圖3 NE555多諧振蕩電路原理圖 圖4 NE555多諧振蕩器工作波形
彩燈控制器的設(shè)計(jì)課題是為強(qiáng)化我們所學(xué)的電子技術(shù)，結(jié)合書(shū)本理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際操作。這是一個(gè)理論結(jié)合實(shí)踐的過(guò)程。這次我們采用一片74ls160作為主要元件，通過(guò)這個(gè)元器件的工作特點(diǎn)，控制彩燈的各種序列的變換。通過(guò)結(jié)合觸發(fā)器的選擇，使用555產(chǎn)生時(shí)鐘頻率并對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，從而改變數(shù)字的顯示時(shí)間間隔的時(shí)間。
一．題目
彩燈控制器
二．設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)并制作一個(gè)彩燈控制器，要求如下：
3）每個(gè)數(shù)字顯示的時(shí)間（從數(shù)碼管顯示出它之時(shí)起到它消失之時(shí)止）基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5~2秒內(nèi)可調(diào)。
4）畫(huà)出總電路圖并列出元件清單。
三．安裝調(diào)試要求
1）完成脈沖源（震蕩電路）接線，并用示波器觀察并測(cè)量它的周期。
2）完成控制電路接線，并檢驗(yàn)它的功能。
3）完成計(jì)數(shù)器電路接線，并用發(fā)光管檢驗(yàn)計(jì)數(shù)狀態(tài)。
4）完成譯碼器、顯示電路、安裝、調(diào)試。
5）整機(jī)聯(lián)調(diào)并記錄數(shù)據(jù)，使之滿足設(shè)計(jì)要求。
四．分析、整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫(xiě)出數(shù)據(jù)總結(jié)報(bào)告。
2、課題分析
2 、總體設(shè)計(jì)思路與工作原理
本系統(tǒng)以一片NE555構(gòu)成的多諧振蕩器為時(shí)鐘源，JK觸發(fā)器構(gòu)成T'觸發(fā)器用于將時(shí)鐘源信號(hào)分頻，得到1/2倍時(shí)鐘源頻率的脈沖信號(hào)，作為第二個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)器（74ls161）的時(shí)鐘頻率通過(guò)兩個(gè)三態(tài)輸出緩沖器選擇，自然數(shù)（M0）與音樂(lè)數(shù)（M3）選擇1/2倍時(shí)鐘信號(hào)，奇數(shù)（M1）和偶數(shù)（M2）選擇時(shí)鐘源信號(hào)。
計(jì)數(shù)器（74ls161）清零置數(shù)法構(gòu)成10進(jìn)制計(jì)數(shù)器（不選160是因?yàn)?94的狀態(tài)跳變過(guò)快，161清零信號(hào)同時(shí)是194的時(shí)鐘信號(hào)，采用160則無(wú)法使用異步清零置數(shù)法，從而使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中因時(shí)序問(wèn)題導(dǎo)致出現(xiàn)短暫的額外的8顯示）。
本系統(tǒng)難點(diǎn)部分為循環(huán)控制部分（74ls194移位寄存器），循環(huán)控制部分中的74ls194置為模為四的環(huán)形計(jì)數(shù)器，初始狀態(tài)通過(guò)上電復(fù)位（對(duì)該系統(tǒng)十分重要）信號(hào)置數(shù)Q3Q2Q1Q0為 0111，其狀態(tài)有0111-1110-1101-1011-0111循環(huán)，Q3作為模式控制信號(hào)M0、Q0作為模式控制信號(hào)M1、Q1作為模式控制信號(hào)M2、Q2作為模式控制信號(hào)M3，分別對(duì)應(yīng)自然數(shù)列模式（M0）、奇數(shù)模式（M1）、偶數(shù)模式（M2）、音樂(lè)數(shù)模式（M3）。
再根據(jù)不同模式對(duì)計(jì)數(shù)器（74ls161）輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，再接到譯碼器（74ls48）進(jìn)行譯碼顯示。
仿真發(fā)現(xiàn)自然數(shù)到奇數(shù)的1時(shí)間偏短，偶數(shù)到音樂(lè)數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的0（采用異步清零的原因）。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路并改善時(shí)間偏短的現(xiàn)象，在偶數(shù)到音樂(lè)數(shù)的過(guò)渡中，利用74ls48譯碼器的動(dòng)態(tài)滅零功能消除這個(gè)時(shí)間偏短的0。
三．各主要電路及部件工作原理1， 2Hz脈沖及分頻電路（NE555、JK觸 發(fā)器構(gòu)成T'觸發(fā)器）
圖3 NE555多諧振蕩電路原理圖 圖4 NE555多諧振蕩器工作波形
（藍(lán)）波形圖
多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號(hào)，就可以自動(dòng)地產(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無(wú)穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無(wú)需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。多諧振蕩器的周期公式:
