名 稱 數(shù)字邏輯設計
設計題目循環(huán)彩燈控制電路的設計
設計的內(nèi)容及要求：
一、設計說明與技術指標
設計一個自動循環(huán)顯示的彩燈控制電路，技術指標如下：
1．有十只LED燈，L0……L9
2．顯示方式：
① 上電后，首先全亮，停留n秒后奇數(shù)燈依次滅 ；
② 再偶數(shù)燈依次滅；
③ 間隔n秒后，再次所有的燈全亮，然后由L0到L9依次滅；
④ 再次所有燈全亮，依次循環(huán)。
3．顯示間隔時間n秒可自定。
二、設計要求
1．在選擇器件時，應考慮成本。
2．根據(jù)技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。
3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。
三、實驗要求
1．根據(jù)技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用multisim軟件仿真。
2．進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。
四、推薦參考資料
2、康華光主編．電子技術基礎（模擬部分）（第四版）[M]．北京：高等教育出版社， 1999
五、按照要求撰寫設計報告
序號 | 評定項目 | 評分成績 |
1 | 設計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分） | |
2 | 設計結果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結果）（15分） | |
3 | 態(tài)度認真，遵守紀律（15分） | |
4 | 設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分） | |
5 | 答辯（30分） | |
總分 | ||
最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） | ||
近年來，隨著人們生活水平的較大提高，人們對于物質(zhì)生活的要求也在逐漸提高，不光是對各種各樣的生活電器的需要，也開始在環(huán)境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光燈已經(jīng)不能滿足于我們的需要，彩燈的運用已經(jīng)遍布于人們的生活中，從歌舞廳到卡拉OK包房，從節(jié)日的祝賀到日常生活中的點綴。這些不緊說明了我們對生活的要求有了質(zhì)的飛躍，也說明科技在現(xiàn)實運用中有了較大的發(fā)展。在這一設計中我們將涉及有關彩燈控制器的設計，從原理上使我們對這一設計有所了解。將其確實的與我們相聯(lián)系起來。
循環(huán)彩燈的電路很多，循環(huán)方式更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈集成電路。絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是用數(shù)字電路來實現(xiàn)的，例如，用中規(guī)模集成電路實現(xiàn)的彩燈控制電路主要用計數(shù)器，分頻器和移位寄存器等集成。
本次課設可以用做廣告牌邊框燈光設計，如果用條形光柱代替彩燈，還可以作為廣告牌的背景閃爍燈光使用，增強廣告的感染力。
這一種方案是利用了門電路實現(xiàn)的，自行組裝一個5線-32位的譯碼器和一個16進制的計數(shù)器，用以實現(xiàn)循環(huán)至少20種狀態(tài)的循環(huán)，10次的奇偶循環(huán)和10次的依次循環(huán)再加上另外的停留的n秒時間。用該種方案時,首先需要用兩片74ls160芯片或者兩片74ls161芯片連成一個22進制的用異步置零或同步預置功能的計數(shù)器,主要用來實現(xiàn)計數(shù)和循環(huán)的功能。然后對應22種循環(huán)狀態(tài),設置10個輸出,來對應10個LED燈,最后運用門電路對0-22種狀態(tài)進行10中與非門的編碼。由敘述及實際的操作可以發(fā)現(xiàn)該種方案雖然思路較簡單,但在連接電路時用到的芯片較多,及連接電路時的復雜度較高。再加上應該考慮到成本的因素。此種方法雖不失為一種普遍且能用于的場合多,適應性強的方法,但在本次設計中,卻不是一種較為簡單的方法。方案一的原理框圖如圖1所示。
