数字逻辑设计——双色顺序闪光灯

1、计算机学院数字系统课程设计目录第一章 系统概论11.1 系统开发背景11.2 系统研究内容与要求11.2.1 项目研究的内容21.2.2 项目研究的要求21.3 系统研究目的和范围21.3.1 项目研究的目的21.3.2 项目研究的范围21.4 系统的实用价值以及意义3第二章 设计依据42.1 系统的理论依据来源和实验设备条件42.2 设计总体方案42.2.1 双色顺序闪光灯电路系统的组成框架42.2.2 设计原理52.3 系统所要解决的主要问题5第三章 单元电路设计与分析73.1 矩形波发生电路的设计及其原理分析73.2 计数电路的设计83.3 译码电路的设计12第四章 EWB双色顺序闪光灯

2、仿真结果154.1 EWB双色顺序闪光灯基本功能仿真结果154.2 EWB双色顺序闪光灯扩展功能仿真结果154.3 EWB双色顺序闪光灯整体仿真结果15结束语17附录1921第一章 系统概述1.1 系统开发背景随着电子技术的不断发展，模拟电子技术的缺点和局限性越发明显，模拟电子技术的不稳定性、易干扰性等大大限制了其应用，且有阻碍电子技术发展的趋势。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。目前，越来越多的提到数字化，数字化家电，数字化仪器等等，就连食堂里也装上了数字电视。说明数字电路确实有比模拟电路有优势的地方。数字电路与模拟电路相比有显而易见的

3、稳定性，并且功耗明显低于模拟电路。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的绝对地位。伴随着电子设计自动化技术的普及，集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，对于当代的大学生，利用EDA技术进行数字电路课程设计，不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，从而激发学生的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率。因此，将EDA技术应用于数字电路课程设计必将成为今后数字电路实验课程改革的新动向。EDA软件，可方

4、便地在计算机上进行电路设计、仿真，其电路结构及设计观念可以很容易地被修正；也可方便地更换所需要的元件。通过模拟可快速地反映出所设计电路的性能。若能利用计算机辅助设计进行电路模拟与分析，则可有效地节约资源、缩短产品研发的成本与时间。1.2 系统研究内容和要求1.2.1 项目研究的内容本项目的名称为双色顺序闪光灯，所要设计项目的内容如下： 设计一个双色顺序闪光灯电路，使其在脉冲作用下，双色小灯泡的红色点亮，形成红色流水灯序。然后，绿色小灯泡依次点亮，形成绿色光序 ，在时钟脉冲的不断作用下，两色发光带不断流动。1.2.2 项目研究的要求要求发光灯泡的流动速率可调，彩灯的流速以人眼看清为准。1.3 系

5、统研究目的和范围1.3.1 项目研究的目的通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：1、掌握数字逻辑电路分析和设计的基本方法l 根据设计任务和指标，初选电路；l 通过调查研究、设计计算，确定电路方案；l 选测元器件，安装（仿真）电路，独立进行试验，并通过调试改进方案；l 分析课程设计结果，写出设计总结报告。2、培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力l 学会自己分析、找出解决问题的方法；l 对设计中遇到的问题，能独立思考，查阅资料，寻找答案；l 掌握一些测试电路的基本方法，课程设计中出现一般故障，能通过“分析、 观察、判断、试验、再判断”的基本方法独立解决；l 能对课程设计结果进行分

6、析和评价。3、掌握安装、布线、调试等基本技能l 掌握常用的仿真软件，并能够利用仿真软件进行一定的电路调试、改进；l 掌握数字电路布线、调试的基本技巧；l 巩固常用仪器的正确使用方法。4、培养学生的实践能力l 通过严格的科学训练和工程设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。1.3.2 项目研究的范围 数字系统课程设计是一门独立设课的实践性教学环节，同“数字逻辑与数字系统”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的作用，也是在“数字逻辑与数字系统”课的基础上，进一步深化的实践环节。本项目的基本任务是设计一个小型数字电

7、子系统。要求在EWB （Electronics Workbench以下简称EWB）仿真软件上对数字电路进行仿真。该模拟环境涉及到：完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和直流分析等常规电路的分析；此外，还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计14种电路分析方法，并具有故障模拟和数据储存等功能。本实验是基于EWB5.12版本的设计性实验。通过人机对话的方式，能使我们每个人都能亲自动手搭接电路，进行元件接线，参数设定。边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对照。通过EWB软件的"Componen

