12所示。S1S0與非及相與的結(jié)果如圖中后兩個(gè)信號(hào)，正好用來分別鎖定1Hz及2Hz信號(hào)，分別與它們相與后再進(jìn)入或門，即產(chǎn)生了正確的時(shí)鐘信號(hào)，如圖4-12所示。圖4-12S1及S0的波形圖S1S0信號(hào)的產(chǎn)生使用D觸發(fā)器來設(shè)計(jì)一個(gè)同步三進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘周期為4秒。設(shè)計(jì)步驟如下：(1)列狀態(tài)真值表。設(shè)S1S0對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器輸出分別為Q1Q0，則狀態(tài)真值表如表4-3所示。Q1nQ0nQ1n+1Q0n+100××011010111101表4-374狀態(tài)真值表(2)求狀態(tài)方程。根據(jù)列出的狀態(tài)真值表，分別求出Q1和Q0的狀態(tài)方程為(3)求驅(qū)動(dòng)方程。由D觸發(fā)器的特性方程可直接寫出驅(qū)動(dòng)方程為(4)電路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方程，連接電路如圖4-13所示。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)出的是一個(gè)同步時(shí)序邏輯電路，注意圖中兩個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘連接在一起接周期為4秒的時(shí)鐘信號(hào)。這部分電路也可以直接用集成計(jì)數(shù)器來完成，見后面。圖4-13產(chǎn)生S1S0的三進(jìn)制同步計(jì)數(shù)

根據(jù)以上分析，連接電路如圖4-14所示，其中省去了555及二分頻電路，直接用數(shù)字脈沖源進(jìn)行仿真。另外，圖中所有D觸發(fā)器的異步輸入端在實(shí)際電路連接時(shí)最好接高電平。產(chǎn)生時(shí)鐘的電路用與非與非邏輯替代了與或邏輯，因?yàn)榕c非門的應(yīng)用最普遍。平時(shí)我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，通過卡諾圖化簡(jiǎn)得到的與或式，要想全部用與非門實(shí)現(xiàn)，可在草紙上直接畫成與或邏輯，然后只需要在與門的輸出端與此線的另一頭即或門的輸入端各加一個(gè)小圓圈，兩個(gè)邏輯非抵消，不影響邏輯關(guān)系，直到把或門的輸入處理完畢為止。這樣或門前面的與門都變成了與非門，或門變成了非或門，而根據(jù)摩根定理，非或門恒等于與非門。圖4-14中的U4:B、U4:C和U4:D就是用與非與非邏輯實(shí)現(xiàn)的與或邏輯。4.2.3仿真

圖4-12單管共射放大器及負(fù)反饋實(shí)驗(yàn)電路圖4.2.4擴(kuò)展電路下面我們重點(diǎn)來分析一下八路彩燈的實(shí)現(xiàn)方法。要求和上例一樣，八個(gè)燈從左到右依次點(diǎn)亮，各一秒，共八秒；接下來八個(gè)燈從右到左依次熄滅，各一秒，共8秒；最后八個(gè)燈同時(shí)閃爍八次，也是八秒。共24秒。因?yàn)榍袄形覀円呀?jīng)做了詳細(xì)的分析，這里的燈的動(dòng)作流程沒有什么變化，只不過要把兩片74LS194連接成一個(gè)整體，接收統(tǒng)一的指令來工作。另外我們把它們的移位方式控制信號(hào)S1S0的產(chǎn)生電路變成易于實(shí)現(xiàn)的集成電路來完成。圖4-15是已設(shè)計(jì)完成的仿真電路圖。圖4-15八路彩燈的仿真圖計(jì)數(shù)器74190是一個(gè)中規(guī)模集成、十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，通過或門把它接成一個(gè)模三的計(jì)數(shù)器，即當(dāng)輸出為0100時(shí)，裝入數(shù)據(jù)0001，構(gòu)成循環(huán)0001→0010→0011→0001。74190的Q1Q0輸出作為兩片74LS194的移位方式控制信號(hào)S1S0，把兩片74LS194的S1和S0分別并起來后再接這兩個(gè)信號(hào)。圖中74190接成了加計(jì)數(shù)的形式。再來看一看兩片74LS194是如何連接的。首先把兩個(gè)芯片的時(shí)鐘并在起，接成同步時(shí)序電路。接著把兩個(gè)芯片的并行數(shù)據(jù)輸入端D3D2D1D0全部連接在一起外接一個(gè)周期為一秒的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)八個(gè)燈一起閃爍。最后是左移和右移信號(hào)的處理。上面的芯片所驅(qū)動(dòng)的燈先依次點(diǎn)亮，所以右移時(shí)的輸入信號(hào)應(yīng)從它的SR輸入，接高電平；把上面的芯片的輸出Q3接下面芯片的SR，這樣右移時(shí)的信號(hào)就可以從第一個(gè)芯片的Q0一直傳遞到第二個(gè)芯片的Q3了。左移時(shí)也一樣，輸入信號(hào)接下面芯片的SL，下面芯片的Q0接上面芯片的SL。在圖4-15中，左移和右移的輸入信號(hào)直接來自74LS194的輸出。

