彩灯变换显示电路的设计.doc

1、1、任务书课题名称彩灯变换显示电路的设计指导教师（职称） 执行时间20122013学年第1学期 第11周学生姓名学号承担任务主要负责硬件设计主要负责软件设计主要搜集整理资料主要负责制作设计目的进行电子线路设计与实践活动是电子线路理论联系实际的重要环节，对巩固和加深课堂教学效果，提高学生和相关科技人员的实际工作技能，培养科学作风，为学习和从事实践技术工作奠定了坚实的基础都具有重要的作用。设计要求1）该系统用LED管作为显示元件，能自动依次循环显示数字“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）；0，1，2，3，4，5，6，7，

2、0，1（音乐符号序列1）；0，1，2，3，4，5，6，7，0，1（音乐符号序列2）。 2）打开电源电路自动清零。随后即从第一个序列开始显示。3）每个字符显示的时间相等，为0.15秒内连续可调。 4）有条件的情况下，进行电路安装调试。2、摘 要本文从研究单元电路出发，结合课题要求设计出实用的彩灯变换控制电路。以理论联系实践为基础，突出了电子设计的使用性。其中以集成电路为主讲述了各器件功能，分析其电路原理。以小规模集成电路控制彩灯按照一定的规律显示数字序列，以LED显示。达到观赏的效果，它在广告和晚会灯光布置也可以收到很好的妙用。具有较广的使用价值。关键词:集成电路，数字序列，计数器，数码显示3、

3、目 录2、摘 要33、目 录4第1章 总体方案选择5第2章 单元电路设计82.1矩形波发生器计82.1.1 74LS290管脚功能82.1.2 555多谐振荡器102.1.3 矩形波发生器参数102.2接通电源清零电路设计11第3章 状态计数器设计123.1.1状态转换图（图3-3.1）123.1.2卡诺图（图3-1.2）123.1.3将状态转换图转化为真值表（表3-1.3）123.1.4求驱动方程133.2.1逻辑电路图（图3-2.1）133.2.2控制门电路设计153.3.1控制门153.3.2控制门163.4译码显示电路183.5 7448七段显示译码器19第4章 整机设计及整机电路原理

4、图207、答辩记录及评分表24第1章 总体方案选择根据设计要求，首先需要一个使彩灯动态显示的时钟脉冲发生器来产生0.210HZ连续可调的方波。用此脉冲来控制电路各部分的同步工作，需要两块能五进制又能十进制的2/5十进制计数器，同时还需要一个LED七段数码显示管以及一个能驱动数码显示管的译码器。为了记录5种不同的工作状态，需要一个三位态计数器，其状态编码必须与工作方式相对应。为了在不同的状态下有不同的工作方式，需要对2/5十进制计数器的输入和输出进行控制，因而需要设计两个控制门电路（控制门和 控制门）。另外，还需要设计一个连通电源的清零电路。由于用3个D触发器来状态计数比较复杂，所以采用一片74

5、LS161增计数器来控制计数，其连接也相对简单。利用其置数功能来完成循环计数，同时也避免了时序电路的“竞争冒险”现象。电路的原理框图如图1-1所示。时钟脉冲清零电路控制门（）2/5十进制计数器控制门（）显示译码器LED数码管状态计数器图1-1分析2/5十进制计数器的功能可得：该计数器有两个时钟脉冲输入端和，当时钟脉冲从输入，并把输出QA与相连时，便构成十进制计数器，当时钟脉冲从输入时，就构成五进制计数器。 各单元电路之间相互转换真值表如表1-1所示：表1-1单元电路相互转换真值表题中要求实现题中要求的方案计数器输出与译码器输入的关系计数器输入端时钟脉冲频率显示序号显示序号显示数字状态计数器计数

6、器输出译码器输入QGQFQEQDQCQBQADCBA0123456789自然数列0123456789S100000001001000110100010101100111100010010000000100100011010001010110011110001001A=QAB=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f0/2f0为标准时钟0.210HZ1011121314奇数列13579S20000001101000111100000010011010101111001A=1B=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f01516171819偶数列02468S3000100100101011010010

