数字电路课程设计说明书.docx

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数字电路课程设计说明书

唐山学院

数字电子技术课程设计

题目汽车尾灯控制电路的设计

系（部）信息工程系

班级

姓名

学号

指导教师王志秦张雅静

2013年7月1日至7月7日共1周

2013年7月3日

课程设计成绩评定表

出勤

情况

出勤天数

缺勤天数

成

绩

评

定

出勤情况及设计过程表现（20分）

课设答辩（20分）

说明书（20分）

设计成果（40分）

总成绩（100分）

提问

（答辩）

问题

情况

综

合

评

定

指导教师签名：

年月日

目录

1引言1

2设计方案2

2.1设计原理2

2.1.1控制关系2

2.1.2电路组成2

2.1.3所用芯片2

2.2具体过程2

2.2.1尾灯与汽车运行状态表2

2.2.2电路逻辑功能3

2.2.3组成部分3

2.3整体电路图原理及其仿真9

2.3.1整体电路图9

其整体电路图如下所示9

2.3.2仿真结果11

3.工作原理11

3.1工作原理11

4设计资料12

5结束语13

6参考资料14

1引言

在交通事故频发的今天，为保障人们的出行与行车安全，汽车尾灯的重要性不言而喻，汽车尾灯是汽车的主要部分，在我们的生活中不可缺少，正是有了它才是我们的交通得以正常进行。

现在社会上出现交通事故的比例很高除了自身原因外，汽车尾灯也发挥着主要的作用，尾灯的指示灯按正常指定闪烁将会避免很多事故的发生。

汽车尾灯控制电路是数字电路在交通控制电路中的典型应用，在日常生活中有着广泛的应用，本设计基本上模拟了汽车运行过程中的实际状况，左右各三个灯，当人们看到灯不同形式的亮灭闪烁时，就会知道驾驶员的操作意图，即行驶、左转、右转及刹车。

为此我设计了汽车尾灯电路，其运行规则为正常行驶时指示灯全灭；右转弯时，右侧3个指示灯循环点亮；左转弯时，左侧3个指示灯循环点亮；临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。

通过这一特点来提示后方的车辆本车的行驶状况，这个设计有利于更好的保障行车安全，通过汽车尾灯对后方车辆起到很好的提示作用，从而避免一些交通事故的发生。

我利用的材料为几种常见的TTL门电路，电路连线简单，以期更好地推广，最后希望此设计能减少行车事故的发生。

该电路具有操作简单，方便应用的特点

随着led技术的进步，汽车中越来越多的部位灯开始使用由led做成的灯泡

2设计方案

2.1设计原理

2.1.1控制关系

正常行驶时指示灯全灭；右转弯时，右侧3个指示灯循环点亮；左转弯时，左侧3个指示灯循环点亮；临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。

2.1.2电路组成

该电路大体需要时钟脉冲信号产生电路、三进制计数电路、译码电路、开关控制电路、驱动显示电路以组成汽车尾灯控制电路

表1-1电路组成控制关系

时钟脉冲信号发生

三进制计数器

译码电路

2.1.3所用芯片74LS190D74LS138D74LS08D74LS12D74LS86D555定时器

2.2具体过程

2.2.1尾灯与汽车运行状态表

S1=1表示左转弯。

S0=1表示右转弯。

表2-1尾灯与汽车运行状态表

开关控制运行状态左尾灯右尾灯

S1S0D1D2D3D4D5D6

00正常行驶全灭全灭

01右转弯全灭循环闪烁

11刹车全灭全灭

10左转弯循环闪烁全灭

分析

灯需要在不同的情况下出现以下三种情况，全灭，闪烁，循环亮灭。

可以利用计数器实现产生循环脉冲信号来达到预期的实验目的。

脉冲信号的产生：

考虑利用555定时器构成分频电路，来得到需要的频率的脉冲信号。

2.2.2电路逻辑功能

由于汽车左右转弯时，3个灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路循序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。

