毕业设计（论文）-计数及数码显示电路的设计.doc

兴义民族师范学院本科毕业论文密 级： 分类号： 论文编号： 兴义民族师范学院2013届本科毕业生学位论文 计数及数码显示电路的设计姓 名： 梁远洪 教 学 系： 物理系 专 业： 物理学 导师姓名： 周家萍 中国贵州兴义2013年5月 目 录摘 要IABSTRACTII第一章绪 论1第二章数码显示电路的总体概述22.1概述22.2国内外计数与数码显示电路的现状分析22.3计数与数码显示电路的制作原理与方法22.3.1组合逻辑电路的特点与描述22.3.2组合逻辑电路的分析方法42.3.3组合逻辑电路的设计方法42.4常用的组合逻辑电路42.4.1编码器52.4.2译码器52.4.3七段字符显示器6第三章计数及数码显示电路的设计方法与过程103.1数字电路的安装与测试技术103.1.1集成电路中的逻辑功能测试103.1.2集成电路器件的接插和布线方法103.1.3数字电路的调试方法103.2计数及数码显示电路原理设计11第四章结 论16致 谢17参考文献18附 录19诚 信 承 诺 书21关于学位论文使用授权的声明21摘 要 在当前，国内的显示电路大多数采用中规模集成的液晶显示。少数则采用六位七段译码、驱动、显示电路。虽然液晶显示模块应用广泛，但是液晶显示电路的集成需要很高的技术，对很多技术人员来说，使用和装配它时仍会有困难。如对于点阵型液晶显示器件的使用，很多使用者都会感到无从下手。所以本论文进行了简单的研究，以使这类问题简单化。本论文首先介绍了数码显示电路实验所需的理论准备，其次介绍了如何进行制作数码显示板块并收集实验现象，最后对这次实验进行了简单的总结并得出结论。关键词：集成块，数码显示，译码器.ABSTRACTAt present, the domestic display circuit in most cases, in scale integrated liquid crystal display. A small number of six-seven segment decoder, driver, display circuit. Although the liquid crystal display module is widely used, but the LCD integrated circuit requires a high technology, many technicians use and assembly it will still have difficulties. Such as the use of dot matrix type liquid crystal display device, many users will find the no start. This thesis is simple, to make this kind of simplification of the problem. This paper introduces a digital display circuit experiment required theoretical preparation, followed by the production of digital plate and collect experimental phenomena, and finally the experiment a brief summary and concluded. Keywords: Manifold, digital display, decoderII前 言在当前，国内的显示电路大多数采用中规模集成的液晶显示。少数则采用六位七段译码、驱动、显示电路。虽然液晶显示模块应用广泛，但是液晶显示电路的集成需要很高的技术，对很多技术人员来说，使用和装配它时仍会感到困难。例如对于点阵型液晶显示器件的使用，很多使用者都会感到无从下手。本设计采用理论和实践相结合的原则，对显示电路的各个功能进行探讨、研究、实验。研究的主要内容是把显示电路的原理方法和制作程序完整的表述出来，并对其作简单的修改以使电路问题简单化，从而达到研究的目的。本论文正文共三个部分，在这三个部分中首先对计数及显示电路的相关功能及原理进行了总体的概述。其次是计数及数码显示电路的设计方法与过程，并在第二部分叙述了集成电路中的逻辑功能、调试、计数及数码显示电路原理设计等问题。最后在做了实验之后得出结论并总结出设计成果。第二章 数码显示电路的总体概述2.1 概述在数字系统的操作中，我们通常需要将数字量直观地显示出来以方便人们直接读取处理结果，而且大多说情况下更能用于监视数字系统工作情况。 