t=（R1+2R2）Cln2
多諧振蕩器的占空比公式:
即上圖3多諧振蕩器的周期約t約為0.5s,占空比q約為66.67%。
分頻電路是由一個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)J端和K端接成高電平時(shí)就是一個(gè)T'型觸發(fā)器。T’觸發(fā)器在一個(gè)脈沖的下降沿Q端的狀態(tài)會(huì)變化一次，由這個(gè)原理便可以做成0.5倍頻分頻器。
參數(shù)計(jì)算：
因?yàn)樾枰粋�(gè)每個(gè)數(shù)字切換為1S左右，因此根據(jù)上述公式，C2=10uf可以計(jì)算得出R=R1+2R2=72K。取R1=R2=24K。
2. 循環(huán)控制部分（74ls194移位寄存器）與上電復(fù)位電路
將74ls194接成模為4的環(huán)形計(jì)數(shù)器，通過(guò)上電復(fù)位信號(hào)控制給74ls194脈沖并同時(shí)置數(shù) Q3Q2Q1Q0 為0111。其狀態(tài)有0111-1110-1101-1011-0111循環(huán)，Q3作為模式控制信號(hào)M0、Q0作為模式控制信號(hào)M1、Q1作為模式控制信號(hào)M2、Q2作為模式控制信號(hào)M3，分別對(duì)應(yīng)自然數(shù)列模式（M0）、奇數(shù)模式（M1）、偶數(shù)模式（M2）、音樂(lè)數(shù)模式（M3）。
如圖 7，當(dāng)開(kāi)機(jī)時(shí)，復(fù)位信號(hào)（RD）(RD1為RD非)有短暫低電平。如圖 9會(huì)使74ls194選通時(shí)鐘源（CLK1），并將S1置位1，是194進(jìn)入同步置數(shù)狀態(tài)，將0111置入。之后選通計(jì)數(shù)電路進(jìn)位信號(hào)（RCO）作為時(shí)鐘，S0置0進(jìn)入移位模式。每來(lái)一個(gè)脈沖便向下一個(gè)狀態(tài)跳變。如圖8 ，狀態(tài)循環(huán)為0111-1110-1101-1011-0111。表現(xiàn)為依次將對(duì)應(yīng)的模式信號(hào)置為0。
圖9 74ls194構(gòu)成的模4環(huán)形計(jì)數(shù)器
預(yù)置數(shù)據(jù)為0111，復(fù)位信號(hào)（RD）和復(fù)位非信號(hào)（RD1）用于控制194的時(shí)鐘選擇及工作模式。上電瞬間或手動(dòng)復(fù)位瞬間，RD為0，選通時(shí)鐘源信號(hào)（CLK1）作為194時(shí)鐘，S0為1，S1接復(fù)位非信號(hào)（RD1）為1,194進(jìn)入同步置數(shù)模式，在CLk1激勵(lì)下置數(shù)，輸出端Q3Q2Q1Q0 為 0111，自然數(shù)列模式信號(hào)（M0）為低（低有效）。復(fù)位信號(hào)消失后，194進(jìn)入右移模式，在計(jì)數(shù)電路進(jìn)位信號(hào)（RCO）作用下將按圖8所示狀態(tài)移位，依次使M0、M1、M2、M3選通。
3. 計(jì)數(shù)電路
圖10 74ls161 10進(jìn)制計(jì)數(shù)器
如圖10，自然數(shù)模式信號(hào)（M0）、音樂(lè)數(shù)模式信號(hào)（M3）經(jīng)與門(mén)產(chǎn)生 161時(shí)鐘頻率選擇信號(hào)（CLKC），CLKC作用于兩三態(tài)輸出緩沖器（74ls125）對(duì)時(shí)鐘源信號(hào)（CLK1）與1/2時(shí)鐘信號(hào)（CLK2）進(jìn)行選擇，奇偶數(shù)時(shí)選擇CLK1，自然數(shù)與音樂(lè)數(shù)選擇CLK2。
74ls161按清零置數(shù)法接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，Q1、Q3經(jīng)與門(mén)得到異步清零信號(hào)（RD2），自然數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)模式進(jìn)位信號(hào)均為（RD2）。音樂(lè)數(shù)進(jìn)位信號(hào)為8（1000），
Q3與M3非經(jīng)與門(mén)得到音樂(lè)數(shù)進(jìn)位信號(hào)（LOAD）。74ls194時(shí)鐘信號(hào)（RCO）為L(zhǎng)OAD和RD2組成，任意一個(gè)為高，則194向下一狀態(tài)跳變一次。74ls161de清零信號(hào)由復(fù)位信號(hào)（RD）、LOAD、RD2三個(gè)組成，具體邏輯如圖10所示。
PS：為什么194的時(shí)鐘端用兩個(gè)三態(tài)門(mén)選擇之后，194的狀態(tài)會(huì)跳的非�？欤ㄔ�9剛到的時(shí)候就跳變了，神如異步方式）？
圖PS 兩種方式下194時(shí)鐘信號(hào)狀態(tài)
由圖PS可以看出，
4. 輸出控制電路及譯碼顯示電路
對(duì)于自然數(shù)列，不需做額外處理。
對(duì)于音樂(lè)數(shù)列則到了8的的時(shí)候就要產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)（LOAD）進(jìn)行異步清零。
