彩灯循环数电课程设计Word文件下载.docx
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目录
摘要I
AbstractII
1主要任务及指标要求1
2方案论证与实现2
2.1振荡电路部分2
2.2数列循环部分2
2.3数列显示部分5
3单元电路的设计及其原理9
3.1振荡电路的设计9
3.2数列循环电路的设计9
3.3数列显示电路的设计10
3.3.1自然序列显示电路的设计10
3.3.2奇序列显示电路的设计11
3.3.3偶序列显示电路的设计12
3.3.4音乐数列显示电路的设计13
3.4总电路图的设计14
4仿真结果16
4.1振荡电路的仿真16
4.2二分频电路的仿真17
5仿真结果分析18
6心得体会19
参考文献20
附录：
元件清单21
摘要
由于该彩灯循环控制电路的实质就是要产生一系列有规律的数列，然后通过一个七段数码管显示出来，故本次课程设计主要是用计数器来实现的。
计数器在时序电路中应用的很广泛，它不仅可以用于对脉冲进行计数，还可用于分频，定时，产生节拍脉冲以及其他时序信号。
运用计数器的不同的功能和不同的触发就可以实现不同的序列输出了。
本设计中彩灯循环显示器能够按照要求依次输出自然序列，奇数序列，偶数序列还有音乐序列。
为了实现这个循环输出的功能，在设计的时候还用到了一个移位寄存器，可以利用它的输出端来控制四个计数器的工作情况，可以让四个计数器依次工作，就可以达到要求的依次循环输出数列。
最后还有一个部分就是脉冲的产生基于多谐振荡器可以产生方波，就可以利用它来产生脉冲信号了。
而这个多谐振荡器采用的是555定时器来完成的。
以上三个部分共同组成了本设计电路！
Abstract
Asthelanternofthesubstanceofthecyclecontrolcircuitistoproduceaseriesofregularseries,andthenthroughaSeven-SegmentLEDdisplay,sothedesignofthiscourseismainlyusedtoachievethecounter.Countertimingcircuitinawiderangeofapplications,itcanbeusednotonlytocountonthepulse,canalsobeusedforfrequency,timing,resultinginthebeat,aswellasothertimingsignalpulse.Countertheuseofdifferentfunctionsanddifferenttriggerscanbeachievedontheoutputofdifferentsequence.Carnivalofthedesigncyclecandisplaytheoutputinaccordancewiththerequirementsofthenaturalsequenceinorder,odd-numberedsequence,evensequencethemusicsequence.Inordertoachievethiscycleoftheoutputfunction,inthedesignofthetimealsousedashiftregister,youcanuseittocontroltheoutputoftheworkofthefourcounters,youcanturntheworksothatthefourcounters,wecanmeettherequirementoftheordercycleoutputseries.Finally,thereisapartofthegeneratedpulseMultivibratorBasedonsquarewavecanbegenerated,youcanuseittogenerateapulsesignal.MultivibratorThisisusedtocompletethe555timer.Composedofthreepartsoveracommoncircuitofthisdesign!
彩灯循环显示控制电路设计
1主要任务及指标要求
（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、偶数序列，音乐符号序列......如此周而复始，不断循环。
（2）打开电源时，控制器可自动清零。
（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。
2方案论证与实现
2.1振荡电路部分
产生信号脉冲的方法很多，这里我在设计的时候选用的是用多谐振荡器，它是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，常作为脉冲信号源。
由于不用接输入信号就可以产生所需要的矩形波，所以在设计的时候就选用这个方案。
而选用的电路是用555定时器构成的，因为555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。
电路图如图1
图1脉冲信号产生电路图
2.2数列循环部分
采用一个2线--4线译码器和一个四进制计数器可以让四组数列依次循环。
通过译码器的输出依次去控制芯片清零端，再通过四进制计数器来控制译码器输入，这样就可以使得译码器的四个输出不断循环，而四进制计数器的时钟脉冲则可通过每个74LS161芯片的进位端经过一四输入或门（这里我们采用集成门电路CD4072）输出来控制。
其电路图如图2
图2用译码器实现的循环电路
在这个部分中，我主要用到的芯片有74LS390计数器和74LS139译码管以及四输入集成或门芯片CD4072，它们的引脚图和功能表分别如下图和表所示。
表174LS390的功能表
输入
输出
R01
R02
S91
S92
CPA
CPB
QD
QC
QB
QA
1
×
R01R02=0
S91S92=0
CP
二进制计数
五进制计数
8421码十进制计数
5421码十进制计数
表274LS139的功能表
G
B
A
Y3
Y2
Y1
Y0
2.3数列显示部分
设计要求中明确规定以LED数码管作为控制器的显示元件，因此，再搭建实物过程中首先要设计好数码管驱动电路，LED数码管是将数个条状发光二极管共阴极连接，排成8字形，而将另一端做控制端分别引出而制成。
每只数码管由7条LED组成，故称七段数码管。