因此，数字显示电路是现今社会许多电子设备不可缺少的部分。本实验在设计中由于器材的限制，将采用BCD-7段显示译码器，此显示译码器可以构成字型为“8”的图案。对于此次设计，在这里采用共阴极接法，驱动部分则采用74LS48作为译码器。2.2 国内外计数与数码显示电路的现状分析当前国内外的产品少数采用六位七段译码、驱动、显示电路。大多数采用液晶显示电路，并运用中规模集成芯片。显然液晶显示电路的发展已成为当今社会发展的主要趋势，液晶显示模块是一种超高新技术必不可少的基础元器件，虽然液晶显示模块应用广泛，但是对很多技术人员来说，使用和装配它时仍会感到困难。对于点阵型液晶显示器件的使用，很多使用者都会感到无从下手需要我们加强这方面的研究。2.3 计数与数码显示电路的制作原理与方法2.3.1 组合逻辑电路的特点与描述一、组合逻辑电路的特点根据逻辑功能的不同特点，我们把数字电路分成两大类，一类叫做组合逻辑电路（简称组合逻辑），另一类叫做时序逻辑电路（简称时序逻辑）。在组合逻辑电路中，任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。下图1就是一个组合逻辑电路的相关例子。它有三个输入端的变量A、B、CI和两个输出端的变量S、CO。由图1可知，不管任何时刻，只要A、B和CI的取值是确定的，则S和CO的值也会随之确定，这与电路过去的工作状态并无关系。图1 组合逻辑电路举例二、逻辑功能的描述将上图1的逻辑功能写成逻辑函数式： 对于组合逻辑电路，这是一种用逻辑门电路组成的，并且输出和输入之间不存在反馈电路且不含有记忆延迟单元的一种特殊的逻辑电路，下面我们用图2来描述一下组合逻辑电路的输出和输入过程。组合电路X0XiXm-1Y0YjYn-1图2 组合逻辑电路一般框图 一个完整的组合逻辑电路可以有多个输入接口，如m个输入接口；也可以有多个输出接口，如n个输出接口。出现上述情况，是因为在组合逻辑电路中不存在反馈电路和记忆延迟单元这两部分，所以，某一时刻的输入始终决定着这一时刻的输出，并且与这一时刻前的输入（过程）毫无关系。即当时的输入总是决定着当时的输出。那么，我们可以把组合逻辑电路的输出和输入的关系应用逻辑函数式来表示出来。即也可表示为 2.3.2 组合逻辑电路的分析方法通常我们采用的分析方法是从电路的输入到输出过程中依次写出逻辑函数的表达式，然后联立求解从而得到表达输入与输出关系的逻辑函数式。最后用公式化简法或卡诺图化简法将所得到的逻辑函数式化简到最简形式，从而使电路的逻辑功能关系简单明了。在这里，人们为了使逻辑电路的逻辑功能能够更加直观，很多时候采取把逻辑函数式转换为真值表的形式。2.3.3 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计工作通常我们可按下列步骤进行：一、进行逻辑分析首先分析事件的因果关系，确定输入变量和输出变量。然后定义逻辑状态的含意。一二值逻辑的0、1两种状态分别代表输入变量和输出变量的两种不同状态。这项工作也叫逻辑状态附值。最后根据逻辑推出的因果关系列出逻辑真值表。二、写出逻辑函数表达式把真值表对应的逻辑关系转换成对应的逻辑函数表达式。三、选定器件的类型为了得到所需要的逻辑函数关系，我们可以借用小规模的门电路组成与之相应的逻辑电路，也可以借用中规模集成的常用组合逻辑器件构成与之相应的逻辑电路。在这里我们根据器件的资源情况决定采用哪一种类型的连接方式。四、画出电路图我们可以根据化简或变换后的逻辑函数表达式，然后画出逻辑电路的连接电路图。五、连接实物，进行实验将选用的器件按照电路图连接起来，然后得出实验现象和结论。2.4 常用的组合逻辑电路由于人们在实践中遇到的相关问题总是层出不穷，因而人们为了解决这些常见的逻辑问题从而设计的逻辑电路也是数不胜数。然而我们发现，其中有许多的逻辑电路总是应用于各种数字系统当中，这些电路其中包括编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器、函数发生器、奇偶校验器等等。为了使用的方便，人们把这些常用的逻辑电路制成了中小规模集成的标准化集成电路产品，并大量的生产，供人们不断的使用。2.4.1 编码器组合逻辑部件中的编码器是对输入过程赋予一定的二进制代码，给定一定输入过程就会有相应的二进制代码输出。生活中常用的编码器有普通编码器和优先编码器两类，而优先编码器分为二进制编码器和二十进制编码器等。其中二进制编码器指的是输入变量个数（m）和输出变量个数（n）成2n倍关系的编码器，如通常有4线/2线，8线/3线，16线/4线的集成二进制编码器；而二十进制编码器其实就是输入十进制的数（十个进制输入分别代表09十个数字）输出相应的4个BCD码的10线/4线编码器。