4.3八路搶答器搶答器的應(yīng)用非常普遍，可用在各類競(jìng)賽中。本題目的設(shè)計(jì)要求如下：主持人按下?lián)尨稹伴_始”按鈕，同時(shí)喇叭發(fā)出“嘀”的一聲，八路搶答開始；八路搶答按鈕的編號(hào)分別為1~8，一次只能有一人搶答成功；當(dāng)某一路搶答成功時(shí)，發(fā)光二極管立即點(diǎn)亮，并在數(shù)碼管上顯示該路的號(hào)數(shù)，直到主持人按復(fù)位開關(guān)為止，其他人再搶答無效；主持人按“復(fù)位”按鈕后，必須下次重新?lián)尠础伴_始”按鈕才能繼續(xù)搶答。4.3.1核心器件74LS148簡(jiǎn)介搶答器的輸入為八路搶答按鈕及主持人控制的搶答開始和清零兩個(gè)按鈕。輸出有一個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)數(shù)碼管和一個(gè)蜂鳴器。因?yàn)橐寻寺返拈_關(guān)量轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的數(shù)字來顯示，而顯示譯碼器接收的是BCD碼，所以要用到8-3線編碼器。而74LS148是一個(gè)中規(guī)模且具有優(yōu)先編碼權(quán)限的集成器件，優(yōu)先權(quán)按輸入端編號(hào)從高到低。74LS148的引腳圖如圖4-16所示。EI是使能端，低電平有效。EO和GS都為輸出，且互反。當(dāng)EI有效，且正常編碼時(shí)，即八個(gè)輸入中有任一個(gè)輸入有效，則EO為高電平，GS為低電平；如果沒有一路輸入為低電平，則EO為低電平，GS為高電平。這兩個(gè)引腳通常用于芯片的擴(kuò)展。輸入編號(hào)為7的優(yōu)先權(quán)最高。當(dāng)EI有效時(shí)，輸入與輸入的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-4所示。輸入輸出(6、7、9)7有效0006有效

