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2018-7-14 21:48 上傳

名 稱        數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)題目循環(huán)彩燈控制電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：

一、設(shè)計(jì)說(shuō)明與技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)循環(huán)顯示的彩燈控制電路，技術(shù)指標(biāo)如下：

1．有十只LED燈，L0……L9

2．顯示方式：

① 上電后，首先全亮，停留n秒后奇數(shù)燈依次滅 ；

② 再偶數(shù)燈依次滅；   

③ 間隔n秒后，再次所有的燈全亮，然后由L0到L9依次滅；

④ 再次所有燈全亮，依次循環(huán)。

3．顯示間隔時(shí)間n秒可自定。

二、設(shè)計(jì)要求

1．在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。

2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。

3．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。

三、實(shí)驗(yàn)要求

1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用multisim軟件仿真。

2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

四、推薦參考資料

2、康華光主編．電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第四版）[M]．北京：高等教育出版社， 1999

五、按照要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告

近年來(lái)，隨著人們生活水平的較大提高，人們對(duì)于物質(zhì)生活的要求也在逐漸提高，不光是對(duì)各種各樣的生活電器的需要，也開(kāi)始在環(huán)境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光燈已經(jīng)不能滿足于我們的需要，彩燈的運(yùn)用已經(jīng)遍布于人們的生活中，從歌舞廳到卡拉OK包房，從節(jié)日的祝賀到日常生活中的點(diǎn)綴。這些不緊說(shuō)明了我們對(duì)生活的要求有了質(zhì)的飛躍，也說(shuō)明科技在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中有了較大的發(fā)展。在這一設(shè)計(jì)中我們將涉及有關(guān)彩燈控制器的設(shè)計(jì)，從原理上使我們對(duì)這一設(shè)計(jì)有所了解。將其確實(shí)的與我們相聯(lián)系起來(lái)。

循環(huán)彩燈的電路很多，循環(huán)方式更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈集成電路。絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如，用中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的彩燈控制電路主要用計(jì)數(shù)器，分頻器和移位寄存器等集成。

本次課設(shè)可以用做廣告牌邊框燈光設(shè)計(jì)，如果用條形光柱代替彩燈，還可以作為廣告牌的背景閃爍燈光使用，增強(qiáng)廣告的感染力。

這一種方案是利用了門電路實(shí)現(xiàn)的，自行組裝一個(gè)5線-32位的譯碼器和一個(gè)16進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，用以實(shí)現(xiàn)循環(huán)至少20種狀態(tài)的循環(huán)，10次的奇偶循環(huán)和10次的依次循環(huán)再加上另外的停留的n秒時(shí)間。用該種方案時(shí),首先需要用兩片74ls160芯片或者兩片74ls161芯片連成一個(gè)22進(jìn)制的用異步置零或同步預(yù)置功能的計(jì)數(shù)器,主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和循環(huán)的功能。然后對(duì)應(yīng)22種循環(huán)狀態(tài),設(shè)置10個(gè)輸出,來(lái)對(duì)應(yīng)10個(gè)LED燈,最后運(yùn)用門電路對(duì)0-22種狀態(tài)進(jìn)行10中與非門的編碼。由敘述及實(shí)際的操作可以發(fā)現(xiàn)該種方案雖然思路較簡(jiǎn)單,但在連接電路時(shí)用到的芯片較多,及連接電路時(shí)的復(fù)雜度較高。再加上應(yīng)該考慮到成本的因素。此種方法雖不失為一種普遍且能用于的場(chǎng)合多,適應(yīng)性強(qiáng)的方法,但在本次設(shè)計(jì)中,卻不是一種較為簡(jiǎn)單的方法。方案一的原理框圖如圖1所示。

前面說(shuō)明了方案一的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)而在思路上加以改進(jìn)�？梢栽谟玫�555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的基礎(chǔ)上運(yùn)用移位寄存器。移位寄存器需要兩個(gè),一個(gè)實(shí)現(xiàn)奇偶熄滅,一個(gè)實(shí)現(xiàn)依次熄滅。我們可以用74ls194(是一個(gè)四位的移位寄存器)來(lái)自行組裝一個(gè)十位的1移位寄存器。當(dāng)按奇偶熄滅的移位寄存器工作時(shí),按依次熄滅的移位器要保持輸出高電平,不要進(jìn)行移位滅零輸出。同理,按依次熄滅的移位寄存器工作時(shí),另一個(gè)按奇偶熄滅的移位寄存器要封鎖狀態(tài),不能處于工作狀態(tài)。這樣工作時(shí),兩個(gè)移位寄存器交互依次工作,成互不干擾之狀。移位寄存器的引腳與LED燈的連接如圖2所示。