前面說明了方案一的優(yōu)缺點,進而在思路上加以改進。可以在用到555計時器構成的多諧振蕩器的基礎上運用移位寄存器。移位寄存器需要兩個,一個實現(xiàn)奇偶熄滅,一個實現(xiàn)依次熄滅。我們可以用74ls194(是一個四位的移位寄存器)來自行組裝一個十位的1移位寄存器。當按奇偶熄滅的移位寄存器工作時,按依次熄滅的移位器要保持輸出高電平,不要進行移位滅零輸出。同理,按依次熄滅的移位寄存器工作時,另一個按奇偶熄滅的移位寄存器要封鎖狀態(tài),不能處于工作狀態(tài)。這樣工作時,兩個移位寄存器交互依次工作,成互不干擾之狀。移位寄存器的引腳與LED燈的連接如圖2所示。
圖2 移位寄存器的引腳與LED燈的連接
從上圖可以看出,同樣一個LED燈由兩個移位寄存器的不同引腳控制,而這兩個引腳應用與門連接進而實現(xiàn)分別控制。
1.74ls194 芯片各引腳如圖3所示。
圖3 74ls94芯片各引腳圖
寄存器 在數(shù)字電路中，用來存放二進制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為寄存器。
寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構成的。一個觸發(fā)器可以存儲一位二進制代碼，存放N位二進制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構成。
按功能可分為：基本寄存器和移位寄存器。
移位寄存器移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。
1、74LS194移位寄存器的控制輸入端S1和S0是用來進行移位方向控制的，S0為高電平時，移位寄存器處于向左移位的工作狀態(tài)，二進制數(shù)碼在CP脈沖的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以實現(xiàn)串行輸入；在S1為低電平時，移位寄存器處于向右移位的工作狀態(tài)，二進制數(shù)碼在CP脈沖的控制下逐位移出寄存器(低位在前，高位在后)。
2、在串行輸入、并行輸出的轉換中，若將四位二進制數(shù)碼全部送入寄存器內(nèi)（四位寄存器）。由于每個CP脈沖移位寄存器只移一位，四位二進制數(shù)碼需要四個CP脈沖。在上圖中,D(0123),為并行輸入端,Q(0123)為并行輸出端s1和s0,是用來控制移位寄存器的工作狀態(tài)。當s1=s0=0時,保持原有狀態(tài),當是s1=s0=1時,保持并行輸入狀態(tài)。
2.555計時器構成的多諧振蕩器
圖4 555計時器構成的多諧振蕩器
用555計時器構成的多諧振蕩器如圖4所示。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器。“多諧”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號集成電路555定時器與RC組成的多諧振蕩器構成。需要的芯片有集成電路555定時器，還有電阻和電容。選擇555定時器構成的多諧振蕩器，其中電容C1為100微法，C2為0.01微法，兩個電阻R1=R2=50歐姆。此時在電路的輸出端就得到了一個周期性的矩形波
3.分頻器(實現(xiàn)不同的波形輸入)
計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中一種用得最多的時序邏輯部件，他的基本功能是記錄輸入脈沖的個數(shù)，可用于分頻、定時、產(chǎn)生順序脈沖和序列碼以及數(shù)值運算等。分頻器是加法計數(shù)器和減法計數(shù)器的統(tǒng)稱。所謂“分頻”，就是把輸入信號的頻率變成成倍數(shù)地低于輸入頻率的輸出信號。分頻是一個大的概念，它可以用加法計數(shù)器實現(xiàn)，也可以用減法計數(shù)器實現(xiàn)。但通常人們習慣于用加法計數(shù)器實現(xiàn)分頻。某些文獻資料上所謂用計數(shù)器的方法做“分頻器”的方法，只是眾多方法中的一種。它的原理是：把輸入的信號作為計數(shù)脈沖，由于計數(shù)器的輸出端口是按一定規(guī)律輸出脈沖的，所以對不同的端口輸出的信號脈沖，就可以看作是對輸入信號的幾次分頻的實現(xiàn)。從電路結構來看，分頻器本質(zhì)上是由電容器和電感線圈構成的LC濾波網(wǎng)絡，從電路結構來看，分頻器本質(zhì)上是由電容器和電感線圈構成的LC濾波網(wǎng)絡。利用單穩(wěn)態(tài)電路的計數(shù)功能實現(xiàn)分頻的電路，又稱為數(shù)字分頻器。