0015有效

0104有效

0113有效

1002有效

1011有效

1100有效

111表4-474LS148的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系4.3.2題目分析與設(shè)計(jì)由八路電阻與按鈕串接在電源和地之間，中間點(diǎn)引出接到優(yōu)先編碼器74LS148的八個(gè)輸入端，S1~S7分別接到輸入1~7，而S8接到輸入0上，當(dāng)S8動(dòng)作時(shí)顯示“8”。這樣使搶答者的編號(hào)1~7正好與編碼器的輸入和輸出對(duì)應(yīng)上。使用D觸發(fā)器用來鎖存信號(hào)，只使用異步輸入端，相當(dāng)于低電平輸入有效的RS鎖存器。其中三個(gè)D觸發(fā)器的異步置位S端接編碼器的三個(gè)輸出，經(jīng)過反相保持后接到顯示譯碼器的輸入端。異步清零端R都接到另一個(gè)D觸發(fā)器的端，由復(fù)位按鈕來控制。八路搶答器的原理如圖4-17所示，下面我們分塊來介紹設(shè)計(jì)原理。(1)上電初始狀態(tài)上電時(shí)，74LS148的各輸入0~7應(yīng)為高電平，EI=0，A2A1A0=111，GS=1，EO=0。(2)“復(fù)位”按鈕作用后當(dāng)“復(fù)位”按鈕按下后，產(chǎn)生一個(gè)短暫的低電平，應(yīng)使電路的狀態(tài)產(chǎn)生如下變化：74LS148的EI=1，即先封鎖各路搶答信號(hào)，其它狀態(tài)不變。(3)“開始”按鈕作用后當(dāng)“開始”按鈕按下后，產(chǎn)生一個(gè)短暫的低電平，應(yīng)使電路的狀態(tài)產(chǎn)生如下變化：74LS148的EI=0，即允許各路搶答，同時(shí)，嗽叭發(fā)出“嘀”的一聲響。下面討論“開始”按鈕作用如何使74LS148的EI為0。圖4-17中，當(dāng)“開始”按鈕按下時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)下降沿，送給U5:B的異步復(fù)位端R，使其Q=0，這個(gè)低電平作為二入或門U6:B的一個(gè)輸入。U6:B的另一個(gè)輸入來自U8:A的輸出Q。U8:A在“復(fù)位”按鈕按操作后，不受“開始”按鈕的控制，只受74LS148的輸入1~7路控制，當(dāng)這些輸入中有低電平時(shí)，U8:A來一個(gè)時(shí)鐘上升沿，使其輸出Q=1，而74LS148的輸入0不起此作用。故“開始”按鈕按下后，當(dāng)74LS148無輸入時(shí)，U8:A輸出Q=0，U5:B輸出Q=0，故U6:B輸出為0。此信號(hào)作為二入或門U6:C的一個(gè)輸入。而U6:C的中一個(gè)輸入來自U5:A的。U5:A接成異步輸入控制方式，置位端來自74LS148輸入0，復(fù)位端和U2:A、U2:B、U3:A、U3:B一起接到U5:B的。而U5:B在“開始”按鈕作用后，=1，故U5:B保持初始狀態(tài)Q=0，=1。經(jīng)過以上分析，“開始”按鈕作用后，U6:C的兩個(gè)輸入，一個(gè)來自U6:B為0，一個(gè)來自U5:A為1，故U6:C的輸出為1。此信號(hào)經(jīng)過反相器U9后為0，和來自U6:B的輸出0一起進(jìn)入或門U6:D，使U6:D為0。這個(gè)信號(hào)送給74LS148的EI，使EI=0，允許搶答。(4)74LS148的1~7路搶答74LS148的1~7路輸入中任何一個(gè)按下后，A2A1A0出現(xiàn)對(duì)應(yīng)編碼值（反碼），GS來一個(gè)負(fù)脈沖。電路應(yīng)完成的功能是：數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)數(shù)字，其它任何路搶答無效，直到按下“復(fù)位”按鈕后，再次按“開始”按鈕。