7、0000010010001101000A=0B=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f020212223242526272829音乐符号序列10123456701S400000001001000110100010101100111000000010000000100100011010001010110011100000001A=QAB=QBC=QCD=0fA=f0fB=f0/230313233343536373839音乐符号序列20123456701S500000001001000110100010101100111000000010000000100100011010001010110011

8、100000001A=QAB=QBC=QCD=0fA=f0fB=f0/2控制门的作用是控制时钟脉冲CP（频率为f0）在不同的状态下，计数器不同时钟脉冲输入端输入。即在自然数列和音乐数列工作时，计数器工作在十进制计数状态。让=CP，=，满足表1-1的频率要求。 控制门的做用是控制显示译码器的输入，从表1-1可以看出，输入A和D与计数器输出QA和QD在不同状态下是不同的，而输入B，C与计数器输出QB，QC是相同的，因此只要对译码器的D，A输入端进行控制。分析后，可得详细框图(图1-2)及控制门为输入、输出关系表1-2。清零电路R 2/5十进制技术器 时钟脉冲发生器=0.210CP控制门（）控制门（

9、）状态计数器七段显示译码器C B D ALED显示管图1-2整体电路图表1-2 控制门电路输入、输出关系显示数列状态计数器输出状态控制门输入、出关系控制门输入出、关系自然数列A= D=奇数列A=1 D=偶数列A=0 D=音乐序列1A= D=0音乐序列2A= D=0在表1-2中，为控制门的输出，A、D为控制门输出，其余为输入变量。第2章 单元电路设计2.1矩形波发生器计矩形波发生器的作用是为了产生频率为0.210HZ 的矩形波，所以是一个多谐振荡器。为了减小振荡电容的容量，可加一级分频器。因此，选择555定时器为多谐振荡器，选用74LS290计数器。2.1.1 74LS290管脚功能74LS29

10、0内部含有两个独立的计数器电路：一个是模2计数器（为其时钟，为其输出端），另一个是模5计数器（为其时钟，为其输出端）。外部时钟CP是先送到还是先送到，在这四个输出端会形成不同的码制。74LS290原理电路图如图2-1.1所示。图2-1.1 74LS290原理电路图74LS290管脚分布图如图2-1.2所示。图2-1.2 74LS290管脚分布图74LS290功能表如表2-1.1所示。表2-1.1 74LS290功能表1111101010000000010001000000计数状态74LS290在“计数状态”或“清零状态”时，均要求和中至少有一个必须为“0”。只有在和同时为“1”时，才能进入“清

11、零状态”。2.1.2 555多谐振荡器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

12、面。555引脚图2-1.3如下所示。图2-1.32.1.3 矩形波发生器参数振荡周期为： T=1/10*1/f0=0.010.5s 振荡周期最小值和最大值与R1、RW、R2和C1的函数关系： Tmin=(R1+2R2)*C1ln2 (2.1)Tmax=(R1+2Rw+2R2)*C1ln2 (2.2)由式(2.1)、(2.2)Tmin/Tmax=(R1+2R2)/(R1+2Rw+2R2)=0.01/0.5 得：R1+2R2=2/49Rw (2.3) 把(2.3)代入(2.1)得：（且选C1=1.5uF时）2/49Rw*1.5*10-6ln2=0.01 计算得：Rw=255K 取Rw=330K 若

13、令R1=R2,则3R1=2/49Rw 最后得：R1=R2=4.49K 取 R1=R2=5K C2=0.01uF2.2接通电源清零电路设计为了使BCD计数器和状态计数器在接通电源时自动清零，因而需要一个脉冲宽度比计数器的延迟时间大一个数量级的清零脉冲，保证计数器正确清零。电路采用如图所示的单积分单稳态电路。图2-2.1 单稳态积分电路图在接通电源前，门的输入端为高阻，V01为低电平。当电源接通瞬间，Vi=0,则V01为高电平，对电容充电使Vi上升到开门电平时，则V01回到低电平。故门输出一个正清零脉冲，门输出一个负清零脉冲，波形如图2-2.2所示。图2-2.2波形图其元件参数，时间常数由t=R3

