电子技术课程设计---彩灯控制器.doc

模拟、数字电子技术 课程设计说明书题目： 彩灯控制器 学生姓名： 孙 柳 学 号： 200606090104 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 电子科学与技术064 13目 录 1选题背景 1 11 设计要求 1 12 指导思想 12方案论证 1 21 方案说明 1 22 方案原理 13电路的设计与分析 2 31 电路的总体设计 2 32 电路的原理框图 3 33 单元电路的设计与分析 3 331 多谐震荡电路的设计与分析3 332 译码显示电路的设计与分析4 333 计数电路的设计与分析74电路的调试与分析 8 41 调试使用的仪器8 42 电路的调试 85总结 9 51 设计体会 952 改进意见 9附录1元器件清单 10附录2电路的仿真原理图 11附录3 电路的原理图 12参考文献 1 选题背景1.1 设计要求 (a) 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。 （b）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。1.2 指导思想本设计将采用几个基本的数字集成的74系列（74LS48,74LS153,555）芯片来完成所需要的数字逻辑显示功能（在七段数码管上按规律显示特定的数字）。本设计具有逻辑清晰、设计巧妙的特点，能很好的符合课程设计的要求。每逢节日晚上都能看到街道旁都挂起五彩缤纷彩灯，给人一种节日的气氛。然而，彩灯作为我们生活中的一部分，我们既要知道其然，还要知其之所以然。因此，我们有必要去研究彩灯的工作原理。2 方案论证21 方案说明该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已，因此我们这个方案采用一个最简易的方案：一个74LS160一个74LS161和两个 74LS153，一个555作脉冲产生之用，一片74LS48译码，一个七段数码管作显示。 2.2 方案原理首先，用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生09的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。74LS160每循环09一次就会产生进位输出为74LS161提供一个脉冲，使其计数一次，74LS161在此处做为一个四进制的计数器。在脉冲作用下，74LS161的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经74LS48译码最终使数码管按要求依次显示出数字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。经以上的论证我们可知，这个方案在理论上分析是完全可行的，经我们仿真之后验证，此方案是完全可行的。3 电路的设计与分析31电路的总体设计由设计要求依次显示自然数列1、2、3、4、5、6、7、8、9.奇数列1、3、5、7、9.偶数列0、2、4、6、8.音乐数列1、2、3、4、5、6、7、0、1.列出下列关系：自然数列 奇数列 偶数列 音乐数列00000001 0000 00000001 0011 001000010010 0101 0100 0010 0011 0111 0110 00110100 1001 1000 01000101 01010110 01100111 01111000 00001001 0001通过上面的数列可发现如下规律：奇数列最末位都为1；偶数列最末位都为0,音乐数列的最高位都为0.因此该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已。用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生09的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。74LS160每循环09一次就会产生进位输出为74LS161提供一个脉冲，使其计数一次，74LS161在此处做为一个四进制的计数器。在脉冲作用下，74LS161的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经74LS48译码最终使数码管按要求依次显示出数字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。 3.2 电路的原理框图555脉冲电路计数器计数器数据选择器数据选择器译码电路数码管33元电路的设计与分析3.3.1多谐震荡电路的设计与分析555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0电平。555定时器主要是与电阻电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放电开关管的通断，可构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生电路。图3-1 自激多谐振荡器电路和波形图时钟信号的产生方式很多，本电路设计使用555定时器，555定种双极型中规模集成电路，只要在外部配上几个适当的阻容。元件和适当的电路连接，就可构成多谐振荡器。该器件的电源电压为4.5V-18V，驱动电流也较大，并能提供与ttl, MOS电路相兼容的逻辑电平。555定时器可以构成多谐振荡器。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号图3-1所示为自激多谐振荡器电路和波形图。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。脉冲宽度计算公式：Tw0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式：T0.7 (R1+RW+2R2) C经过计算可知R1 为 720k ， R2为360 k。332 译码显示电路的设计与分析 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。该设计中选用的是七段数码管如图3-2所示，为共阴极的 ，用7448译码驱动器进行驱动，当电路开始正常工作后在该数码管上就会按设计要求依次显示数字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。 3-2 半导体数码管 计数器用来产生十进制计数，其输出端信号加到译码器输入端，经译码后可以在输出端产生所需的控制信号。本电路计数器译码器采用74LS48，译码驱动电路如图3-4。它们分别为可预置4位二进制同步可逆计数器和八选一数据选择器。电路的工作原理是不规则时钟脉冲信号加到计数器74LS160的计数向上引脚，计数器控自然忘序递增计数，其输出端Qd,Qc,Qa,Qb按自然忘序递增到1000时，由于清除和Qd相连接当Qd为1时计数器清等然后又重复递增计数，不断循环进行。而计数器的输出瑞Qc,Qb,Qa接到74LS153的输入端，在Qc，Qb，Qa的作用下价它们的每一种组合方式对应于输出端的一个引脚状态.在任意时刻只有一个端口为高电平其余喘口全为低电平.而且这种变化同样是按照自然递增的顺序循环进行。根据这种结果，可以把每一路输出用以控制半导体数码管从而可以达到循环显示数字的目的。7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 7448的LRBI、BI/RBO,简要说明如下： 灭灯输入BI/RBO ： BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。 试灯输入LT ： 当LT0时，BI/RBO是输出端，且RBO1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查74IS48本身及显示器的好坏。 当LT1，RBI0且输入代码DCBA0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。 BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT1且RBI0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。 从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。 图3-3 74IS48的引脚图 图 3-4 译码驱动电路333 计数电路的设计与分析 该设计用到了74LS160和74LS161两个计数器，其中74LS160用来产生09的十进制数作为数据选择器的输入，74LS161的输出低两位作为数据选择器的地址选择其实是将其作为了一个四进制的计数器，循环产生00、01、10、11进而控制了数据选择器的输出，终使数码管按要求产生循环数列。下面是最74LS160的介绍：异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。 160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。 160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。 当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。 当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。对于74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。 74LS160外部管脚图 如图3-5所示： 3-5 74LS160外部管脚图160外部管脚 引出端符号： TC进位输出端 CEP 计数控制端 Q0-Q3 输出端 CET 计数控制端 CP时钟输入端（上升沿有效） /MR异步清除输入端（低电平有效） /PE同步并行输入置数端（低电平有效） 74LS160内部电路图如图3-6所示： 3-6 74LS160内部电路图4. 电路的调试与分析41 调试使用的仪器在电路的调试过成中用到的仪器：5V的直流电源、万用表。42 电路的调试 在电路的调试过程中出现了很多的问题,最开始接通电源后发现，数码管只显示“8”，不显示其它数字。经查阅资料发现是译码显示电路连接错误，误把7448和数码管间接入了1K的上拉电阻，应该在7448和数码管间接入200欧姆的保护电阻。经过修改数码管可以显示不同数字但是毫无规律,不符合设计要求。用万用表检测到有一根导线发生了短路，将其重新焊接后，数码管只可以循环显示自然数列09仍然不符合设计要求。用万用表对电路进行检测，发现仍有一处短路，经重新焊接后，接通电源后数码管可以按要求依次循环显示出数字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。5. 总结51 设计体会通过该次课程设计，我感触很深，以前的其他课程设计只是要求理论设计，而这次不仅要设计出原理图还要做出实