74LS148的三位編碼輸出由高到低分別接至U3:A、U2:B、U2:A的異步置位端。因?yàn)?4LS148輸出為反碼，這種接法正好使這些D觸發(fā)器對(duì)應(yīng)置位，經(jīng)觸發(fā)器后輸入原碼，送給74LS47和數(shù)碼管譯碼并顯示。74LS47的輸入BCD碼中高位接地。當(dāng)一路優(yōu)先搶答成功后，為了防止其它路再次搶答成功，此時(shí)，要立即封鎖74LS148的輸入，即使EI=1?？紤]到當(dāng)有編碼輸出時(shí)（即1~7路有搶答時(shí)），GS產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，把此信號(hào)接至U8:B的時(shí)鐘輸入端，當(dāng)GS從負(fù)變正時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，使U8:B的Q=1，從而使U6:B輸出為1，U6:D輸出為1，即EI=1，及時(shí)封鎖住了74LS148的各路輸入。EI為1后，A2A1A0恢復(fù)初始狀態(tài)111，但已經(jīng)搶答成功的當(dāng)前路的編碼已被U3:A、U2:B、U2:A鎖存并穩(wěn)定地顯示在數(shù)碼管上，直到“復(fù)位”按鈕按下。U3:B起滅零顯示的作用。當(dāng)復(fù)位后，數(shù)碼管顯示0。74LS47的滅零輸出端RBI（5端）來自U3:B的Q端，此端的低電平可使0不顯示。請(qǐng)大家自己分析，滅零電路的實(shí)驗(yàn)見第三章的3.6.3節(jié)“顯示譯碼器和數(shù)碼管的應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真”。(5)74LS148的第8路搶答由于74LS148的0路輸入信號(hào)有效時(shí)和無效時(shí)輸出狀態(tài)不發(fā)生變化，故其電路設(shè)計(jì)與1~7路有明顯的區(qū)別。74LS148的1~7路正好對(duì)應(yīng)顯示1~7，故0路輸入時(shí)應(yīng)該顯示8，相當(dāng)于第8路搶答。要完成的設(shè)計(jì)分兩個(gè)方面：一是當(dāng)?shù)?路搶答成功時(shí)，顯示8；另一個(gè)是當(dāng)?shù)?路搶答成功后封鎖其它7路輸入，即使EI=1。第8路搶答成功后顯示“8”的實(shí)現(xiàn)74LS47有個(gè)測(cè)燈輸入端LT（3端），當(dāng)此信號(hào)輸入低電平時(shí)，顯示“8”。把U6:C輸出連接到74LS47的LT端，復(fù)位后由于U6:C的一路輸出為0（來自U6:B，即1~7路無搶答），另一路來自U5:A，使其在第8路搶答時(shí)為0，即把第8路搶答時(shí)低電平輸入接至U5:A的異步置位端，U5:A的接到U6:C的輸入即可。第8路搶答成功后對(duì)1~7路的封鎖U6:C輸出的低電平一方面直接給74LS47的LT，使其顯示“8”，另一方面經(jīng)反相器U9后變高送給或門U6:D，使其為高，接入EI，封鎖74LS148的輸入。(6)蜂鳴電路這部分要求，“開始”按鈕一按下，發(fā)出一聲短促的“嘀”聲?？紤]用555組成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生一個(gè)一定寬度的正脈沖，輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)音。圖4-19輸入、輸出電阻測(cè)量原理圖關(guān)于聲音的輸出，Proteus提供了三個(gè)仿真元件，即SPEAKER、SOUDER和BUZZER，分別由模擬量信號(hào)、數(shù)字量信號(hào)和直流電源來驅(qū)動(dòng)，使用時(shí)要注意適當(dāng)修改它們的電壓才能使其正確工作。555接成單穩(wěn)態(tài)電路，觸發(fā)端TR（2端）接開始按鈕，當(dāng)開始按鈕按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)短暫的低電平，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，輸出3端產(chǎn)生一個(gè)固定寬度的高電平，此信號(hào)給蜂鳴器，使之產(chǎn)生一聲“嘀”的聲響。改變555電路中R2和C1的參數(shù)，可改變聲音的長(zhǎng)短。

4.4數(shù)字鐘數(shù)字鐘電路是一款經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路，它可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的秒鐘，也可以只計(jì)分和時(shí)，還可以計(jì)秒、分、時(shí)，分別為12小時(shí)制或24小時(shí)制，外加校時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。本題目的設(shè)計(jì)要求為：能計(jì)秒、分、時(shí)，且為24小時(shí)制；能進(jìn)行數(shù)字顯示；分和時(shí)能夠校對(duì)；實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，且四高一低。4.4.1核心器件74LS90簡(jiǎn)介本題目的核心器件是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的選擇很多，常用的有同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC160以及異步二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90。這里選用74LS90芯片。74LS90的引腳圖如圖4-18所示。圖4-1874LS90引腳圖74LS90內(nèi)部是由兩部分電路組成的。一部分是由時(shí)鐘CKA與一位觸發(fā)器Q0組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可計(jì)一位二進(jìn)制數(shù)；另外一部分是由時(shí)鐘CKB與三個(gè)觸發(fā)器Q1、Q2、Q3組成的五進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，可計(jì)五個(gè)數(shù)000~100。如果把Q0和CKB連接起來，CKB從Q0取信號(hào)，外部時(shí)鐘信號(hào)接到CKA上，那么由時(shí)鐘CKA和Q0、Q1、Q2、Q3組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。R0(1)和R0(2)是異步清零端，兩個(gè)同時(shí)為高電平有效；R9(1)和R9(2)是置9端，兩個(gè)同時(shí)為高電平時(shí)，Q3Q2Q1Q0=1001；正常計(jì)數(shù)時(shí)，必須保證R0(1)和R0(2)中至少一個(gè)接低電平，R9(1)和R9(2)中至少一個(gè)接低電平。74LS90的功能如表4-5所示。表4-574LS90的功能表R0(1)R1(2)R0(1)R1(2)Q3Q2Q1Q0110