14、C3=ktpd决定，k为系数（在10103之间），tpd=40ns.设R=103,则有：R3C3=4ms取C3=0.1uF,则R3=40K左右，取R3=45K 反向器选用TTL非门第3章 状态计数器设计状态计数器在本次设计中的作用是控制状态之间的相互转换，以起到各单元电路之间相互协调工作的目的。设计一个五状态的同步计数器，需要三个D触发器（选用DF/F T4074），也可采用74LS161计数器来实现。下面将分别介绍使用三个D触发器实现和使用74LS161计数器来实现，并通过比较最终选定方案。3.1.1状态转换图（图3-3.1） 1/ 1/ /1 /1 1/ 图3-3.1 状态转换图3.1.2

15、卡诺图（图3-1.2）00011110 0 1图3-1.2 卡诺图3.1.3将状态转换图转化为真值表（表3-1.3）表3-1.3 真值表状态0 0 00 0 10 0 10 0 10 1 10 1 10 1 10 1 00 1 00 1 01 0 01 0 01 0 00 0 00 0 03.1.4求驱动方程由D触发器的特征方程为： = (3.1)易求的驱动方程为：= (3.2)= (3.3) = (3.4) 检查能否自启动：（表3-1.4）表3-1.4 自启动真值表1 0 10 1 01 1 01 0 01 1 10 1 0 经检查能自启动 3.2.1逻辑电路图（图3-2.1）图3-2 .1

16、逻辑电路图由于，以上过程较复杂，因此，可以简单的采用一片74LS161来循环计数。同时也方便绘制整体电路图。其功能表如下：（表3-2.1）表3-2.1 位同步二进制计数器74LS161的功能表CPEP ET工作状态0 置零110 预置数110 1保持11 0保持（C=0）1111 1计数当时，电路工作在计数状态，从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111状态返回0000状态，C端从高电平跳变至低电平。还可以利用C端输出的高电平或下降沿作为输出信号。在这里，我门只使用5个状态，所以我们可以将0100作为清零信号，实现00000100的循环计数。其电路连接简单易懂。电路连接

17、如下图3-2.2所示。 图3-2.2 状态计数器电路图由图可知，其相对D触发器设计简单，且直观，不易出错，这也是最后选择它的原因。相同的功能很多方法都能实现，但是我们要选择简单易行的方案。3.2.2控制门电路设计控制门、电路为组合电路。其功能在于控制输出输入信号的转变以达到信号转变要求，实现电路转化的目的。3.3.1控制门(1)列真值表：由表1可列出如下真值表：（表3-3.1）表3-3.1 控制门真值表状态状态变量（）输入时钟（）输出时钟（）0 0 00 0 0 0 0010 0 10 0 10 1 010 1 10 1 10 1 010 1 00 1 0 0 0011 0 01 0 0 0

18、101 (2).卡诺图化简：（图3-3.1） 000001011010110111101100 0000000 0110011 1111111 10011003-3.1 控制门卡诺图所以 = (3.5)(3).逻辑图（图3-3.2）图3-3.2 控制门逻辑电路图3.3.2控制门由原理框图可见，控制门有5个输入变量，即状态变量QGQFQE和计数器QAQB输出。2个输出信号A和D。输出信号A是控制门的输入信号，输出信号D是控制门的输入信号。(1).真值表如表3-3.2所示。表3-3.2 控制门真值表状态状态变量计数器输出译码器输入D A0 0 00 00 11 01 10 00 11 01 10

19、0 10 11 11 00 00 10 11 11 10 1 10 00 11 01 10 00 01 01 00 1 00 00 11 01 10 00 10 00 11 0 00 00 11 01 10 0 0 1 0 00 1（2）由真值表画卡诺图：(图3-3.3) 000001011010110111101100 000001000000 010101000101 111111100101 1010111000003-3.3 控制门卡诺图由此可得： D=(3.6) A= （3.7）（3）分别画出输出信号A、D的逻辑电路图：图3-3.4 输出信号A控制电路图图3-3.5 输出信号D控制电