8、t Properties"(元件属性)可随时调整和修改元器件参数，分析各元件参数对电路的作用与影响。在这样的实验中，把实践与理论知识有机的结合起来，一方面加深对理论知识的理解，另一方面理论知识反作用于实际动手能力，二者是相辅相成，共同发展的。1.4 系统的实用价值以及意义双色顺序闪光灯其装置采用了双色发光小灯泡，形成了红、绿依次交替流水闪光，颇为美观；并且该灯电路设计新颖，结构简单，成本低廉，趣味性强，可用在宾馆、酒楼作广告灯，也可适用作节日彩灯。第二章 设计依据2.1 系统的理论依据来源和实验设备条件本系统研究的理论依据主要是来自于“数字逻辑与数字系统”的理论知识，依靠组合逻辑电路

9、与时序逻辑电路的基本知识来实现。实验设计是基于EWB仿真软件实现的，其中涉及到的实验器材见下表：表2-1 实验器材表实验器材名称实验器材功能简介使用数量74LS290芯片二五十进制异步加法计数器2片4028芯片二十进制译码器2片NE555定时器产生矩形脉冲波1个四位七段码显示管显示记数2个彩色灯泡发出红、绿光20个2.2 设计总体方案2.2.1 双色顺序闪光灯电路系统的组成框架双色顺序闪光灯的设计总体方案框图(如图2-1所示)，由555定时器、两个二五十进制计数器、两个二十进制译码器、两个七段码显示器和20个小灯泡组成。555定时器产生所需脉冲。脉冲发生器十进制计数器二进制计数十进制译码器器十

10、进制译码器器红色小灯泡绿色小灯泡图2.1 电路系统组成框架2.2.2 设计原理 双色顺序闪光灯电路由脉冲发生器、计数器、译码器等元器件组成。其中：1、脉冲发生器产生实验所需的可变频率的矩形波；并将其输出信号传递给十进制计数器，驱动计数器开始计数；2、二五十进制异步加法计数器分别使用了其十进制功能和二进制功能，借助芯片的级联，实现二十进制的异步加法计数器；3、值得说明的是，二进制加法计数器还有另一重要的角色：数据选择器，通过其输出端0、1（有七段码显示管可以看出）的控制进一步控制译码器的使能端，实现了两个译码器交替工作的功能；4、译码器十个输出端与十个发光小灯泡相连，在电平信号为1（高电平）的情

11、况下正常发光，电平信号为0（低电平）的情况下熄灭，实现流水线的效果。2.3 系统所要解决的主要问题在本系统设计的过程中所要解决的主要问题如下：1、数字信号的产生与控制 有关实验中所需的矩形波信号的产生，这里应用了555定时器。它是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。本实验中，通过改变555定时器的外接电阻、电容，即可改变其振荡周期和振荡频率，从而控制脉冲信号的频率，实现了控制发光小灯泡流动速率的目的。2、芯片之间的级联关系。使用N进制计数器实现记数大于N的记数功能：记数脉冲接到N进制计数器的时钟输入端，N进制计数器的

12、输出端接到M进制计数器的时钟输入端，两个计数器一起构成N×M进制计数器。在本实验中，74290本身就是典型一例，它是由一个二进制计数器和一个五进制计数器一起构成（2×5=10）的十进制计数器。而本设计中分别使用了其二进制功能和十进制的功能，同时使用了两片74290级联的办法来实现二十进制的要求。3、译码器的使用译码器将编码时赋予代码的含义“翻译”过来，其输入和数出有唯一对应关系。本实验中采用的4028芯片即是一个输入为BCD码的二十进制译码器，它的输出是一组高、低电平信号。通过控制译码器的输出，可以控制小灯泡亮灭。 4、实验中用红绿灯代发光二极管 最初的实验题目要是实现发光

13、二极管的红绿顺序闪光，而在EWB模拟器上的发光二极管只能发出黑光，不会发出红绿光，为使模拟效果更加明显，故选择红绿发光小灯泡代替发光二极管。第三章 单元电路设计与分析3.1 矩形波发生电路的设计及其原理分析矩形波发生器可产生准确的不同频率的脉冲信号脉冲信号，它是由555定时器构成的多谐振荡器，调整电阻可改变频率，使之产生不同频率的矩形波信号。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图如图3.1 所示。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 定时器的功能主要是由两个比较器决定。两个比