×11×0000000000

×11×011100110010

××00

×0

××0×0×00

×

計(jì)數(shù)每個(gè)74LS90都應(yīng)首先接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖4-19所示。74LS90內(nèi)部原理如圖4-20所示，這是一個(gè)異步時(shí)序電路。圖中的S1、S2對(duì)應(yīng)于集成芯片的6、7管腳，R1、R2對(duì)應(yīng)于集成芯片的2、3管腳，CP0對(duì)應(yīng)于14管腳，CP1對(duì)應(yīng)于12管腳，Q3、Q2、Q1、Q0分別對(duì)應(yīng)于11、8、9、12管腳。圖4-1974LS90接成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖4-2074LS90的內(nèi)部原理

4.4.2分步設(shè)計(jì)與仿真1.計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路共分三部分：計(jì)秒、計(jì)分和計(jì)時(shí)。其中計(jì)秒和計(jì)分都是60進(jìn)制，而計(jì)時(shí)為24進(jìn)制。難點(diǎn)在于三者之間進(jìn)位信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。(1)計(jì)秒、計(jì)分電路個(gè)位向十位的進(jìn)位實(shí)現(xiàn)。用兩片74LS90異步計(jì)數(shù)器接成一個(gè)異步的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。所謂異步60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即兩片74LS90的時(shí)鐘不一致。個(gè)位時(shí)鐘為1Hz方波來計(jì)秒，十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)需要從個(gè)位計(jì)數(shù)器來提供。進(jìn)位信號(hào)的要求是在十個(gè)秒脈沖中只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，且與第十秒的下降沿對(duì)齊。只能從個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端來提供，不可能從其輸入端來找。而計(jì)數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個(gè)信號(hào)，要么是其中一個(gè)，要么是它們之間的邏輯運(yùn)算結(jié)果。把個(gè)位的四個(gè)輸出波形畫出來，如圖4-21所示。

圖4-2174LS90接成的個(gè)位計(jì)數(shù)器時(shí)序圖由于74LS90是在時(shí)鐘的下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù)，所以Q3正好符合要求，在十秒之內(nèi)只給出一個(gè)下降沿，且與第十秒的下降沿對(duì)齊。Q2雖然也只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，但產(chǎn)生的時(shí)刻不對(duì)。這樣，個(gè)位和十位之間的進(jìn)位信號(hào)就找到了，把個(gè)位的Q3(11端)連接到十位的CKA(14端)上。六十進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)秒到59時(shí)，希望回00。此時(shí)個(gè)位正好是計(jì)滿十個(gè)數(shù)，不用清零即可自動(dòng)從9回0；十位應(yīng)接成六進(jìn)制，即從0~5循環(huán)計(jì)數(shù)。用異步清零法，當(dāng)6出現(xiàn)的瞬間，即Q3Q2Q1Q0=0110時(shí)，同時(shí)給R0(1)和R0(1)高電平，使這個(gè)狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)的時(shí)間很短，被0取代。接線如圖4-22所示。圖4-2274LS90接成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器