一、普通编码器目前使用的编码器有普通编码器和优先编码器两类。在普通编码器中，任何时刻都只可允许输入一个编码信号，否则输出过程会发生混乱。二、优先编码器在优先编码器电路中，编码器电路允许同时输入两个或两个以上的编码信号。不过人们在设计优先编码器时已经对所有的输入信号按优先顺序排了个队，当几个输入信号同时出现时，只会对其中优先权最高的那一个进行编码处理。2.4.2 译码器当前使用的译码器有二进制译码器、二十进制译码器和显示译码器。二进制译码器的输入是一组二进制代码，输出是一组与输入代码一一对应的高、低电平信号；二十进制译码器的逻辑功能是将输入BCD码的几个代码译成10个高、低电平输出信号；对于显示译码器，通常在数字电路设计中，人们较多采用的是七段字符显示器，目的是为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。本设计重点选用半导体数码管BS201A。设计中的显示译码器是将输入二进制码转换成显示器件所需要的驱动信号。2.4.3 七段字符显示器在很多的数字系统中，通常人们都要用到字符显示器来完成设计。当前，常用的字符显示器有发光二极管LED字符显示器和液态晶体LCD字符显示器。一、半导体数码管发光二级管使用的材料与普通二极管和锗二极管使用的材料不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，并且半导体的杂质浓度较高。当外加正向电压时，大量的电子和空穴在扩散过程中结合起来，其中一部分电子从导带跃迁到价带，然后把多余的能量以光的形式释放出来，从而产生一定范围波长的可见光。LED“0”R+VCC实验中的发光二极管既可以用高电平进行点亮，又可以用低电平驱动点亮，构造原理分别如下图3（a）和（b）所示。LEDR“1” （a） （b）图3 发光二极管驱动电路（a）高电平驱动（b）低电平驱动其中针对发光二极管用到的限流电阻一般在几百到几千欧姆之间，电阻的大小由二极管的发光亮度（电流）决定。实验中的半导体数码管（或称LED数码管）是人们常用的显示器件，它的基本单元是发光PN结，当前采用最多的是磷砷化镓做成的PN结封装而成的发光二极管，如下图4所示。图4 发光二极管与半导体数码管字型结构对于多个PN结我们可以分段封装成半导体数码管，每段为一发光二极管，其组成结构如图5所示。选择不同结构的二极管发光，可显示出不同的字形。例如，当a、b、c、d、e、f、字段点亮时，显示出“0”。在本设计中对七个发光二极管选用共阴极结构，共阴极结构需要某一字段接高电平数码管发光。 图5 半导体数码管两种接法二、液晶显示器另一种在生活中常用的七段字符显示器是液晶显示器 （英文为Liguid Crystal Display）简称LCD。这里不在选用液晶显示器，不作详细说明。三、集成7段显示译码器74LS48集成显示译码器有很多种型号，有TTL集成显示译码器，也有CMOS集成显示译码器等。对于7段显示译码器，它们的功能大同小异，主要的区别在于输出有效电平的高低。在这里，7段显示译码器74LS48（如图6）是输出高电平有效的译码器，其真值表如表1所示。图6 7段显示译码器74LS48LT RBI RBO Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg 输 入输 出BI /显示字符1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 X 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 X 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 X 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 X 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 X 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 X 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 X 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 X 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 X 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 X 