数字电路课程设计彩灯控制电路Word文件下载.docx
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3.3.4第四阶段电路…………………………………………………….15
3.4蜂鸣器电路…………………………………………………………………16
第4章整机电路各单元模块信号连接分析及功能说明…………………17
4.1单元电路模块之间的连接说明和信号分析………………………17
4.2整体功能说明………………………………………………………………18
第5章遇到问题及解决方案…………………………………………………25
5.1遇到问题及解决方案……………………………………………………19
第6章设计小结与建议…………………………………………………………19
6.1小结建议…………………………………………………………………………19
6.2致谢………………………………………………………………………………19
附录I：
参考及引用文献…………………………………………………………20
课题名称：
数字电子技术基础
第一章、设计任务
1.1设计题目及要求
设计一个电路来控制16个指示灯，循环的规律如下:
第一阶段，指示灯从左到右依次亮，1秒亮1个，第二阶段，指示灯从右到左依次熄灭，1秒灭1个，第三阶段，指示灯全亮1秒，全灭1秒，第四阶段，从中间往左右两边依次点亮，1秒亮2个，第五阶段，从右两边往中间依次熄灭，1秒灭2个，第六阶段，指示灯全亮，全灭各秒，返回第一阶段，循环往复，运行模式固定。
每个阶段有倒计时，如第一阶段从15、14、13…..01、00减法计数，用2个数码管显示，每个循环有加法计时，01、02、03……51、52（六个阶段共16+16+2+8+8+2=52），用2个数码管显示。
不同阶段灯的亮或灭伴有不同声调声音,如第一阶段“嘀”，第二阶段“嘟”，第三阶段“哔”，第四阶段“哒”第五阶段“咚”第六阶段“呜”等等，以示控制电路处于不同的运行阶段。
1.2备选方案与比较
方案一：
设计一个控制总线同时控制计时和彩灯以及蜂鸣器，这样做总体理念比较简单，但对控制电路的要求较高。
方案二：
分别设计彩灯、计时以及蜂鸣器电路，最后各模块同步运行。
这样做做起来比较简单，但总体结构比较臃肿，器件要求相对较多。
第2章、方案设计
2.1总体方案说明
两个方案的比较分析已经阐明，我在做的时候先是尝试了第一种方案，但是由于理论知识比较匮乏，控制信号只能做出一个循环，一个循环过后不能重复运行，曾尝试用另一个信号结合74158反相输出四2选1数据选择器来实现整个电路的循环运行，但是由于74158的接口特性要达到多次循环必须用大量的74158，并且需要同等数量的控制信号。
最后选择了方案二，由于方案一的失败给了许多启示，方案二最终也做了出来，并且方案二在调试的时候十分方便，电路最终也不会太复杂，quartus显示总共逻辑器件在220个左右，相比其他更优秀的作品多出50个，但方案二的设计过程让我对这个设计题目有了更深的认识，但是由于时间的关系，没有进行方案三，有机会会继续优化的，下面所有叙述都是围绕方案二展开。
2.2总体模块与总体方框图
模块名称
对应功能
备注
52xunhuanjishuqi
52顺时循环计数
DaojishijichengLED
倒计时与彩灯电路集成的模块
Daojishixuanzexinhao
倒计时选择信号
倒计时控制信号
Ershiyi
22/52分频
控制信号
Fengningqihe1hz
蜂鸣器和一hz分频集成的模块
Leddeng01
Led灯控制电路01
Leddeng01A
Led灯控制电路01A
Leddeng02
Led灯控制电路02
Leddeng02A
Led灯控制电路02A
Sanshier
33/52分频
Sanshisan
34/52分频
Sanshiyi
32/52分频
Sishi
41/52分频
Sishijiu
50/52分频
Sishiyi
42/50分频
Wanfenershiwu
26/x分频
Wu
6/52分频
Wushi
51/52分频
Xianzhi1
16/52分频
图一：
总体模块与总体方框图
总体框图：
图二：
总体框图
由图可以看出该方案每个模块都是独立的，将它们联系起来的是内部控制信号，内部控制信号由同一个源信号分频而来，保证了各模块的同步。
该方案存在控制信号重复的问题，这导致逻辑原件的浪费。
第3章、单元电路设计原理与仿真波形
3.1分频电路
图三：
分频电路图
分频电路通过74290——二/五分频十进制计数器[1]74293——二/八分频十进制计数器[2]和实现
3.1.1蜂鸣器分频电路
对输入的1kHz时钟信号进行了6次二分频得到蜂鸣器的六个输出频率，以及三次五分频和一次八分频得到1Hz的信号。
3.1.2控制分频电路