當(dāng)十位計(jì)數(shù)到6時(shí)，輸出0110，其中正好有兩個(gè)高電平，把這兩個(gè)高電平Q2和Q1分別接到74LS90的R0(1)和R0(1)端，即可實(shí)現(xiàn)清零。一旦清零，Q2和Q1都為0，恢復(fù)正常計(jì)數(shù)，直到下次再同時(shí)為1。計(jì)分電路和計(jì)秒電路是完全一致的，只是周期為1S的時(shí)鐘信號(hào)改成了周期為60秒即1分的時(shí)鐘信號(hào)。秒向分的進(jìn)位信號(hào)的實(shí)現(xiàn)計(jì)秒電路的關(guān)鍵問題是找到秒向分的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)秒電路計(jì)到59秒時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電平，在計(jì)到60時(shí)變?yōu)榈碗娖?，來一個(gè)下降沿送給計(jì)分電路做時(shí)鐘。計(jì)分電路在計(jì)到59時(shí)的十位和個(gè)位的狀態(tài)分別為0101和1001，把這四個(gè)1與起來即可，即十位的Q2和Q0，個(gè)位的Q3和Q0，與的結(jié)果作為進(jìn)位信號(hào)。使用74LS20串反相器構(gòu)成與門，如圖4-23所示。圖4-23計(jì)分電路的時(shí)鐘信號(hào)(2)計(jì)時(shí)電路用兩片74LS90實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，首先把兩片74LS90都接成十進(jìn)制，并且兩片之間連接成具有十的進(jìn)位關(guān)系，即接成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后在計(jì)到24時(shí)，十位和個(gè)位同時(shí)清零。計(jì)到24時(shí)，十位的Q1=1，個(gè)位的Q2=1，應(yīng)分別把這兩個(gè)信號(hào)連接到雙方芯片的R0(1)和R0(2)端。如個(gè)位的Q2接到兩個(gè)74LS90的R0(1)清零端，十位的Q1接到兩個(gè)74LS90的R0(2)清零端。計(jì)時(shí)電路的個(gè)位時(shí)鐘信號(hào)來自秒、分電路產(chǎn)生59分59秒兩個(gè)信號(hào)相與的結(jié)果，如圖4-24所示。圖4-2424進(jìn)制計(jì)時(shí)電路計(jì)分和計(jì)時(shí)電路可以先單獨(dú)用秒脈沖調(diào)試，以節(jié)省時(shí)間。聯(lián)調(diào)時(shí)，可把秒脈沖的頻率加大。圖4-25是一個(gè)連接好的簡(jiǎn)單的無校時(shí)和報(bào)時(shí)的數(shù)字鐘電路。圖4-25具有秒、分、時(shí)的數(shù)字鐘電路

2.校時(shí)電路接下來把校時(shí)電路加上。校時(shí)電路主要完成校分和校時(shí)。選擇校分時(shí)，撥動(dòng)一次開關(guān)，分自動(dòng)加一；選擇校時(shí)時(shí)，撥動(dòng)一次開關(guān)，小時(shí)自動(dòng)加一。校時(shí)校分應(yīng)準(zhǔn)確無誤，能實(shí)現(xiàn)理想的時(shí)間校對(duì)。校時(shí)校分時(shí)應(yīng)切斷秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)電路之間的進(jìn)位連線。如圖4-27，虛框內(nèi)是校時(shí)電路，由去抖動(dòng)電路和選擇電路組成。

2.校時(shí)電路接下來把校時(shí)電路加上。校時(shí)電路主要完成校分和校時(shí)。選擇校分時(shí)，撥動(dòng)一次開關(guān)，分自動(dòng)加一；選擇校時(shí)時(shí)，撥動(dòng)一次開關(guān)，小時(shí)自動(dòng)加一。校時(shí)校分應(yīng)準(zhǔn)確無誤，能實(shí)現(xiàn)理想的時(shí)間校對(duì)。校時(shí)校分時(shí)應(yīng)切斷秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)電路之間的進(jìn)位連線。如圖4-27，虛框內(nèi)是校時(shí)電路，由去抖動(dòng)電路和選擇電路組成。圖4-27校時(shí)電路其中，計(jì)到59分的信號(hào)已有，如圖4-27中所示。只需把它和計(jì)秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報(bào)時(shí)的一個(gè)條件即可。見圖4-28，U17:A和U6:F組成的與門輸出即為報(bào)時(shí)開始信號(hào)。(2)報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)用秒個(gè)位的計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)行四高一低的報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)?，F(xiàn)在來分析一下50~59秒之間秒個(gè)位的狀態(tài)。圖4-28整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路秒個(gè)位：