20、路图3.4译码显示电路译码显示电路的作用是将输入的BCD译码成与LED数码管相适应的代码形式，有它的专用集成电路。本次设计选用的是7448。译码器与LED数码管的连接形式如图3-4所示。图3-4显示译码电路图253.5 7448七段显示译码器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的功能表如表4-5所示，它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：1. 灭灯输入BI/RBOBI/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

21、段输入ag均为0，所以字形熄灭。2. 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7488本身及显示器的好坏。3.动态灭零输入RBI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。4. 动态灭零输出RBOBI/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

22、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。表3-5 7448功能表十进制或功能输入BI/RBO输出字形LTRBID C B Aa b c d e f g0110 0 0 011 1 1 1 1 1 00110 0 0 110 1 1 0 0 0 01210 0 1 011 1 0 1 1 0 12310 0 1 111 1 1 1 0 0 13410 1 0 010 1 1 0 0 1 14

23、510 1 0 111 0 1 1 0 1 15610 1 1 010 0 1 1 1 1 16710 1 1 111 1 1 0 0 0 07811 0 0 011 1 1 1 1 1 18911 0 0 111 1 1 1 0 1 191011 0 1 010 0 0 1 1 0 1101111 0 1 110 0 1 1 0 0 1111211 1 0 010 1 0 0 0 1 1121311 1 0 111 0 0 1 0 1 1131411 1 1 010 0 0 1 1 1 1141511 1 1 110 0 0 0 0 0 015消隐1 00 0 0 0 0 0 08脉冲消隐0

24、0 0 0 000 0 0 0 0 0 0灯测试0 11 1 1 1 1 1 1第4章 整机设计及整机电路原理图整机设计主要考虑各单元电路的连接问题。由于我们大部分是TTL器件，且所有元件都用+5V电源供电，因而不存在电平转换问题，但要注意各元件输入端对信号极性的要求。这样就可以把单元电路构成整机电路图。电路简要说明：电源上点后，首先由单稳态积分电路产生一个清零脉冲对电路实现清零。然后由555振荡器构成时钟电路输出时钟脉冲，通过一个2/5十进制计数器进行一 图4-1 整机电路图次倍频，使时钟周期扩大一倍。然后输入下一片2/5十进制计数器开始计数，并将该计数器的输出1001作为状态计数器的计数脉

25、冲。并由74LS161构成的状态计数器对其计数状态进行控制，以实现真值表列出的对应序列。最后将这些序列输入74LS290译码器并驱动数码显示管依次显示这些序列！5.参考文献1阎石.数字电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，20022刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计于应用M. 长沙 国防科技大学 20023吴慎山.电子线路设计与实践M.北京：电子工业出版社，20054朱耀国.模拟电子线路实验.北京：高等教育出版社，19965林秀松.电子技术应用设计指导M.成都：电子科技大学出版社，19926李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20017黄志伟.基于Mul

26、tisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析.北京：电子工业出版社，20048郑步生.Multisiim2001电路设计及仿真入门与应用.北京：电子工业出版社，20029谢自美.电子线路设计实验测试.第二版.武汉：华中科技大学出版社，200010扬元挺.电子技术技能训练.北京：高等教育出版社，200211 Shihang S. Fuzzy self-organizing controller and its application for dynamic processesJ. Fuzzy Sets and Systems, 1998,26:151164.12 Kaare Christia

27、n. Borland C+ Techniques & UtilitisM. Ziff-Davis Press，1993.6、附录电路中所使用的元件如下表：序号代号名称规格型号数量(个)1U3定时器55512U1、U22/5十进制计数器74LS29023U4BCD七段译码器744814U5计数器74LS16115DS1LED显示数码管DPY_7-SEG16U1A斯密特反相器74LS1417UAN1UAN9TTL与非门NAND98UN1UN4TTL非门NOT49UXN1、UXN2TTL异或门XNOR210UX1TTL同或门XOR111UA1、UA2TTL与门AND212C1电容0.1uF113C2电容0.01uF114C3电容2.2uF115R1R7电阻370716R8电阻45K117R9电阻75K118R10可变电阻350K119R11电阻75K17、答辩记录及评分表 课题名称彩灯变换显示电路的设计答辩教师（职称） 答辩时间20122013学年第1学期 第11周答辩记录 评 分 表学生姓名学号评分