数字电子技术课程设计彩灯控制器的设计.docx

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数字电子技术课程设计彩灯控制器的设计

彩灯控制器的设计

一、设计任务与要求

（1）以半导体数码管作为控制器的显示器，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），然后又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，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。

二、方案设计与论证

彩灯循环显示控制电路组成方框图如上图所示,脉冲时钟信号输出高低电平,通过四个计数器依次计数,再由译码器译码,通过数码管显示出自然序列、奇数列、偶数列、音乐序列，序列循环的显示由计数器来控制,每一个序列循环完毕后,计数器会产生一个进位信号,该信号通过计数器进而使序列循环起来。

奇数列和偶数列的循环为自然序列和音乐序列的二分频，这样能做到每一次显示的时间相同。

要让四个数列依次循环则采用一个2线—4线译码器和一个四进制计数器。

用译码器的输出依次去控制芯片清零端,再通过一个四进制计数器去控制译码器输入,使其在四个输出间不断循环,而计数器的时钟脉冲则可通过每个芯片的进位端经过一四输入或门输出来控制。

电路如图

这个部分主要用到的芯片是74HC390计数器和74HC139译码管,他们的功能表和引脚图分别如下图和表所示。

74HC390功能表

74HC139的功能表

74HC390的引脚图74HC139的引脚图

三、单元电路设计与参数计算

数列显示部分

这个部分是利用74LS160D计数器来实现的。

根据数列不同的特点来连接电路的。

电路图如图（以自然序列为例）

数列显示电路原理图

其中主要使用的是74LS160D来实现的，其功能以及引脚图如下图所示。

74HC160引脚图

74HC139的功能表

脉冲信号的产生

选用多谐振荡器，它是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，常作为脉冲信号源。

而选用的电路是555定时器构成的，因为555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用它组成的多谐振荡器的震荡频率收电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。

电路如图

脉冲信号产生电路图

数列循环电路的设计

在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和一个译码器，这个部分的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列的循环显示。

其中四个74LS160计数器的进位端与74HC390的CPA相接，这样就可以通过进位端状态由0变为1的瞬间给它一个脉冲触发，而另一个脉冲端则是与其输出端QA相接的，这样的接法是为了使74HC390实现8421BCD码十进制计数的功能。

然后再让74HC390的输出端QA，QB分别与译码器74HC194相接，这样可以用译码器来控制计数器的动作状态，它可以决定由哪个74LS160计数器来工作。

当QA，QB为“0”，“0”时，这时译码器的输出端就只有Yo为0，接一个反相器然后再接产生自然序列的计数器的清零端；这样就可以实现只有自然序列输出的功能，同理当QA，QB为“0”，“1”时，这时译码器的输出端就只有Y1为0，接一个反相器然后再接产生奇数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有奇数序列输出的功能；当QA，QB为“1”，“0”时，这是译码器的输出端就只有Y2为0，接一个反相器然后再接产生偶数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有偶数序列输出的功能；当QA，QB为“1”，“1”时，这是译码器的输出端就只有Y3为0，接一个反相器然后再接产生音乐序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有音乐序列输出的功能。

其产生序列的功能就是这样实现的。

其电路图如图

用译码器实现的循环电路

序列显示电路的设计

十进制自然序列的显示电路

由于74HC160本身就是一个十进制技术的芯片，因此对于这个部分就需要按其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。

在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000→0001→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0到9了。

其序列显示电路图如图

自然数列的显示电路图

奇数序列显示电路

将奇数1，3，5，7，9用8421BCD码分别表示为：

“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以发现最后一位都为1，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是用于数码管最低位接高电平，在数码管现实的则是奇数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。

其序列显示电路图如图

奇数序列的实现电路图

偶数序列显示电路

将偶数0，2，4，6，8用8421BCD码分别表示为“0000”，“0100”，“0100”，“0110”，“1000”，可以发现最后一位都是0，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。

其序列显示电路图如图

偶数序列的实现电路图

音乐序列显示电路

音乐序列的特点是从0显示到7后又再变为0，这里可以将数码管的最高位固定接低电平就可以实现了。

因为74LS160的输出端只有三个与数码管相接，当74LS160的输出为“1000”和“1001”时，这是由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000”，“0001”。

这样数码管的显示就又变成0和1了。

其序列显示电路如图

音乐数列的实现电路图

脉冲产生电路的设计

由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。

这里用到的是555定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。

而用555定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的震荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。

设R3和R4的上部分为RA，R1和R4的下部分为RB，电容C2两端的电压为Vc。

接通电源后，电容C2被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使输出电压为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C2通过RB和T放电,Vc下降。

当Vc下降到2/3Vcc时，V0翻转为高电平。

当放电结束后，T管截止，Vcc将通过RA和RB向电容器C2充电，当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