由此得出在每种运行状态下，各种指示灯与各种给定的条件下的关系，即逻辑功能表如下表2-2所示

表2-2逻辑电路真值表

开关控制三进制计数器六个指示灯

00XX000000

0100000100

01000010

10000001

1000001000

01010000

10100000

11XXCPCPCPCPCPCP

2.2.3组成部分

1.时钟脉冲发生器

由555定时器构成的多谐振荡器

如下图2-3的电路图，可以产生矩形脉冲发生器。

由于555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电压和温度的影响很小。

与课程联系密切，所以采用此方案。

再由于此电路对时钟脉冲没有严格的要求，故我把电阻、电容的值设定为比较合适并常见的值。

电容充电过程的初始状态为1/3Vcc，终止状态为2/3Vcc，稳定状态为Vcc，充电的时间常数为ζ1=（R1+R2）C2。

电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2/3Vcc，终止状态为1/3Vcc，稳定状态为0，充电的时间常数为ζ2=R2C2。

根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充电过程所用的时间。

充电过程的方程式：

2/3Vcc=Vcc+（1/3Vcc-Vcc）e（t1/（RC2）

充电所用时间，即脉冲维持时间：

t1=（R1+R2）C2ln2=0.7（R1+R2）C2

放电过程的方程式:

1/3Vcc=0+（2/3Vcc-0）e（t2/（RC2））

放电所用时间，即脉冲低电平时间：

t2=R2C2ln2=0.7R2C2

所以，脉冲周期时间为t=t1+t2=0.7（R1+R2）C2+0.7R2C2=0.7（R1+2R2）C2

脉冲频率为f=1/t=1/（0.7（R1+2R2）C2）=1.43/（（R1+2R2）C2）

2

输出脉冲信号

根据以上分析可得f=1.43/（（50*103+2*50*103）*0.01*10-6）=953.3Hz

图2-3555定时器构成的多谐振荡器

关于555定时器的介绍

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4.5V~16V工作，7555可在3~18V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。

555定时器的内部电路框图和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C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，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C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

　　它的各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

3脚：

输出端Vo

2脚：

低触发端

6脚：

TH高触发端

4脚：

是直接清零端。

当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

555的应用：

（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等

（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，用于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。

单稳态电路

　　前面介绍的双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。

而单稳态触发器只有一个稳态状态。

在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。

单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。

　　接通电源后，未加负脉冲，而C充电，上升，当时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使=0。

这样，在加负脉冲前，为低电平，=0，这是电路的稳态。

在t=t0时刻负跳变（端电平小于），而=0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T截止，C充电。

按指数规律上升。

t=t1时，负脉冲消失。

t=t2时上升到（此时TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平。

在这段时间电路处于暂稳态。

t>t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。

由分析可得：

　　输出正脉冲宽度tW=1.1RC　　注意：

图6—3（a）电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度ti必须小于tW　　555定时器用于实际中的实例有：

能发出“叮、咚”声门铃的电路和旋光彩灯控制电路

多谐振荡器

　　多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。

在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。

两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。

多谐振荡器可用作方波发生器。

　　接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡

2.三进制计数器

74LS192芯片，其置数端LOAD接高电平置数无效，减计数脉冲触发信号DOWN接高电平，加计数脉冲触发信号UP接时钟脉冲信号，A、B、C、D端输入信号无效，但为了避免悬空，所以都接地。

电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到3）的一瞬间，QA=QB=1，通过一个与门后使得清零端为1，清零（开始清零端为0，清零无效，电路正常计数）——由此，电路构成三进制计数器。

74LS192是属8421BCD码的十进制计数器，

74LS192具有下述功能：

异步清零：

MR=1，Q3Q2Q1Q0=0000

异步置数：

MR=0，PL=0，Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0

保持：

MR=0，PL=1，CPu=CPd=1,Q3Q2Q1Q0保持原态

加计数：

MR=0,PL=1，CPu=CP，CPd=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数

减计数：

MR=0,PL=1，CPu=1，CPd=CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数

3.译码电路

译码电路采用74LS138芯片

图2-4译码器电路

下面是关于译码器电路的简介：

74LS138为3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其中LS是指采用低功耗肖特基电路工作原理为当一个选通端（G1）为高电平，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。