使用时，接通相对应的数段，则可得到0~9一系列数字。
数字、显示图形与发光段的对应关系见图
实现计数器输出和数码管输入的转换采用数码器。
本部分采用的74LS48的输出是高电平有效、驱动共阴极数码管。
图3为74LS48外引脚图，表3为74LS48的功能表。
图374LS48引脚图
表374LS48功能表
0000000
0000
1111111
译码输出
由此组成的数码管驱动电路如图4：
图4数码管驱动电路图
搭建好数码管驱动电路后，再来设计数列发生电路，利用74LS161计数器可以实现设计要求中的数列，根据数列不同的特点来搭建电路就可以实现相关功能，电路图如图5
图5数列显示电路原理图
其中主要使用计数器74LS161来实现自然数列的计数，其功能表以及引脚图如图6。
图674LS161的引脚图
表474LS161功能表
ENP
ENT
CLK
C
D
RCO
POS
﹡1
Count
QA0
QB0
QC0
QD0
3单元电路的设计及其原理
此电路主要由三部分组成；
即振荡电路，数列循环电路以及数列显示电路。
其中振荡电路产生可调的脉冲信号，使得每个数字的显示时间在0.5s到2s范围内连续可调；
数列循环电路使得整个数列可以不断循环显示，数列显示电路使得最终显示效果可以按照任务要求依次显示自然数列，奇数数列，偶数数列，音乐符号数列。
3.1振荡电路的设计
在这个部分主要是应用了555定时器，采用555定时器组成的振荡器，主要用来产生时间基准信号（脉冲信号），因为任务要求频率可调，则可以选择使用由555定时器组成的多谐振荡器。
多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。
而用555定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。
电路如图7：
图7脉冲产生电路
3.2数列循环电路的设计
这个电路的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列循环显示。
其中四个计数器的进位端接到四输入或门的输入端，其输出端接到74LS390的CPA，于是每当计数器进一位时，CPA变为高电平有效，从而使得译码器的地址输入端发生改变，进而控制计数器的动作状态，即可以由译码器来决定哪个74LS161计数器来工作。
当QA,QB为“0”，“0”时，这时译码器的输出端就只有Y0为0，接一个反相器然后再接产生自然序列的计数器的清零端;
这样就可以实现只有自然序列输出的功能，同理当QA,QB为“0”,“1”时，这是译码器的输出端就只有Y1为0，接一个反相器然后再接产生奇数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有奇数序列输出的功能;
当QA,QB为“1”,“0”时，这是译码器的输出端就只有Y2为0，接一个反相器然后再接产生偶数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有偶数序列输出的功能;
当QA,QB为“1”,“1”时，这是译码器的输出端就只有Y3为0，接一个反相器然后再接产生音乐序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有音乐序列输出的功能。
其产生序列的功能就是这样实现的。
其电路图如图8
图8数列循环电路原理图
3.3数列显示电路的设计
3.3.1自然序列显示电路的设计
这部分电路我们选择74LS161芯片，在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，因此对于这个部分我们只要将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0到9了。
其序列显示电路图如图9
图9自然数列的显示电路图
3.3.2奇序列显示电路的设计
0~9的BCD码分别为0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，通过观察可知奇数1，3，5，7，9的8421BCD码最后一位都为1，也就是说，我们可以通过3.2.1中所示数码管的最低位上接入高电平就能够使其显示奇数列。
此时，74LS161芯片仍然实现十进制计数，只不过数码管上只会显示奇数了；
但是显示的时间间隔会是上图中自然数列显示间隔的两倍；
因此，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们选择利用二分频电路解决上述问题。
奇序列显示电路图如图10；
图10奇数序列的显示电路图
3.3.3偶序列显示电路的设计
由3.2.2结论可知偶数0，2，4，6，8用8421BCD码分别表示为“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”的最后一位都为0，也就是说，我们可以通过3.2.1中所示数码管的最低位上接入低电平就能够使其显示偶数列。
此时，74LS161芯片仍然实现十进制计数，只不过数码管上只会显示偶数了；
但是显示的时间间隔会是图中自然数列显示间隔的两倍；
偶数列显示电路图如图11
图11偶数序列的显示电路图
3.3.4音乐数列显示电路的设计
通过观察十进制数的BCD码就不难发现从0显示到7这8个十进制数的BCD码的高位均为0，并且8这个十进制数的BCD码的高位就变成了1，利用这一点我们就可以将数码管的最高位固定接低电平，从而实现音乐数列的显示。
因为74LS161的输出端只有三个与数码管相接，当74LS161的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000”，“0001”。
这样数码管的显示就又变成0和1了。
其序列显示电路图如图12
图12音乐数列的现实电路图
3.4总电路图的设计
这个电路图可以实现设计的要求，可以依次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，而且还可以循环输出，数码管的显示的间隔时间也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整。
电路图中四个74LS161的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。