Q3 Q2 Q1 Q00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 001 0 0 1結(jié)合題目要求，通過這些狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，秒個(gè)位的和Q0邏輯與后，正好在秒個(gè)位計(jì)到1、3、5、7時(shí)產(chǎn)生高電平，0、2、4、6時(shí)產(chǎn)生低電平，可作低四聲報(bào)時(shí)的鎖存信號(hào)；秒個(gè)位的Q3和Q0邏輯與后，正好在秒個(gè)位為9時(shí)產(chǎn)生高電平，可作高音的報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)，這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)。(3)報(bào)時(shí)把上述分析得到的報(bào)時(shí)開始信號(hào)分別和兩個(gè)報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)相與，產(chǎn)生兩路報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)，如圖4-28，上面一路為高音報(bào)時(shí)鎖存，下面一路為低音報(bào)時(shí)鎖存。圖中左面三個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)的是與或邏輯，前面已經(jīng)有介紹。圖4-31差動(dòng)放大器的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)測(cè)量電路上下兩路報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)分別與1kHz和500Hz的音頻信號(hào)(20Hz~20kHz)相與或來驅(qū)動(dòng)數(shù)字喇叭，實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。這里喇叭使用元件SOUNDER，它接收數(shù)字信號(hào)。試時(shí)，把59分50秒這個(gè)報(bào)時(shí)開始信號(hào)直接用高電平取代，這樣比較省時(shí)。另外實(shí)際連接電路時(shí)，可用555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1kHz的方波，再經(jīng)D觸發(fā)器二分頻得到500Hz的方波信號(hào)。計(jì)時(shí)電路的1Hz方波也可由555定時(shí)器產(chǎn)生，但由于標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值的選擇會(huì)帶來一些積累誤差，也可選用其他更精確的振蕩電路來實(shí)現(xiàn)。圖4-29是完整的數(shù)字鐘電路圖。圖4-29完整的數(shù)字鐘電路圖4.5音樂教室控制臺(tái)音樂教室控制臺(tái)并不是數(shù)字邏輯電路中很經(jīng)典的題目，但它主要用了可逆計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)分配器，加強(qiáng)了數(shù)字組合邏輯電路中非常重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。題目設(shè)計(jì)要求如下：音樂教室分多個(gè)室，教師和學(xué)生不在同一個(gè)室，要求教師對(duì)學(xué)生通過語音進(jìn)行課堂指導(dǎo)，可任意指定要指導(dǎo)的學(xué)生，也可按順序指導(dǎo)，共有學(xué)生40名。教師所在的屋設(shè)有數(shù)碼顯示以顯示每個(gè)學(xué)生的代號(hào)(00~39)，并設(shè)有拔碼開關(guān)，可設(shè)置要單個(gè)指導(dǎo)的學(xué)生代號(hào)或輪流指導(dǎo)的初始學(xué)生代號(hào)。單個(gè)指導(dǎo)時(shí)，指導(dǎo)時(shí)間由教師決定，輪流指導(dǎo)時(shí)時(shí)間可調(diào)。輪流指導(dǎo)時(shí)，有正序和反序兩種方式。正序從N到39，再返回N；反序從N到N–1，直到00，再返回N。

4.5.1核心器件74LS190簡(jiǎn)介本題目所用到的核心器件是十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS190(也可用4510)。74LS190的引腳圖如圖4-30所示。圖4-3074LS190的引腳圖

CLK時(shí)鐘上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)方式有兩種，加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)。當(dāng)=0時(shí)，加計(jì)數(shù)；當(dāng)=1時(shí)，減計(jì)數(shù)。E為使能端，低電平有效。PL為異步預(yù)置數(shù)端，低電平時(shí)，把D3、D2、D1、D0輸入端預(yù)設(shè)的數(shù)對(duì)應(yīng)輸出到Q3、Q2、Q1、Q0中。TC和RCO都為終端計(jì)數(shù)輸出，前者輸出正脈沖，后者輸出負(fù)脈沖，分別為加計(jì)數(shù)計(jì)到9~0和減計(jì)數(shù)計(jì)到0~9時(shí)輸出脈沖。4.5.2題目分析與設(shè)計(jì)本題目采用兩片74LS90可逆計(jì)數(shù)器來計(jì)00~39個(gè)數(shù)，采用四片74HC154(4-16)譯碼器作數(shù)據(jù)分配器，接40個(gè)發(fā)光二極管來模擬學(xué)生端收到的信號(hào)。本題只進(jìn)行單向信息傳送，如果要實(shí)現(xiàn)雙向信息傳送，即教師也可聽到學(xué)生彈琴或視唱，則需另加其他電路，這里暫不考慮。