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，74LS138还可作数据分配器。

4.显示驱动电路

如图2-5所示，当发光二极管的A端为低电平时二极管才会亮。

由于74LS138芯片Y0到Y7端为由左到右排列，结合表2-1可以得知S0=1表示汽车右转弯，S1=1表示汽车左转弯，S1控制74LS138芯片的高位输入端，故S1=0同时S0=1时74LS138芯片的Y0到Y2端会输出低电平，结果是Y0、Y1、Y2端连接的发光二极管（即LED灯）亮，所以发光二极管的左右是颠倒的，但这对于实际应用时不会有任何影响，只需要把发光二极管的左右位置调换过来就行了，而电路设计过程中为了元件摆放的方便与美观，故采取图3-7所示的排列方式。

当汽车正常行驶时S1=0，S0=0，会导致A端为高电平，所有二极管都不会亮；当汽车临时刹车时，A端的信号即为时钟信号发生器产生的脉冲信号，所有的发光二极管都会在脉冲信号的低电平时间灭，在脉冲信号的高电平时间亮。

图2-5显示驱动电路

5开关控制电路

开关打开时输入的是高电平，打开的时候输入的是低电平。

如图3-8所示控制电路的A端直接接到译码器74LS138的高位输入端C端；控制电路的B端接到译码器74LS138的使能端，B=S0

S1；控制电路的C端、D端通过与时钟脉冲信号接到一个三输入与非门后连到显示驱动电路的所有与门的输入端。

74LS138芯片是低位使能，当S0、S1相同时B=0，当S0、S1不同时B=1。

进一步分析，当S0=S1=0时

=1，所有的与门的输出值都为1，即高电平，所以此时所有的发光二极管都不会亮，即满足表2-2的真值显示，汽车处于正常行驶状态，符合表2-1的分析；当S0=S1=1时，B=0，使能端无效，Y0到Y7的输出全为高电平1，

=CP，通过与门后的信号即为CP信号，所以此时的发光二极管会闪烁，符合表2-1和表2-2的描述；当S1=0，S0=1时，A端为0，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为0，

=1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=0而计数器三进制循环计数，所以此时Y0、Y1、Y2三个灯循环亮，实现了右灯循环亮，满足表2-1、2-2对于此的描述，此时的汽车处于右转弯状态；当S1=1，S0=0时，A端为1，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为1，CDCP=1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=1而计数器三进制循环计数，所以此时Y4、Y5、Y6三个灯循环亮，实现了左灯循环亮，此时的汽车处于左转弯状态。

以下是开关控制电路图

图2-6开关控制电路

2.3整体电路图原理及其仿真

2.3.1整体电路图

综述，整体电路的设计有5个模块组成，其中有

1.555时钟脉冲发生器

2.74LS192三进制计数器

3.显示驱动电路

4.开关控制电路

其整体电路图如下所示

图2-7整体电路设计

2.3.2仿真结果

S0关S1关，所有的发光二极管都不亮；

S0开S1关，右边的三个发光二极管循环亮灭；

S0开S1开，所有的发光二极管闪烁；

S0关S1开，左边的三个发光二极管循环亮灭

3.工作原理

3.1工作原理

整个电路的能源供应由5V直流电源供应，整个电路的脉冲信号由555定时器构成的时钟脉冲信号发生器产生，脉冲信号分两路，一路输入到74LS192构成的三进制计数器，触发计数器加计数工作，计数器产生的00、01、10（实际上还有11，但11信号不是我们想要的信号，而且产生对整个电路没有任何影响）输入到译码器的QA、QB端，配合开关S1控制的QC端产生000、001、010、100、101、110信号（实际上还有011、111，如上所述，忽略不考虑），在译码器使能端有效的情况下将对应的输出端译码为低电平。

