彩灯循环显示控制电路设计

1、武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书题目:彩灯循环显示控制电路设计初始条件：数字电子技术基础知识、电子技术实验室彩灯循环显示控制电路设计要求：用 74LS194, 74LS153 74LS04, CC40161要求完成的主要任务：彩灯循环显示控制电路设计设计功能为：(1) 、以LED数码管作为控制器的显示元件，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)，然后由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

2、。(2) 、打开电源时，控制器可自动活零。(3) 、每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s到2s范围内连续可调设计报告的具体内容：1、原理电路的设计这部分内容应包括以下几个部分(1) 、你考虑过哪些方案，分别画出框图，说明原理和优缺点。经过比较后，你选择了 哪个方案。(2) 、单元电路的设计和元器件的选择。(3) 、画出完整的电路图和必要的波形图，并说明主要的工作原理。(4) 、计算出个元件的主要参数、并表在电路图中恰当的位置2、在安装调试中遇到那些问题，是怎样解决的？(或者仿真结果及分析)3、整理好性能测试数据，并分析是否满足要求。4、有那些收获、体会和建议5、元器件活单6、主

3、要参考文献资料摘要 21设计要求 错误！未定义书签2原件功能介绍42.1 555定时器介绍 42.2 CC40161四进制计数器简介 62.3 74HC139/74HC138 介绍 73系统方案的选择和论证93.1方案一系统总框图 93.2三十进制循环电路 93.3循环数字设置电路 103.4 555 定时器设定数字显示时间 113.5自动活零电路 123.6备选方案二 124仿真与测试 错误！未定义书签。4.1 555定时器电路仿真 错误！未定义书签。4.2方案一彩灯循环电路仿真图 144.3方案二彩灯循环电路仿真图 155仿真分析报告 165.1仿真结果 165.2错误分析 176心得体会

4、 错误！未定义书签。19207参考文献.附件摘要本系统利用芯片74LS138, 555, CC40161 74LS194,与门，与非门对指定的输入信号 01234567891357902468012345670供30位数字进行循环输出，并且打开电源时，控制器 可自动活零，每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在0.5s到2s范围内连续可调，要求：以LED数码管作为控制器的显示元件， 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），然后由

5、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。打开电源时，控制器可自动活零。每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在0.5s到2s范围内连续可调，关键字：循环 彩灯 自动活零201设计要求彩灯循环显示控制电路设计设计功能为：(1) 、以LED数码管作为控制器的显示元件，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)，然后由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。(2) 、

6、打开电源时，控制器可自动活零。(3) 、每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在0.5s到2s范围内连续设计报告的具体内容：1、原理电路的设计这部分内容应包括以下几个部分(1) 、你考虑过哪些方案，分别画出框图，说明原理和优缺点。经过比较后，你选择了 哪个方案。(2) 、单元电路的设计和元器件的选择。(3) 、画出完整的电路图和必要的波形图，并说明主要的工作原理。(4) 、计算出个元件的主要参数、并表在电路图中恰当的位置2、在安装调试中遇到那些问题，是怎样解决的？(或者仿真结果及分析)3、整理好性能测试数据，并分析是否满足要求。4、有那些收获、体会和建议2元件功能介绍2.1 555定时器介绍

7、图1 555定时器内部结构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丁仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和

8、外引脚排列图分别如图2.9.1 和图2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值申联电阻，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 /3555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的电压小丁 VCC/3，贝U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的电压大丁 2VCC/3，同时TR端的电压大

9、丁 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定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA比较器C1和C2的参考电压分别为 UA和UB,根据C1和C2的另一个输入端一一触发 输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发图2 555构成多谐振荡器器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平*。555的应用：(1) 构成施密特触发器，用丁 TTL系统的接口，整形电路

10、或脉冲鉴幅等；(2) 构成多谐振荡器，组成信号产生电路；振荡周期： T=0.7 ( R1+2R2 C(3) 构成单稳态触发器，用丁定时延时整形及一些定时开关中。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路, 如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、 音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。2.2 CC40161四位二进制计数器介绍40161是模24（四位二进制）同步计数器，具有计数、保持、 预置、活0功能，其逻辑 电路及传统逻辑符号分别如图 7-3（a）、（b）所示。它由四个JK触发器和一些控制门组成， QD

11、QC、QB QA是计数输出，QD为最高位。74LS161与74161内部电路不同，但外部引OC为进位输出端，OC=QDQCQBQAT当T=1且计数状态为1111时，OCt变高，并产生 进位信号。CPCr为异步活0端，低电平有效，只要 Cr=0,立即有QDQCQBQA=0000 CPLD为同步预置端，低电平有效，当 Cr=1, LD=Q在CP上升沿来到时，才能将预置输入端 C、B、A的数据送至输出端，即 QDQCQBQA=DCBAP 、T为计数器允许控制端，高电平有效，只有当 Cr=LD=1, PT=1,在CP作用下 计数器才能正常计数。当P、T中有一个为低时，各触发器的J、K端均为0,从而使计