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 X 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 X 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 X 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 表1 74LS48真值表 74LS48译码器除了能够实现7段显示译码器的基本功能，即输入（DCBA）得到输出（YaYg）的功能外，74LS48译码器还能够引入灯测试输入（）端和动态灭零输入（）端，以及能够引入既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（/）端。逻辑功能如下：（1）能够正常译码显示。当LT=1，BI/RBO=1时，则对输入为十进制数l15的二进制码（00011111）进行译码，然后产生相应的七段显示数码。（2）能够实现灭零功能。当LT=1，而输入为0的二进制码0000时，只有当RBI =1时，才产生0的七段显示码,如果此时输入为RBI =0 ，则译码器的ag输出全0，即显示器的七段数码管全灭；所以RBI称为灭零输入端。（3）能够实现试灯功能。当LT=0时，无论输入怎样变化，ag输出全为1，此时七段数码管全亮。从而可以检测出显示器七个发光段是否损坏。这里的LT称为试灯输入端。（4）具有特殊控制端BI/RBO。BI/RBO可以作为输入端使用，也可以作为输出端使用。作输入端使用时，如果BI=0时，此时不管其他输入端为何值，ag均输出为0，显示器的七段数码管全灭。因此BI称为灭灯输入端。作输出端使用时，此时受控于RBI端。当RBI=0时，输入为0的二进制码0000时，当RBO=0时，此时用以说明该片正处于灭零状态。所以，RBO端又称为灭零输出端。如果将灭零输入端与灭零输出端配合使用，即可实现多位数码管显示系统的灭零控制。图7给出了74LS48的逻辑图，方框图和符号图。图7 7段显示译码器74LS48（a）逻辑图（b）方框图（c）符号图第三章 计数及数码显示电路的设计方法与过程3.1 数字电路的安装与测试技术数字电路的安装与测试工作是验证设计方案的实践过程，而且是将理论知识应用到实践中来解决各类实际问题的关键环节，它是数字电路设计必须掌握的最 基本技能。下面介绍一些数字电路安装与调试常用的基本方法。3.1.1 集成电路中的逻辑功能测试在安装实验电路之前，首先必须对所选用的数字集成电路器件进行逻辑功能的测试，以避免因器件功能不正常而增加调试的困难度。数字集成电路器件检测期间的方法是多种多样的，常用的方法如下：（1）仪器检测法：可以用一些数字电流检测仪进行检测。（2）逻辑功能试验检测法：可以用试验电路方法对该器件进行逻辑功能测试。（2）替代法：可以用被测器件替代正常工作的数字电路中的相同器件进行检测。3.1.2 集成电路器件的接插和布线方法数字电路的实验通常是在面包板上进行。在插接集成器件时，把器件的缺口端朝左方，对准插孔的位置，然后用力将集成器件插牢。不可用力过大，需防止集成器件管脚弯曲或折断。布线时应注意导线不要太长，最好贴近底板并在集成器件周围走线，切记不能把导线跨越在集成器件的上空或杂乱的在空中搭成网状，要理清导线。数字电路的布线需整齐美观，这样既可提高电路的可靠性，又能及时检查然后排除故障和更换器件。在实验过程中，导线连接的顺序是：先接固定电平的连线，如电源正极（一般用红色导线）、地线（一般用黑色的导线）、门电路的输入端及电平固定的某些输入端（如触发器的控制端J、K），然后根据电路的信号流向顺序对子系统进行连线和调试，最后将各子系统连接起来完成连线。3.1.3 数字电路的调试方法数字电路的调试顺序也是先对子系统的单元电路进行调试，然后逐渐扩大到将几个单元电路组合起来进行联调，最后对整体进行调试。在大多数实验中，数字单元电路的故障多数是因为接线错误或接触不良引起的，而集成器件本身的问题相对来说是较少的。然而很多设计者在调试过程中发现工作不正常时往往一开始就怀疑集成器件的好坏，这种思维方式对于做这样的实验是不可取的。3.2 计数及数码显示电路设计对于本论文设计，我们采用了半导体七段数码管BS201A作为显示器件和74LS48译码器作为译码驱动芯片，而数码管的接法采用共阴极接法。由于半导体数码管BS201A不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应时间极短（一般不超过0.1），并且半导体数码管的亮度也比较高，非常适合用于实验器材。但半导体数码管的工作电流比较小，每一段的工作电流在10mA左右，容易烧坏，因此选用半导体数码管时，必需串入适当的限流电阻来保护半导体数码管。