而译码器的使能端由信号S0

S1控制，S0、S1和CP信号共同控制驱动显示电路。

当S1S0=00时，译码器使能端为0使能无效，输出端全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，致使发光二极管阴极端全为高电平，发光二极管全部不亮，表明此时汽车处于正常行驶状态；当S1S0=01时，译码器的使能端为1使能，S1=0表明低位输出端Y0、Y1、Y2会在输入信号的作用下产生低电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y0、Y1、Y2会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于右转弯状态；当S1S0=10时，译码器的使能端为1使能，S1=1表明高位输出端Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生低电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生低电平，Y4、Y5、Y6会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于左转弯状态；当S1S0=11时，译码器的使能端为0使能无效，输出全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入有效，所以所有的发光二极管的阴极端的信号全部相同且且为CP信号，所有发光二极管会在CP信号为高电平时不亮，在CP信号为低电平亮，产生一种闪烁的样子，表明此时汽车处于刹车状态。

4设计资料

本人采用的仿真软件主要是Multisim，简介一下其特点。

Multisim11.0的特点

1直观的图形界面：

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；　　

2丰富的元器件：

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

3强大的仿真能力：

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。

包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

4丰富的测试仪器：

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量

5完备的分析手段：

Multisim提供了许多分析功能：

它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。

集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；　　　　

6完善的后处理：

对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；　　

7详细的报告：

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；　　

5结束语

通过这次数字电路的课程设计，我对数电这门课程有了进一步的了解，本次课程设计是我通过查阅各种资料和我的思考做出来的，在设计的过程中我积极运用课堂上以及自己课下学到的知识，所以对我来说，这是一个知识运用的过程，通过这次课程设计让我对我学到的知识有了一个更实际的了解。

而在实物电路连接过程中，我们小组每个人都提出了自己的想法，用各种不同的芯片以实现我们所需要的功能。

通过讨论我们从每个人的不同方案中选择出比较简单，易于实现的方案。

在组装前，我们就自己的方案用Multisim进行了仿真，在仿真的过程中我们找到自己电路可能出现的问题，并且从中改正自己的错误。

在这个过程中，我学会了自己找自己的错误，不是自己的就是对的，同时也告诉我，要更有耐心，更仔细的去完成设计，不能大概对了就马马虎虎的去动手。

在改正自己的错误的过程中，我发现自己做动手分析问题的能力增强了，自己对设计的原理理解也更清楚了。

同时在动手搭电路的过程中发现动手做与仿真时还是不一样的，在动手的过程中会遇到仿真时没遇到的问题，接线时有时会没接好，导致断路，而没有发现，需要用万用表检查，而仿真时接线好不好一眼就可以看出来了，因此亲手做时还是不一样的。

此次的课程设计锻炼了我的思维和动手能力，在与同学的相互交流中看到了同学们不一样的想法，我们互相学习，相互提高，同时也拓宽了我们的视野，让自己的学习能力在设计的过程中得到提高

本次设计的优点：

基本实现了汽车在于行驶后尾灯点亮方式的各种情况。

设计中的不足：

由于在行车的时侯都是用开关控制的，所以每一个开关应该有一个消除机械振动的装置，可以利用基本RS触发器来实现

在连接电路的过程中，本小组是一部分一部分电路接的，这样可以保证所接的电路没有问题，易于发现错误。

当最后实物连接都完成的时候，测试电路功能时发现左转弯、正常行驶、刹车时的发光二极管现象都能够出现，只是右转弯时右灯循环亮灭，而左灯发生闪烁。

所以我们又在电路可能出问题的地方，比如时钟脉冲接入到显示驱动电路的部分，放置一个发光二极管，观察该发光二极管状态，后来我们发现开关S1接到与门的那根导线有点接触不良，当更换导线后故障消失。

6参考资料

[1]付家才．电子工程实践技术．北京：

北京工业出版社，2003

[2]毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：

机械工业出版社，2001

[3]阎石主编．数字电子技术基础（第五版）．北京：

高等教育出版社，2009

[4]丁润涛主编．电子工程手册．北京：

机械工业出版社，1995

[5]王冠华编著《Multisim10电路设计及应用》.国防工业出版社，2008

[6]伍时和主编《数字电子技术基础》.清华大学出版社，2009

7元件清单

表4-1元件清单

元件名称规格数量

四位十进制计数器74LS1921

3-8译码器74LS1381

555定时器NE5551

逻辑门电路74LS086

74LS121

74LS861

发光二极管LED6

电容10nF2

电阻50KΩ2

200Ω2

机械开关单刀双掷2