在這種分頻器中，輸入信號脈沖為計數(shù)器的計數(shù)信號。若計數(shù)器的計數(shù)模為N，則從其進位輸出端可獲得N次分頻的脈沖信號。從各觸發(fā)器輸出端可獲得分頻比小于或等于N的脈沖信號。偶數(shù)分頻最為簡單，很容易用模為N的計數(shù)器實現(xiàn)50%占空比的時鐘信號，即每次計數(shù)滿N（計到N-1）時輸出時鐘信號翻轉。使用模為2N+1的計數(shù)器，讓輸出時鐘在X-1（X在0到2N-1之間）和2N時各翻轉一次，則可得到奇數(shù)分頻器，但是占空比并不是50%（應為 X/(2N+1)）.得到占空比為50%的奇數(shù)分頻器的基本思想是：將得到的上升沿觸發(fā)計數(shù)的奇數(shù)分頻輸出信號CLK1，和得到的下降沿觸發(fā)計數(shù)的相同(時鐘翻轉值相同)奇數(shù)分頻輸出信號CLK2，最后將CLK1和CLK2相或之后輸出，就可以得到占空比為50%的奇數(shù)分頻器用輸入脈沖控制多諧振蕩器，使它的狀態(tài)翻轉時刻與經(jīng)過若干個周期的輸入脈沖相同步，就能輸出整數(shù)分頻比的脈沖信號。此類分頻器可以在不改變電路結構的情況下借助定時元件參數(shù)的調(diào)整來改變分頻比，因而又稱為任意分頻器。
分頻器中,最重要的是保持周期的相對應,即clk周期最短,保持較小即可,s0周期分頻保持是clk的20倍,且占空比是50%,s1保持clk的40倍,且占空比是75%。這就是所設計的分頻器的主要功能。
在本次課設中我用74ls160和74ls08將多諧振蕩器產(chǎn)生的clk波形分別擴大周期至原周期的20倍、40倍，很好地實現(xiàn)了分頻功能。分頻部分如圖5所示。
圖5 利用74160和74ls08構成的分頻器
如圖5所示,我設計了一個四十進制的計數(shù)器,clk信號已由555多諧振蕩器產(chǎn)生,那么接下來的就是波形的分頻包括周期的變換和占空比的變換。我分別需要一個經(jīng)過10個clk信號就翻轉一次的占空比50%的脈沖和占空比為75%且周期是40倍的clk周期的兩個信號。
4.組合移位寄存器
將移位寄存器的s1和s0按照指定波形變化,即先按輸入高電平,使LED燈全亮且保持n秒,再使按奇偶熄滅的寄存器s1=0,s0=1,使依次熄滅的寄存器的s1=s0=1,使其奇偶熄滅,然后輸入高電平,全亮。最后使依次熄滅的寄存器s1=0,s0=1使按奇偶熄滅的寄存器s1=s0=1,實現(xiàn)依次熄滅。以按奇偶熄滅的移位寄存器的原理構圖如圖6所示。
圖6 按奇偶熄滅移位寄存器框圖
將從分頻器得出來的各已分頻的波形接到以圖6為代表的移位寄存器的s1,s0的控制端,便可以實現(xiàn)對LED燈有規(guī)律的熄滅,s1,s0端波形如圖7所示。
1.555計時器的輸出信號測試參數(shù)如表1所示
表1 555計時器測試參數(shù)
R1 | R2 | C1 | C2 |
50 | 50 | 0.01uF | 100uF |
運用Multisim測出clk的波形如圖8所示,測得四十倍clk周期如圖9所示,測得二十倍clk周期如圖10所示。
555計時器的周期為0.007s,這是最為原始的波形,另外的兩個波形技術就是根據(jù)該波形利用74ls160分頻變換而來。同時,占空比是clk信號的可忽略因素,任意值均可。
2.分頻器的波形測試
圖9 四十倍clk周期測試
上圖第一張圖的周期是793.12ms,第二張圖的周期是396.581ms.兩者之間理論上根據(jù)分頻器四十進制與為二十進制關系是前者周期是后者周期的2倍,占空比分別為50%和75%。從圖上可以看出是實際與理論計算結果相符合。
在本次課設中,基本思路就是通過對移位寄存器給出低電平,而低電平的移位要同過3個矩形波實現(xiàn).通過矩形波的分頻,給出s1.s0的變化規(guī)律,進而控制按奇偶熄滅和按依次熄滅。溫故而知新。設計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學習不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是上網(wǎng)找資料再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的靈感。思路即出路。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。
循環(huán)彩燈控制電路.zip
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