1.計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路是本題目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，主要包括兩位十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器的級(jí)連、預(yù)置數(shù)電路中撥碼開關(guān)的模擬、手動(dòng)置數(shù)和自動(dòng)加、減計(jì)數(shù)電路的實(shí)現(xiàn)及顯示電路的設(shè)計(jì)。(1)計(jì)數(shù)器的級(jí)連先不考慮預(yù)置這部分，把兩個(gè)74LS190連接成同步的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即把兩個(gè)芯片的時(shí)鐘接在一起，個(gè)位的計(jì)數(shù)終端輸出RCO接到十位的使能端E上，因?yàn)橐粋€(gè)是0~9或9~0時(shí)輸出負(fù)脈沖，一個(gè)是輸入低電平有效，如圖4-31所示。圖4-31計(jì)數(shù)器的連接(2)計(jì)數(shù)方式的連接兩片74LS190應(yīng)具有同樣的計(jì)數(shù)方式。所以應(yīng)把二者的連接在一起，接到一個(gè)兩位開關(guān)上，當(dāng)開關(guān)接高電平時(shí)，減計(jì)數(shù)；當(dāng)開關(guān)接地時(shí)，加計(jì)數(shù)。(3)預(yù)置數(shù)端預(yù)置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，手動(dòng)置數(shù)時(shí)，教師在置數(shù)電路中先置一個(gè)數(shù)，比如20號(hào)學(xué)生，再把手動(dòng)/自動(dòng)預(yù)置數(shù)開關(guān)撥到低電平，直接使PL=0，把20裝入到計(jì)數(shù)器中，計(jì)數(shù)器不進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直保持目前狀態(tài)，直到PL=1為止。在這段時(shí)間內(nèi)認(rèn)為教師指導(dǎo)20號(hào)學(xué)生，表示該生接收信息的對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管會(huì)一直亮。當(dāng)自動(dòng)置數(shù)時(shí)，又分加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)兩種情況。加計(jì)數(shù)時(shí)，從N計(jì)到40時(shí)，給出一個(gè)低電平信號(hào)使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N；減計(jì)數(shù)時(shí)，減到00后，再減一個(gè)數(shù)變成99，此時(shí)要產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N，再接著進(jìn)行減計(jì)數(shù)。通過以上的分析，連接成如圖4-31所示的電路。雙聯(lián)開關(guān)同時(shí)用于選擇加/減計(jì)方式和加減計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的不同的PL信號(hào)，反送給PL。由于加計(jì)數(shù)時(shí)計(jì)到40返回N，所以只需把十位的Q2反相后給PL即可；減計(jì)數(shù)時(shí)減到00后是99，要99通過預(yù)置數(shù)變成N。十位為9，而加計(jì)數(shù)時(shí)十位最大為4不會(huì)計(jì)到9，所以可以用9來生成一個(gè)減計(jì)數(shù)時(shí)的預(yù)置數(shù)信號(hào)，而個(gè)位的9在加計(jì)數(shù)過程中并不會(huì)出現(xiàn)，所以不用。又因十位減計(jì)數(shù)時(shí)先9后8，所以為了省一根線，我們直接把十位的Q3經(jīng)反相器接到PL上，并不表示8，因?yàn)?時(shí)Q3也為1。2.撥碼電路撥碼電路實(shí)際是由排電阻和排開關(guān)串聯(lián)組成的，前面搶答器電路中我們已經(jīng)用到了類似的電路。Proteus中的8路排電阻位于RESISTOR類中的ResistorPacks子類中，8路排開關(guān)位于Switches&Relays類中的Switches子類中。把排電阻和排開關(guān)一一串接后，開關(guān)一端接地，電阻公共端接5V電源，而中間的引出端分別接74LS190的預(yù)置數(shù)輸入端D0~D3，如圖4-32所示。實(shí)際應(yīng)用中的排阻取值為10kΩ。圖4-32撥碼電路

3.數(shù)據(jù)分配電路這一部分電路完成學(xué)生端對(duì)教師信號(hào)的接收，并對(duì)應(yīng)一一顯示。74HC154是4-16線譯碼器，但是它通過和使能端的配合能完成數(shù)據(jù)分配器的功能。在教師的指導(dǎo)過程中，當(dāng)學(xué)生的編號(hào)顯示出來的同時(shí)，對(duì)應(yīng)的40個(gè)發(fā)光二極管中的某一個(gè)要點(diǎn)亮，表示該學(xué)生正在接收教師的指導(dǎo)。把發(fā)光二極管接