14、较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态，实现了对外接电容的充、放电过程。图3.1 555定时器内部功能框图 实验中555定时器的输出端（3端口）与十进制计数器的脉冲输入端相连（见图3.2），它工作的基本原理是，当接通电源时，由于电容两端的电压不能突变，定时器的2端为低电平，输出端3端为高电平(内部结构决定)。电源经过R1、R2给电容充电，当电容电压充到电源电压的2/3时，555内部MOS管导通，输出为低电平。电容通过R1、R2和MOS管放电，当电容两端的电压下降到低于1/3电源电压时，MOS管截止，电容放电停止，电源通过R1、R2再次向电容充电，如此反复形成振荡。输出信号的振荡参数为：

15、         周期 T=0.7 C(R1+2R2) ；           频率 f=1/T=1.44/(R1+2R2)C；          占空比 D=( R1+R2 )/( R1+2R2)；通过改变电阻R1和R2阻值可以改变其输出的矩形波的

16、频率。注意：555电路要求R1与R2 均应大于或等于1k ，使R1+R2 应小于或等于3.3M VccR2R1C1图3.2 矩形波输出电路3.2 计数电路的设计计数电路是由两片74LS290二五十进制异步加法计数器级联构成。74LS290的逻辑图如图3.3所示，其功能表见表3-2。它包含一个独立的1位二进制计数器和一个独立的异步五进制计数器。二进制计数器的时钟输入端为CP1，输出端为Q0；五进制计数器的时钟输入端为CP2，输出端为Q1、Q2、Q3。如果将Q0与CP2相连，CP1作时钟脉冲输入端，Q0Q3作输出端，则为8421BCD码十进制计数器。图3.3 二五十进

17、制异步加法计数器74LS290图3.4 74LS290芯片引脚图表3-1 74LS290 芯片功能表复位输入置位输入时钟计数脉冲输出R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)CPCLKA CLKBQDQCQBQA1 10XXX X000011X0XX X00000X11XX X1001X011XX X10010X0XCP 0二进制计数0XX00 CP五进制计数X00XCP QA8421码十进制计数X0X0QD CP5421码十进制计数其中R0(1)、R0(2)为复位输入端，R9(1)、R9(2)为置位输入端，CLKA、CLKB为脉冲输入端，QaQbQcQd为输出端，VCC接电源，GND为接地端，

18、NC为空脚。异步清零：当复位输入端R0(1)= R0(2)=1，且置位输入R9(1)或R9(2)为零时，不论有无时钟脉冲CP，计数器输出将被直接置零。异步置数：当置位输入R9(1)= R9(2)时，无论其它输入状态如何，计数器输出将直接置9（即QdQcQbQa=1001）。计数:当R0(1)或R0(2)为0，且R9(1)或R9(2)为0时，在计数脉冲（下降）作用下，进行计数，计数可以分为以下几个部分：1、实现二进制计数接法为R9(1)和R9(2)中至少一个输入0，R0(1)和R0(2)中至少一个输入0，计数脉冲从CP0输入。输出为QA (0或1)，在这种应用中，输入端CP1和输出端QD、QC、

19、QB无用。2、实现五进制计数     接法为R9(1)和R9(2)中至少一个输入0，R0(1)和R0(2)中至少一个输入0，计数脉冲从 CP1输入，这样就可实现异步自然态序五进制加计数，并有自启动能力。输出自高至低位为：QD、QC、QB。在这种应用下，输入端CP0和输出端QA无用。3、实现8421码十进制计数      接法为R9(1)和R9(2)中至少一个输入0，R0(1)和R0(2)中至少一个输入0；计数脉冲从CP0输入，下降沿触发，实现模2计数(M1=2)，从QA输出；将QA连至CP1，于是由QD、QC、QB

20、构成的计数器实现对QA (下降沿从10)的自然态序模5计数(M2=5)。这一级联的结果，使所构成的异步计数器总的模M=M1×M2=10。在本设计中使用了两片74LS290芯片，低位片实现了十进制计数功能（CLKA端与555定时器的输出端相连，CLKA端与自身的QA端相连）；高位片实现二进制计数器的功能（CLKA端由低位片的输出端QA、QD控制，当低位片输出为1001时有效，CLKB端接地），两片级联实现乘法运算10×2=20的计数功能，详情参见图3.5；图3.5 74LS290芯片级联图对于高位74LS290计数芯片还有担任了另外一个角色：数据选择器。该芯片在此处实现的是二

