数码管显示控制器实验报告.docx

课程设计实验报告实验名称：数码管显示控制器设计成员：*专业年级：*实验日期：*指导老师：*1、 实验目的； 设计简易数码管显示控制器2、 实验要求；1.数码管显示器从自然数列开始，依次显示自然数列，奇数数列，偶数数列，音乐符号序列，然后再从自然数列开始显示的循环显示的功能。2.数码管显示器具有很好的周期性与自动复位性。3 . 设计中由控制端的输出信号自动控制各显示端自动循环显示，数码管显示器可应用于由八段LED数码管作为显示的灯饰中。三、实验器材；555定时器、74LS160、74LS48、74LS02、74LS08、74LS86、滑动变阻器（5.6k）、8段共阴数码管、电平开关、电阻（2k、510）、电容（10F、0.3F）。4、 设计方案；该数码管显示器要实现循环显示四组不同的数列，即可以考虑设计四个显示端，每个显示端显示一组数列，让它们分别依次显示一次即实现了一个周期，再设计一个控制端，输出周期性的控制信号，并且每个数列显示端的周期是输出控制信号周期的四分之一，这样就可以让控制模块与显示模块实现周期的同步，即可解决循环显示的问题。第一组数为自然数列，即可用十进制计数器（74ls160芯片）与七段译码器（74ls48芯片）和七段共阴数码管组成该数列的显示端，在分析其它数列可发现每列中的数均为自然数，则可以考虑以自然数列显示端为基础，再进行改进，设计其它几个显示端。由于计数器需要输入时钟信号，则系统中可以用NE555及相关元件组成一个多谐振荡器，作为信号发生模块，即时基电路。而控制模块与显示端模块均具有周期性，而后者的周期为四个十进制计数器的计数周期，要是两个模块实现周期相同，则控制端的周期性应与十进制计数器的周期有关，即该模块可以以十进制计数器为基础进行设计。五、电路设计；（1）信号发生模块设计NE555芯片是一种模拟数字混合电路芯片，它是由与非门和两个电压比较器及其他元件组成集成块，经常用来构成定时电路或矩形波、方波产生电路，本设计使用它构成多谐振荡器，该振荡器能产生稳定的时钟信号。多谐振荡器原理图如下：图1 多谐振荡器原理图 此多谐振荡器输出矩形波形脉冲频率可由充电时间常数和放电时间常数确定该系统的周期公式为T=(R1+R2)C1ln2，为了便于观察实验现象，系统时钟信号周期应在一秒左右，故R1=5,R2为阻值为50的滑动变阻器,可以通过控制R2来改变时钟信号的周期进而改变数码管的显示频率。本设中,C=10f，则周期的可变范围为34.65ms-3.465s，即可在通过调节R2可调至最佳观测周期。（2）控制模块设计该控制端由一个周期为四十个时钟周期的计数端和四个控制信号输出端组成，设计图如下：图2 控制端设计图其中根据74ls160的计数条件与清零特性设计该模块的计数端。图中U2正常计数并且它的15脚（进位端）与U1的2（清零端）脚相连，两者之间组成十进制关系，而如图U1的12脚接 1脚使它为循环周期为4，该部分总的周期为四十个时钟周期。图中U2的QD,QC,QB,QA分别对应四位BCD码从高到低的四位二进制数的位置。通过对QA,QB两位产生的信号作为控制输入信号，再加上门电路进行逻辑转换，使四个输出端循环输出高电平，在结合74ls160的计数工作条件，实现四个显示端的依次循环显示。由于QA,QB两个输出端在周期为4个计数单位中，输出依次为00,01,10,11，QA,QB接或非门，则只有在输出为00时，输出为1，其它时候为0。QA,QB先接一个异或门，再让它的输出和QA的输出接进一个与门，该端口输出只有QA,QB为01时为1，其它时候为0。当QA,QB先接一个异或门，再让它的输出和QB的输出接进一个与门，该端口输出只有QA,QB为10时为1，其它时候为0。当QA，QB直接接一个与门，则只有在它们的输出为11时该端口的输出才为1，其余时候为0。所以以U11A的输出控制自然数数列的显示，以U17A的输出控制奇数数列的显示，以U12A的输出控制的偶数列显示，以U14A的输出控制音乐序号数列的显示。（3）自然数数列显示端设计用74LS160芯片（十进制计数器）作为计数器，让它的输出端与74LS48译码器的四个输入端相连，进行BCD码译码，再在输出端接7个上拉电阻与用于显示的七段共阴数码管连接。四个输入端均接地，使计数器从0000开始计数，当计数器正常工作时，数码管可显示自然数列。则自然数列显示端设计图如下：图3 自然数显示端设计图（4）奇数数列显示端设计由于0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001分别是0-9的BCD码，即可发现奇数的最低位均为1，将自然数显示端的74LS48的QA端（7脚）接高电平，74LS160的QA端悬空，则可使其显示为奇数数列，不过单个数字的显示时间为自然数单个显示的两倍。但整个显示端的周期与自然数列显示端的周期相同。当七段译码器（74ls48）的QA端直接接VCC，则该显示端在它不工作时显示为且不能满足打开电源自动复位的要求，故可以将74LS48的QA端接到该显示端的74LS160的清零端（2脚），即只有在其正常工作时它才为1，其余时间为0，则在上电时该端能自动复位为0（上电时只有自然数显示端的清零端为1，其余为0）。