其电路如图

脉冲产生电路

二分频电路的设计

因为奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的2倍，为了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用二分频电路，让自然序列和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。

JK触发器可以构成二分频电路。

由于JK触发器的状态为

，将JK触发器的J、K端均接在高电平，则从输出端Q输出的是二分频后的时间脉冲，其时间间隔为原脉冲的2倍。

其电路图如图

二分频电路

四、总电路工作原理及元器件清单

总电路图的设计

1．总原理图

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）

这个电路图可以实现设计的要求，可以一次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，而且还可以循环输出，数码管的显示间隔时间也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整。

电路图中四个74LS160的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。

其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产生技术序列和偶数序列的脉冲信号的频率是2倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器很好地实现了这一功能。

当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是U1先工作，他的清零端接的是“1”，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从0到9，当U1的输出要从9变到0的瞬间，它的进位端的状态是“1”，然后通过一个或门接至74HC390的脉冲输入端，这是从“0”，变至“1”，恰好有一个脉冲，就可以通过译码器使U4开始工作即开始计数，这是从9变至1时，又通过进位端给74HC390一个脉冲，然后就通过译码器又使U8开始工作，它从0变至8，当它从8变至0时，它的进位端又变至“1”，就又可以给74HC390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制U9的工作，输出音乐数列。

如此周而复始就可以实现需要的功能。

总电路图如下

3．元件清单

元件序号

型号

主要参数

数量

备注

R1

T1

。

。

。

五、仿真调试与分析

脉冲产生电路的仿真

脉冲产生电路

脉冲产生电路的仿真

二分频电路的仿真

二分频电路

二分频电路的仿真

总电路的仿真

调试结果分析：

经调试后，电路可以实现设计要求，可以实现从自然序列，奇数序列和音乐序列的循环显示，而且数字之间的显示时间间隔也可以通过改变脉冲信号的频率来改变。

电路有一个缺点就是不能实现清零的作用，每次打开电源它的起始的数列是未知的，也就是说不能确定是从哪一个序列开始循环的，还有一个缺陷是序列循环在交接的时刻起会出现显示时间不相等的现象，这可能是在芯片工作时由于传输延迟等原因所致，由调试结果可知，虽然基本满足设计要求，但仍有需要改进的地方。

改进构想：

首先，循环序列芯片采用含有片选端的多功能计数器；其次，控制循环部分采用一种可编程逻辑器件制成的移位寄存器，用程序来实现置数；第三，脉冲产生电路采用一种频率、幅度和周期都可调的高稳定性元件。

六、结论与心得

这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象能力，另外还有学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路、设计电路的能力。

我相信这是对我们的一个很好的提高。

平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我们所学的这些东西有什么用，它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其它的用途。

这次的课程设计让我们懂得了它们在实际中的用途，突然感觉自己学的东西很有用，我们觉得这样就可以激发我们以后的学习兴趣，这样有利于今后更好的学习。

通过这次实践活动，我们增强了解决问题的能力，从中也发现了自己在动手操作方面的不足，为日后参加工作打下坚实的基础。

首先，通过本次活动，我们了解数字电子技术的应用，发展前景，对所学专业有了进一步的了解，更加热爱所学专业，从中发现了理论方面的缺陷。

理论是我们今后实践、工作的基础，理论的学习不能有丝毫的懒惰，虽说理论是枯燥、乏味的，但我们要刻苦学习，充实自己的理论，为今后的学习工作打下基础。

其次，我们忽视了动手能力的培养，在动手制作中明显感到了吃力，犯了很多错误，对我们是一个不少的打击。

但在另一方面也给了我们以警示，知不足，然后谋进。

发现不足，促使我们更加多的参加各种实践活动，坏事又成了好事。

由于理论方面所学有限，了解又不好，再加之动手能力的匮乏，这次实践也有很多不足之处，通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。

这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来，另外在分析比较设计循环电路的环节中，我还考虑过利用移位寄存器来设计循环，可是发现移位寄存器的脉冲不好控制。

不过我还是学会了移位寄存器的很多功能，以及通过查阅资料也知道了它的很多典型的电路。

最后一个知识点就是利用555定时器来设计多谐振荡器，我采用的电路就是课本里的介绍的典型电路，通过这个电路也让我了解了555定时器的功能，还有一个就是利用JK触发器来实现分频的功能。

这些是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。

最后我觉得自己也学到了一些方法，比如我一般设计时序电路的主要步骤，还有如何利用EWB,MULTISM等学习软件，这方面以后的学习很仿真。

而且我很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实践的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。

当然这次的设计学到的不仅仅是知识，还有如何去查阅资料，如何去完成一份报告书等等。

总的来说，我觉得这次实践对我们以及以后的工作都有很大的帮助，而且使我学会了分析问题，使我的思维更加慎密，逐步建立了科学严谨的意识。