21、进制计数器的功能，其输出为0或1(高电平或低电平)。通过高位片输出端QA(0或1)的控制可以选择译码器(高电平有效)的工作状况，具体连线情况(图中加粗的连线)见图3.6；图3.6 74LS290芯片级联图 在上图中，我们可以通过发光二极管观察到两个4028译码芯片的工作情况：图中的4028芯片实现的均是十进制的译码功能。通过高位的74LS290输出端的控制，实现了两个译码器交替工作的功能，当高位74LS290输出为0时，经过非门的作用，上方的4028芯片开始工作，下方的译码芯片停止工作；反之，则上方的译码器停止工作，下方的译码器开始正常译码。3.3 译码电路的设计 译码器（Decoder）是将

22、表示一个确定信号或对象的代码“翻译”出来，变换成对应的输出信号或另一种代码的逻辑电路。本设计中使用的是4028二十进制译码器。 二十进制译码器也就是码制变换译码器，它是将BCD码译成十个独立输出的高电平或低电平信号，并且只允许在一个输入端的信号有效。4028译码器是常用的4线-10线BCD译码器，其引脚图见图3.7，它的输入为四位二进制数码，输出为十个独立的信号线0-9。该芯片常与发光二极管连接，用二极管是否发光来显示BCD数据；在本设计中它与发光小灯泡相连，通过其译码功能是不同时刻不同的小灯泡发光。图3.7 4028译码器引脚图表3-2 74LS290 芯片功能表（伪代码） 通过4028的功

23、能表我们可以看出它是是BCD十进制或二进制译码器，加至四个输入端口A0A3的一个BCD码在10个十进制译码器输出十个相应的时序脉冲,输出为高电平有效。设计中整个译码器部分的电路如图3.8所示，通过译码器的十个输出端与相应数目的发光小灯泡相连，实现了灯泡以此发光的效果，即流水线的效果。 图3.8 4028译码器工作图第四章 EWB双色顺序闪光灯仿真结果4.1 EWB双色顺序闪光灯基本功能仿真结果 首先，由555定时器输出稳定的矩形波脉冲信号，计数电路将555定时器产生的脉冲信号作为输入信号，进行计数；同时将计数结果输出至译码器，通过译码器的“翻译”功能，控制小灯泡的亮灭。其次，当计数器计数到达2

24、0的时候，在下一个脉冲到来的的时候异步清零，如此周而复始，实现循环计数，继而完成双色顺序闪光灯基本功能仿真结果。4.2 EWB双色顺序闪光灯扩展功能仿真结果 通过调整矩形波发生电路电阻R1和R2阻值可以改变其输出的矩形波的频率，实现双色顺序闪光灯流速的控制。4.3 EWB双色顺序闪光灯整体仿真结果使用EWB将各模块连接成完整的电路,实现了双色顺序闪光灯的基本功能和扩展功能，完成EWB仿真双色顺序闪光灯。使用EWB仿真的双色顺序闪光灯，如图4.1所示：图4.1 双色顺序闪光灯总体电路图结束语 此次的课程设计同“数字逻辑与数字系统”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的作用，也是在“数字逻辑

25、与数字系统”课的基础上，进一步深化的实践环节。通过一周的实践，我系统的掌握了我们所学的知识，系统的学习了EDA软件，并且得以应用。由于是第一次利用计算机的电子设计自动化软件 Electronics Workbench(虚拟电子工作台-EWB) 在计算机上进行基础验证模拟仿真实验，刚开始时基本上不会进行线路的连接以及器件的查找，看了从图书馆借来的书之后才慢慢地学会了使用它，并对EWB的使用有了一的了解：EWB（Electronic Workbench),”虚拟电子工作台是专门用于电子线路仿真的EDA软件。可以将不同类型的电路组合成混合电路，尤其是对数字电路进行仿真。在此次设计开始时，基于所学数字电路知识的局限性，在选择元器件方面有所困难，开始无从下手应该确定使用何种元件。但最终经过查找资料等过程确定了元件，从而确定了总电路图。本系统虽然已经实现了设计要求，但其中仍有一些问题和不足之处：1、有关矩形波的产生控制，理论值与实际仍然存在一定得误差，致使555定时器的输出频率产生偏差；2、实验器件之间可以相互影响，比如有关延时的问题，这是人为无法控制的。3