12、数 器处丁保持状态。P、T的区别是T影响进位输出OC而P则不影响OC输入输出CPCr LD P TD C B AQrj Q：Qb QaX0XXXXXX X0000f10X Xdcbadcbat1111XXXX计数X1101XXXX保持X11X0XXXX!保持图3 CC40161四位二进制计数器真值表2.3 74HC139和74HC138译码器介绍74HC139（双2-4译码器）本器件是高速硅栅CMO部码器，适用丁存储器地址译码或数据选通应用。 它具有标准CMOS 集成电路的低功耗和高噪声容限特性和 LSTTL的工作速度。对74H成件，译码器的输出端能驱动10个LSTTL负载，74HC13&qu

13、ot;功能和外引线排列方 面均与LS139相同。74HC139包括两个独立的四选一译码器。每个译码器有一个低电平有效的使能输入端（G1或G2。根据选择输入端（A1、B1或A2、B2）的数据，四个正常为高电平的输出端中有一 个变为低电平'。74HC138 3-8 译码器74HC139K 值表（注：H为高电平，L为低电平，X为任意状态）输入输出GBAY0Y1Y2Y3HXXHHHHLLLLHHHLLHHLHHLHLHHLHLHHHHHL图4 74HC139真值表138为3线8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：当一个选通端（GG为

14、高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B） 为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输 出端以低电平译出图5 74HC138 3-8译码器。利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，138还 可作数据分配器。输 入输 出对a&4L &L与L L0X XXX1111iiiiX1XXX1111iiii100000111iiii1000110 11iiii10Q101101till100111110iiii1010011110111101Q1111110 1

15、1101101111110 11011111111110图6 74HC138 3-8译码器真值表3系统方案的选择和论证3.1方案一系统总框图图7方案一总电路方案一电路分为三十进制循环电路，5线-32线译码电路，与非门电路，LED数码管 显示电路。3.2二十进制循环电路要循环输出自然数 0123456789奇数13579偶数024680乐符123456701共30个数字, 所以电路开始需要一个30进制的计数器，运用161二进制四输出计数器的连接使其成为 30进制5输出的计数器，如下图所示：coW*Q4 MPETEP1MP474FL63A图8三十进制循环电路3.3 5 线-32线译码器图9 5线-

16、32线译码电路将2线-4线的74HC13内四片3线-5线的74HC13瞅照上图的链接方式是其成为一个 5线-32线的译码器此电路是由555定时器组成的555多谐振荡电路，通过改变R1的大小改变电容C1的充电 时间从而改变整个输出方波的周期频率，用此电路代替一般的信号发生器可以起到改变信 号输出频率的作用。3.5自动清零电路图11为一种电自动复位电路，它利用电容两端电压 不能突变的原理，在上电之处将复位信号保持在低电平， 将系统预置为初始状态。随着电源 V1通过电阻R1对电 容C1充电，使C两端电压逐渐升高，经过一段时间之后， 输出信号才跨越逻辑闸值转变为高电平，使系统脱离复 位状态而进入正常工

17、作状态。图ii自动清零电路3.6备选方案二备选方案二中的555定时器设定数字显示时间电路和 三十进制循环电路跟上一个方案 一样，不同之处在丁如何使显示器显示30个循环数字：根据30进制的五个输出端设为EDCB时及将和显示器相连的四个输出端设为 L1, L2, L3, L4,分别列出L1, L2, L3, L4与ABCD巴问的卡诺图，从而写出 L1, L2, L3, L4的 逻辑表达式，表达式如下：L1 = A D E+B D E+C D E+ AB D E+ ABC E +ACDE+B C DE+ A B DE+ AB C DL2=A B D+ABD+ACD+B C DE+A B C E +

18、ABC D EL3= A B C+ AC D +AB C D +A C D E+ABD+A C DEL4= AB C D +BCD E +A B C DE方案二比较容易想到，但是 L1, L2,L3,L4与A, B, C, D, E的逻辑表达式太过复杂, 而且没有合适的与门，所以需要自己重组门电路，使得该电路的线路更加复杂，所以最后 选择了相对来说过较为简单的方案一电路，是电路的线路得到简化。-A一A图12方案二总电路4仿真与测试：4.1 555定时器设定数字显示时间：仿真电路图图13 555定时器多谐振荡电路仿真通过调节R3可改变波形的周期。用此555多谐振荡电路作为信号发生器使周期在0.5

19、S2S之间，从而使数字显示间隔在规定范围内。4.2方案一彩灯循环电路 Multisim7仿真图：图14方案一彩灯循环电路仿真图4.3方案二彩灯循环电路Multisim7仿真图& twat*i-图15方案二彩灯循环电路仿真图以LED数码管作为控制器的显示元件，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），然后由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仿真分析报告5.1仿真结果时间18.441 s19.992 s1 5S1 S通道S.000 VS.000 V0.000 V相辰IT1口坦T2-T1时基通道A通道B触发刻度1 sroiv刻度s vm刻度|5 VOiv沿 顷JlX位置 oY位置|0Y位置0水平 0|YH Add 日/Aajb AC D | |dc"m| u.厂内无I自萌日保存IGND图16 555多谐振荡电路仿真波形图此电路按图调试的周期为1.551s符合设计要求，调节R3可改变波形的周期，此555多谐振荡电路作为信号发生器使周期在