   圖2  移位寄存器的引腳與LED燈的連接

從上圖可以看出,同樣一個(gè)LED燈由兩個(gè)移位寄存器的不同引腳控制,而這兩個(gè)引腳應(yīng)用與門連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分別控制。

1.74ls194 芯片各引腳如圖3所示。

圖3  74ls94芯片各引腳圖

寄存器 在數(shù)字電路中，用來(lái)存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為寄存器。

寄存器是由具有存儲(chǔ)功能的觸發(fā)器組合起來(lái)構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼，存放N位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個(gè)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。

按功能可分為：基本寄存器和移位寄存器。

移位寄存器移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。

1、74LS194移位寄存器的控制輸入端S1和S0是用來(lái)進(jìn)行移位方向控制的，S0為高電平時(shí)，移位寄存器處于向左移位的工作狀態(tài)，二進(jìn)制數(shù)碼在CP脈沖的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以實(shí)現(xiàn)串行輸入；在S1為低電平時(shí)，移位寄存器處于向右移位的工作狀態(tài)，二進(jìn)制數(shù)碼在CP脈沖的控制下逐位移出寄存器(低位在前，高位在后)。

2、在串行輸入、并行輸出的轉(zhuǎn)換中，若將四位二進(jìn)制數(shù)碼全部送入寄存器內(nèi)（四位寄存器）。由于每個(gè)CP脈沖移位寄存器只移一位，四位二進(jìn)制數(shù)碼需要四個(gè)CP脈沖。在上圖中,D(0123),為并行輸入端,Q(0123)為并行輸出端s1和s0,是用來(lái)控制移位寄存器的工作狀態(tài)。當(dāng)s1=s0=0時(shí),保持原有狀態(tài),當(dāng)是s1=s0=1時(shí),保持并行輸入狀態(tài)。

2.555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

圖4  555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

用555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4所示。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器�！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)集成電路555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。需要的芯片有集成電路555定時(shí)器，還有電阻和電容。選擇555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，其中電容C1為100微法，C2為0.01微法，兩個(gè)電阻R1=R2=50歐姆。此時(shí)在電路的輸出端就得到了一個(gè)周期性的矩形波

3.分頻器(實(shí)現(xiàn)不同的波形輸入)

計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中一種用得最多的時(shí)序邏輯部件，他的基本功能是記錄輸入脈沖的個(gè)數(shù)，可用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生順序脈沖和序列碼以及數(shù)值運(yùn)算等。分頻器是加法計(jì)數(shù)器和減法計(jì)數(shù)器的統(tǒng)稱。所謂“分頻”，就是把輸入信號(hào)的頻率變成成倍數(shù)地低于輸入頻率的輸出信號(hào)。分頻是一個(gè)大的概念，它可以用加法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，也可以用減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。但通常人們習(xí)慣于用加法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻。某些文獻(xiàn)資料上所謂用計(jì)數(shù)器的方法做“分頻器”的方法，只是眾多方法中的一種。它的原理是：把輸入的信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，由于計(jì)數(shù)器的輸出端口是按一定規(guī)律輸出脈沖的，所以對(duì)不同的端口輸出的信號(hào)脈沖，就可以看作是對(duì)輸入信號(hào)的幾次分頻的實(shí)現(xiàn)。從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，分頻器本質(zhì)上是由電容器和電感線圈構(gòu)成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)，從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，分頻器本質(zhì)上是由電容器和電感線圈構(gòu)成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。利用單穩(wěn)態(tài)電路的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)分頻的電路，又稱為數(shù)字分頻器。在這種分頻器中，輸入信號(hào)脈沖為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)。若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模為N，則從其進(jìn)位輸出端可獲得N次分頻的脈沖信號(hào)。從各觸發(fā)器輸出端可獲得分頻比小于或等于N的脈沖信號(hào)。偶數(shù)分頻最為簡(jiǎn)單，很容易用模為N的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)50%占空比的時(shí)鐘信號(hào)，即每次計(jì)數(shù)滿N（計(jì)到N-1）時(shí)輸出時(shí)鐘信號(hào)翻轉(zhuǎn)。使用模為2N+1的計(jì)數(shù)器，讓輸出時(shí)鐘在X-1（X在0到2N-1之間）和2N時(shí)各翻轉(zhuǎn)一次，則可得到奇數(shù)分頻器，但是占空比并不是50%（應(yīng)為 X/(2N+1)）.得到占空比為50%的奇數(shù)分頻器的基本思想是：將得到的上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)的奇數(shù)分頻輸出信號(hào)CLK1，和得到的下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)的相同(時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)值相同)奇數(shù)分頻輸出信號(hào)CLK2，最后將CLK1和CLK2相或之后輸出，就可以得到占空比為50%的奇數(shù)分頻器用輸入脈沖控制多諧振蕩器，使它的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)刻與經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期的輸入脈沖相同步，就能輸出整數(shù)分頻比的脈沖信號(hào)。此類分頻器可以在不改變電路結(jié)構(gòu)的情況下借助定時(shí)元件參數(shù)的調(diào)整來(lái)改變分頻比，因而又稱為任意分頻器。