對(duì)于奇偶數(shù)列的處理，可以從輸出四位二進(jìn)制看出解決問(wèn)題的方法，奇數(shù)列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數(shù)列：0000,0010,0100,0110,1000。假如顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接0，則可以得到偶數(shù)列的輸出；反之，顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接1，則可以得到奇數(shù)列的輸出。對(duì)于這個(gè)奇偶數(shù)列的74LS160，假如和音樂(lè)數(shù)列、自然數(shù)列的74LS160接同一個(gè)脈沖，則會(huì)出現(xiàn)兩類數(shù)字的跳動(dòng)周期不一樣，那么就可以用0.5倍頻降頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖11 各種模式下輸出信號(hào)處理
如圖11 ， M0或M3模式下，Q0正常輸出，M1模式下Q0輸出恒為1，M2模式下Q0輸出恒為0。譯碼顯示數(shù)據(jù)的D0，經(jīng)過(guò)模式信號(hào)選擇不同的輸出模式，已達(dá)到自然數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)、音樂(lè)數(shù)不同的輸出效果。
圖12 譯碼顯示
譯碼顯示選用74ls48驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，B、C、D直接接計(jì)數(shù)器（74ls161）對(duì)應(yīng)輸出端，A接經(jīng)過(guò)處理后得到的D0。LT接高（無(wú)效），RBI接M3（M3為0時(shí)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)滅0功能）。所謂動(dòng)態(tài)滅零為：在此狀態(tài)下的0不顯示。BI/RBD作為輸出懸空。
4．總體調(diào)試及仿真1. NE555與分頻器的調(diào)試
通過(guò)把555_VIRTUAL接成多謝振蕩電路便可以輸出方波，通過(guò)公式t=（R1+2R2）Cln2的計(jì)算可得方波周期。本電路用R1=R2=24kΩ、C=10uF，則t=0.5s，再通過(guò)接0.5倍頻的JK觸發(fā)器便得到1s方波。這兩個(gè)方波脈沖分別給兩個(gè)74LS161提供信號(hào)。
調(diào)試：照電路圖接好線路后，給電路通上電。通過(guò)測(cè)試555_VIRTUAL的out（3號(hào)引腳）端和JK觸發(fā)器的Q端，看其是否為0.5Hz和1Hz。同時(shí)可以依據(jù)555的3腳接出的脈沖接到發(fā)光二極管上。觀看等的亮滅情況。
在仿真軟件上得到的結(jié)果如下圖：
圖13 時(shí)鐘源（CLK1）（黃）及分頻脈沖（CLK2） （藍(lán)）波形圖
圖中一格代表0.2s，觀察得到CLK2周期約為5格（1s），CLK1周期約為0.5s。
2. 復(fù)位電路調(diào)試實(shí)際測(cè)試時(shí)，用示波器觀察RD波形，改變R3、C3的值可改變復(fù)位時(shí)RD為0的時(shí)間。復(fù)位瞬間，RD為低，短暫時(shí)間后RD變?yōu)楦摺?/font>
仿真調(diào)試結(jié)果如下
圖14 復(fù)位信號(hào)RD復(fù)位時(shí)波形
圖15 74ls194 復(fù)位時(shí) 各引腳狀態(tài)圖 圖16 74ls194正常工作
仿真調(diào)試，
從圖15中可以看出S1S0 為11（同步置數(shù)模式），在CLK1激勵(lì)下，Q3Q2Q1Q0置數(shù)為D3D2D1D0，現(xiàn)象正常。
從圖16中可以看出，復(fù)位結(jié)束后，頻率選擇為RCO，工作模式為右移模式，通過(guò)手動(dòng)給進(jìn)位脈沖，能在4個(gè)狀態(tài)間循環(huán)跳變。現(xiàn)象正常。
實(shí)際調(diào)試時(shí)可增加LED指示燈指示電路狀態(tài)，便于分析與觀察。
4. 74ls161十進(jìn)制計(jì)數(shù)器調(diào)試暫無(wú)
5. 譯碼顯示電路調(diào)試
暫無(wú)
5． 元器件清單
序號(hào) | 器件名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | NE555 | 1 | |
2 | 74LS04 | 1 | |
3 | 74LS08 | 1 | |
4 | 74LS33 | 1 | |
5 | 74LS48 | 1 | |
6 | 74LS112 | 1 | |
7 | 74LS125 | 2 | |
8 | 74LS161 | 1 | |
9 | 74LS194 | 1 | |
10 | 電阻24K | 3 | |
11 | 電阻10K | 1 | |
12 | 電容10UF | 2 | |
13 | 電容0.01UF | 1 |
6． 設(shè)計(jì)總結(jié)暫無(wú)參考文獻(xiàn)
【1】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)/閻石主編. -5版.-北京：高等教育出版社，2006.5
【2】模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)/童詩(shī)白，華成英主編. -4版.-北京：高等教育出版社，2006.5
【3】電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試/羅杰，謝自美主編.---4版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.4
【4】數(shù)字電子技術(shù)/高海生主編 裴亞男副主編 江西：江西科技出版社，2009.8
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