现在，通过相关知识的学习，制作电路原理图如下图8所示：图8 数码显示原理图在此设计中我们必须注意到，74LS48译码器的管脚一定要与数码显示的管脚一一对应，不可接错。其中，、分别为四个信号的输入端，每个输入端既可接入高电平，也可接入低电平。当选择共阴极半导体7段数码管，则要求译码器电路输出为高电平“1”，数码管的7段才能发亮。根据这个条件，首先列出译码电路的输入和输出状态转换真值表表2。表2 译码电路的输入和输出状态转换真值表输入状态输出状态数字显示A B C D0 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 0 01 0 0 1a b c d e f g1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10123456789根据真值表，从（ag）7个输出函数卡诺图得出（ag）7个最简函数表达式。卡诺图如下图9所示：图9 BCD-七段显示译码器的卡诺图得到的逻辑表达式为： 实验中，选取的器件有6个BCD七段数码管，6个驱动芯片74LS48译码器，导线若干，然后按照图8所示的数码显示原理图连接实际电路，对各个输入端进行高低电平输入。在实验过程中得到的结果整理如下：1、 当BI=1、LT=1时，（1）输入RBI=X，显示字符为：（2）输入RBI=X，显示字符为：（3）输入RBI=X，显示字符为：（4）输入RBI=X，显示字符为：（5）输入RBI=X，显示字符为：（6）输入RBI=X，显示字符为：（7）输入RBI=X，显示字符为：（8）输入RBI=X，显示字符为：（9）输入RBI=X，显示字符为：（10）输入RBI=X，显示字符为：（11）输入RBI=X，显示字符为：（12）输入RBI=X，显示字符为：（13）输入RBI=X，显示字符为：（14）输入RBI=X，显示字符为：（15）输入RBI=X，显示字符为：（16）输入RBI=X，无显示字符2、 当BI=1时：（1）LT=X，RBI=X，无显示字符（2）LT=1，RBI=0，无显示字符3、 当BI=1，LT=0时：RBI=X，显示字符为：经过以上的工作，所设计的内容能够完成预期的实验指标和性能，能够完成所需的各项试验。在这次设计中，先要确定电路方案，再选定元件，最后按电路图连接实物。虽然某些元件存在故障，但通过自己的不断测试与调整，问题最终得到了解决。通过分析与解决这些问题使我对电子线路有了更加直观的认识，并且从中学会了如何分析电路问题，如何查找并改正电路中错误的地方。 第四章 结 论本论文是关于计数及数码显示电路的设计，在这个设计中采用的是七段数码管作为显示部件，74LS48译码器作为驱动芯片。在设计中我们应用到了组合逻辑电路的分析方法，数码管的工作原理和使用方法，驱动芯片74LS48译码器的原理和各管脚的功能，最后得到的电路能够简单地实现一些功能，并得出结论。设计过程中主要是以表示74LS48译码器输入的BCD代码，用ag表示输出的7位二进制代码。当共阴极时规定1表示数码管中线段的点亮状态，用0表示线段的熄灭状态。在设计过程中，选取的器件有6个BCD七段数码管，6个驱动芯片74LS48译码器，导线若干。首先按照图8连接电路，得到实物连接，然后经过安装和调试，对各个输入端进行高低电平输入。得出不同的实验现象，比如：当输入RBI=X，显示字符为： 。最后，得出实验的结论。通过本次论文设计，使我对数字电子技术有了新的认识，动手能力和判断能力也得到了进一步的提高，理论知识更是得到了前所未有的加深和巩固，并且在写作的过程中得到了很好的锻炼，从而使我对未来的生活充满了希望。致 谢本论文在准备和写作过程中,笔者得到了周家萍老师的悉心指导和热情帮助。周老师以她严谨的治学态度,在无形当中影响着我。为我将来的学习和工作点亮了一盏指路明灯。在此对她表示衷心的感谢和诚挚的敬意！ 亦感谢本班同学杨学书和杨波以及笔者的其他同学，他们的合作与帮助，使笔者在论文的准备以及写作过程中，受益菲浅。特别是杨学书同学，他给了笔者极大的帮助。在此对他们致以诚挚的谢意！大学四年,笔者在物理系学到了很多知识,各方面都得到了很大的锻炼。尤其是物理系的老师们,他们以严谨的治学态度以及兢兢业业的敬业精神,对笔者产生了潜移默化的影响。笔者将受益终生。在此对他们表示衷心的感谢！感谢兴义民族师范学院物理系的所有关心和帮助过笔者的老师和同学们,是他们给笔者提供了一个良好的学习环境和氛围,是他们的关心、帮助和鼓励让笔者有了良好的精神状态,让笔者一步步健康地成长起来！再次对笔者的指导老师周家萍老师的悉心指导和帮助表示衷心的感谢！ 梁远洪 2013年5月于兴义民族师范学院参