分頻器中,最重要的是保持周期的相對(duì)應(yīng),即clk周期最短,保持較小即可,s0周期分頻保持是clk的20倍,且占空比是50%,s1保持clk的40倍,且占空比是75%。這就是所設(shè)計(jì)的分頻器的主要功能。

在本次課設(shè)中我用74ls160和74ls08將多諧振蕩器產(chǎn)生的clk波形分別擴(kuò)大周期至原周期的20倍、40倍，很好地實(shí)現(xiàn)了分頻功能。分頻部分如圖5所示。

圖5  利用74160和74ls08構(gòu)成的分頻器

如圖5所示,我設(shè)計(jì)了一個(gè)四十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,clk信號(hào)已由555多諧振蕩器產(chǎn)生,那么接下來(lái)的就是波形的分頻包括周期的變換和占空比的變換。我分別需要一個(gè)經(jīng)過(guò)10個(gè)clk信號(hào)就翻轉(zhuǎn)一次的占空比50%的脈沖和占空比為75%且周期是40倍的clk周期的兩個(gè)信號(hào)。

4.組合移位寄存器

將移位寄存器的s1和s0按照指定波形變化,即先按輸入高電平,使LED燈全亮且保持n秒,再使按奇偶熄滅的寄存器s1=0,s0=1,使依次熄滅的寄存器的s1=s0=1,使其奇偶熄滅,然后輸入高電平,全亮。最后使依次熄滅的寄存器s1=0,s0=1使按奇偶熄滅的寄存器s1=s0=1,實(shí)現(xiàn)依次熄滅。以按奇偶熄滅的移位寄存器的原理構(gòu)圖如圖6所示。

圖6  按奇偶熄滅移位寄存器框圖

將從分頻器得出來(lái)的各已分頻的波形接到以圖6為代表的移位寄存器的s1,s0的控制端,便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈有規(guī)律的熄滅,s1,s0端波形如圖7所示。

1.555計(jì)時(shí)器的輸出信號(hào)測(cè)試參數(shù)如表1所示

表1  555計(jì)時(shí)器測(cè)試參數(shù)

  運(yùn)用Multisim測(cè)出clk的波形如圖8所示,測(cè)得四十倍clk周期如圖9所示,測(cè)得二十倍clk周期如圖10所示。

555計(jì)時(shí)器的周期為0.007s,這是最為原始的波形,另外的兩個(gè)波形技術(shù)就是根據(jù)該波形利用74ls160分頻變換而來(lái)。同時(shí),占空比是clk信號(hào)的可忽略因素,任意值均可。

2.分頻器的波形測(cè)試            

圖9  四十倍clk周期測(cè)試

  上圖第一張圖的周期是793.12ms,第二張圖的周期是396.581ms.兩者之間理論上根據(jù)分頻器四十進(jìn)制與為二十進(jìn)制關(guān)系是前者周期是后者周期的2倍,占空比分別為50%和75%。從圖上可以看出是實(shí)際與理論計(jì)算結(jié)果相符合。

在本次課設(shè)中,基本思路就是通過(guò)對(duì)移位寄存器給出低電平,而低電平的移位要同過(guò)3個(gè)矩形波實(shí)現(xiàn).通過(guò)矩形波的分頻,給出s1.s0的變化規(guī)律,進(jìn)而控制按奇偶熄滅和按依次熄滅。溫故而知新。設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是上網(wǎng)找資料再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。思路即出路。當(dāng)初沒(méi)有思路，誠(chéng)如舉步維艱，茫茫大地，不見(jiàn)道路。在對(duì)理論知識(shí)梳理掌握之后，茅塞頓開(kāi)，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒(méi)有思路便無(wú)出路，原來(lái)思路即出路。

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