奇数显示端设计图如下：图4奇数显示端设计图（5）偶数序列显示端设计09中的偶数的BCD码的最低位均为0，结合奇数显示的设计，只要将74LS48的QA地（置0），则它的输出出为偶数序列。且在该端口不显示工作时，它仍显示为0，能实现上电时自动复位。其设计图如下：图5 偶数显示端设计（6）音乐符号序列显示端设计音乐符号序列为0、1、2、3、4、5、6、7、0、1，把它们转换成BCD码为0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,0000,0001。该序列的数字个数为10，可仍可选择74LS160作为计数器，该序列与自然数列相比，只是1000,1001变成了0000,0001。即只要保证74LS48的QD端一直为0，就可以保证将自然数列转换为音乐符号序列。故可以选用一个与门，它的输入分别为74LS160的QD,QC端且该门的输出与74LS48的QD端相连，这样就可以保证QD一直为0。或者直接将74LS48的QD端与地线相连亦可达到效果。其余接法与自然数显示端的设计相同，设计图如下：图6 音乐符号序列显示端设计图6、 电路的调试(1) 信号发生模块调试本实验所用的电源为5V直流电源，当由NE555组成的多谐振荡器的正负极与电源的正负极相连时，它的输出端（3脚）会产生周期信号，将它与示波器相连，观察其输出波形。若输出波型如图3.1，则可认为该振荡器正常工作。图6.1周期信号仿真调节滑动变阻器，观察示波器上的波形周期变化，并且观察变化周期是否满足设计设定范围。并用万用表测量互动变阻器的接入电阻的阻值，结合周期变化，找出两者之间的联系，是否为正相关的关系。如果调节过程中，未能发现信号周期变化，可能是滑动变阻器接错了，或者是相关元件在焊接过程中已损坏，此时应该用万用表检查电路，或更换元器件。(2) 控制模块调试将信号发生模块的输出端与控制模块中的74ls160的2脚相连，用万用表量程为20V的挡位，分别检测四个控制信号输出端。上电时，测量控制自然数显示的端口的电压值，观察其是否为高电平而其它端口均为低电平，并且经过一段时间（一个74LS160计数周期）后，该端口变为低电平，而控制奇数显示的端口为高电平，且其它端口均为低电平，一个74LS160计数周期后，该端口为低，控制偶数显示的端口为高且其它端口均为低电平。如此规律，一个74LS160计数周期后，控制音乐符号序列显示的端口为高电平，其余三个端口为低电平。4个74LS160芯片的计数周期后，又循环为控制自然数显示的端口为高电平并按照规律依次变化。如果检测中有一个控制信号输出端始终为低电平，则可能是与之相连的逻辑芯片已损坏，可以更换芯片在进行调试。若四个输出端口均为低电平并且不会发生周期性变化，则一定是该模块中的计数器芯片U9为能正常工作，这可能是U9或U10损坏，可以更换芯片后再进行调试。并且改变时钟信号的周期时，四个输出端口输出信号的变化周期也将随之改变。(3) 显示模块调试将控制模块的四个控制信号输出端分别与显示模块的四个74ls160的1脚相连。四个74ls160的2脚均与信号发生模块的输出端相连，用万用表检测连接是否正确，检差无误后将系统的正负极分别与电源相接。观察数码管显示情况。若有一个或多个显示端未能正常显示，则说明该端口中的芯片出现损坏，若是出现不完整显示，则是74ls160芯片出现损坏。若是显示乱码，则是74ls48译码芯片出现损坏。出现这些情况时，要更换芯片再进行调试。当调节信号发生模块中的滑动变阻器，观察数码管显示周期的变化，并选择最佳显示周期。(4) 测试结果分析在测试时，出现的与仿真不一样的地方在上电时，自然数数列显示端从4开始计数到9，然后奇数显示，偶数显示，音乐符号序列显示，接着进入下一个循环，此时，自然数显示端能正常的显示0-9，此后能正常的依次循环显示这四组数列。出现这种问题的可能是在上电的第一个周期内，自然数列显示端不能正常复位，但从74LS160芯片的各引脚的功能分析，将四个输入端均接地线，可以令计数器从0000开始计数，即可以复位。实验结果与理论产生差错，故在实际电路中应加一个复位端，使其能正常复位。七、实验实物图八、实验总结本次课程设计，经过选择课题，查找资料，设计电路，实验仿真，电路检测与调试等一系列过程，最终完成了设计要求，在这个过程中，对相关的知识点有了更清晰的认识。从选题到仿真成功这个过程中，一直坚信一定能成功的完成设计。但是到了实际连接电路时，由于芯片引脚排列和仿真不一样，而且多了VCC和GND这两个管脚，而且门电路都是几个集成在一块芯片上的，这样一来，实际连线与仿真图中的排列就不一样了，需要自己进行合理的布局。由于布线的不合理，造成版面导线纵横，这样不仅影响美观，而且容易产生由导线折断而产生错误，而往往这种错误比较难找到出错点，会给实验带来很多麻烦。所以合理的布局很重要，而且导线连接尽量使用插线，那样既连接方便，断开时也比较好找并能较快的修正。在调试时，控制端的74LS160不太稳定，第一块不能正常的向第二块进位，从而导致整个控制端不能工作，这也