其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是2倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器很好地实现了这一功能。
因为奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的2倍，为了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用二分频电路，让自然序列和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。
JK触发器可以构成二分频电路。
由于JK触发器的状态方程为
，将JK触发器的J、K端均接在高电平，则从输出端Q输出的是二分频后的时间脉冲，其时间间隔为原脉冲的2倍。
当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是74LS161A先工作，它的清零端接的是“1“，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从0到9，当74LS161A的输出要从9变到0的瞬间，它的进位端的状态是”1”，然后通过一个或门接至74LS390的脉冲输入端，这时从“0”变至“1”，恰好有一个脉冲，就可以通过译码器使74LS161B开始工作即开始计数，它从9变至1时，又通过进位端给74LS390一个脉冲，然后就通过译码器又使74LS161C开始工作，它从0变至8，当它从8变至0时，它的进位端又变至“1”，就又可以给74LS390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制74LS161D的工作，输出音乐数列。
如此周而复始的这样循环，就可以实现我们需要的功能了。
其电路图如图13
图13总电路图
4仿真结果
4.1振荡电路的仿真
图14脉冲产生电路的仿真
4.2二分频电路的仿真
图15二分频电路
图16二分频电路的仿真
5仿真结果分析
经测试之后，电路可以实现设计要求，可以实现从自然数列，奇数数列和音乐数列的循环显示，而且数字之间的显示时间间隔也可以通过改变脉冲信号的频率来改变。
电路有一个缺点就是不能实现清零的作用，每次打开电源它的起始的数列是未知的，这点还需要改进。
6心得体会
这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。
我相信是对我的一个很好的提高。
平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。
这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多电路，例如频率计、交通灯、数字钟……这些都是我们自己可以实现的，突然感觉自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。
通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。
这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。
另外在分析比较设计循环电路的环节中，我还考虑过利用移位寄存器来设计循环，可是发现移位寄存器的脉冲不好控制。
不过我还是学会了移位寄存器的很多功能，以及通过查阅资料也知道了它的很多种典型的电路。
最后一个知识点就是利用555定时器来设计多谐振荡器，我采用的电路就是课本里介绍的典型电路，通过这个电路也让我了解了555定时器的功能，还有一个就是利用JK触发器来实现分频的功能。
这些都是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。
最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如我了解了一般设计时序电路的主要步骤，还有如何利用EWB，MULTISIM等学习软件，方便以后的学习和仿真。
而且我很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实际的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。
当然这次的设计学到的不仅仅是知识，还有如何去查阅资料，如何去完成一份报告书等等。
总之我觉得这样的实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助，而且对我分析问题的方法也有很大的帮助，使我考虑问题更周到，更全面。
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·
实验·
测试（第三版）.武汉：
华中科技大学出版社.2006
[2]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社.2007
[3]大连理工大学等.数字系统设计方法：
数字电路课程设计指导.大连：
大连理工大学出版社.1992
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高等教育出版社.2006
[5]梁宗善.新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计.武汉：
华中科技大学出版社。
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[6]孙梅生.电子技术基础课程设计.北京：
高等教育出版社.1989
[7]ThomasL.Floyd.Digitalfundamentals.UpperSaddleRiver,N.J.PrenticeHall.2002
元件清单
器件型号
用途介绍
数量
74LS160
计数器
4
74LS113
JK触发器
74LS390
多功能的计数器
74LS05
非门
74LS48
译码器
74LS139
2线-4线译码器
NE555
555集成定时器
4072BP
四输入或门
3
R110k
电阻
R250K
电位器
C1470nF
电解电容
C210nF
瓷片电容
LG5011AH
共阴数码管
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