控制分频电路采用VHDL语言编写的模块来实现，只用到了通用整数分频器[3]，程序如下：
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITYdaojishiD1IS
PORT（clk_in:
INstd_logic;
clk_out:
OUTstd_logic）;
ENDdaojishiD1;
ARCHITECTUREthirdOFdaojishiD1IS
CONSTANTfpb:
INTEGER:
=15;
CONSTANTtemp:
=7;
SIGNALaqi:
INTEGERRANGE0TOfpb;
BEGIN
PROCESS（clk_in）
BEGIN
IFrising_edge（clk_in）THEN
IFaqi<
fpbTHEN
aqi<
=aqi+1;
ELSE
=0;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
IFrising_edge（clk_in）THEN
IF（aqi<
=temp）THEN
clk_out<
='
1'
;
clk_out<
0'
ENDthird;
Fpb对应倍频数，temp对应占空比。
本次几乎所有的控制信号均由这种方式做成，但这样做存在一个缺点，由于是上升延触发的，而始终分频得到的信号的第一个周期里是下降沿，只有的二个周期开始的时候才会触发，所以会导致一定的延时，当然这个问题是容易被解决的，后文将具体阐述。
3.2计数电路
3.2.1顺时计数电路
电路图：
图四：
顺时计时电路图
顺时计时电路由两个五十二计时电路组成循环其中的控制信号是52/104的周期信号，每一个五十二计时电路由两个74196[4]构成的十进制计数组成，在52/104信号的控制清零端CLRN的情况下，每计数52秒就清零等待52秒，同时另一个五十二计数在前一个计数器清零期间开始运作，当他运行52秒后清零52秒，之后回到前一个计数器进行计数，然后在或门的作用下达到无限循环。
对74196的输入信号反向是由于彩灯控制电路有在第一个周期有0.5秒的延迟（造成这个延迟主要是分频产生的信号第一个周期是下降沿），这个延迟在运行一个周期之后消失。
仿真波形图：
图五：
顺时计时仿真波形图
仿真波形与彩灯控制电路同步。
3.2.2倒计时电路
图六：
倒计时电路图
倒计时电路由三个74193——16进制双向计数器带清零端，将时钟接入DN端和A端选定倒计时模式（这里的设计由于没有考虑到数码管译码的问题，最终设计完后只有四个输出引脚，虽然这个问题在后面得到解决，但这已经导致了原件的赘余），这里选用3个74193是因为在倒计时的电路中有三种模式（分别是15到0倒计时、1到0倒计时和7到0倒计时），这里用控制信号用来控制清零端还用来截取需要的计时段（与门实现），然后用或门将几个阶段的信号相加，最终得到一个总倒计时信号输出，其中用到的控制信号分别是32/52、41/52、50/52周期信号，同时还用到了彩灯控制电路的led1信号，原因是在进行仿真的时候发现控制信号反向之后开始的0.5秒出现了高电平，这导致清零端滞后了一个周期始终也就是一秒，将控制信号与led1信号相乘可以屏蔽掉开始的0.5秒高电平同时不影响周期信号的周期性。
74193TimingDiagram[5]
图七：
74193时序图
时序图：
图八：
倒计时时序图
上图附带了led1信号。
后来验收的时候发现了数码管译码问题，经过修正得到如下电路图：
图九：
修正后的倒计时电路
该电路将上一个电路的输出进行了修正，以使其能接到7448译码器，修正主要是通过控制信号将16倒计时前六个计时数进行修改，主要通过逻辑门实现，控制信号与输出的十位信号一致，主要用来截取十六倒计时的前六位，使其为.方便或门运算得到最终所需信号。
修正后的波形图：
图十：
修正后的倒计时波形图
其中33脚就是十位输出。
29、30、31、32为个位输出。
图中的突刺现象是由于进行与运算时细微的时间差值导致的，目前没有想到有效的解决办法。
3.3彩灯控制电路
3.3.1第一阶段电路
图十一：
第一阶段彩灯控制电路
第一阶段彩灯控制电路由74175——带公共始终和复位四D触发器和74157——同相输出四2选1数据选择器以及控制信号组成，其中控制信号是16/52周期循环信号，控制信号同时作为D触发器的信号源，将信号源按照时钟信号进行移位，得到第一阶段的前半段输出，后半段的输出要调整为前半段的镜像波形，故用74157来进行引脚的倒序输出，同样是通过控制信号控制。
至此得到第一阶段波形，由于控制信号是以52s为周期的周期信号故彩灯输出也具有52秒为周期的特性。
图十二：
第一阶段仿真波形图
波形图跟需求一致，开始的0.5s延迟是由1hz分频上升沿决定的。
对后续波形的循环没有影响。
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