四位LED显示器动态扫描电路.docx
《四位LED显示器动态扫描电路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《四位LED显示器动态扫描电路.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![四位LED显示器动态扫描电路.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2022-10/28/0c99b9df-e330-4ca0-8306-12723fa6ff4a/0c99b9df-e330-4ca0-8306-12723fa6ff4a1.gif)
四位LED显示器动态扫描电路
《数字电路》课程设计
四位LED动态扫描设计
目录
1前言(引言)
随着计算机技术和电子技术的飞速发展和广泛应用,电器设备的输出显示技术也变得复杂多样,诸如CRT显示、LCD显示、多位LED显示及发光二极管显示等应运而生。
在这些显示当中,LED及发光二极管显示电路较为简单,成本也较低,在功能单一的仪器仪表与机电设备中应用较广。
但当设备显示的点或位较多时,就需要采用一定的驱动电路与相应的驱动方式。
通过我们所学的数字电路,模拟电路,设计一个电路,实现一些功能。
此次设计锻炼我们的动手能力,解决问题的能力!
2设计任务及方案论证
用四位编码开关编码,将编出来的数字(0~9)以动态扫描的形式显示在LED数码管上,并且能够调节扫描频率。
1.通过编码开关,编出0000~9999的数字。
2.通过两个四选一的选择开关(74LS153),选择输出位数。
3.将选择输出的四位进行排序,接入数码管译码器(C4511)。
4.将对应的编码通过译码器显示在数码管上。
5.由于要求动态扫描:
接入一个时钟脉冲。
产生时钟脉冲需要接入555多些振荡器。
产生的CP脉冲,通过计数器产生00~11的二进制数。
两位二进制数与四选一选择开关和2—4的计数器同步,产生1110,1101,1011,0111的四位二进制数作为数码管的驱动电压。
将设计的电路,经过理论计算,做出电路板,进行调试,从而来验证试验设计的真确性。
3电路设计原理与实验电路
3.1设计任务及要求
利用数字集成电路(如:
74LS353、48、139、393,NE555等)和分立元件设计一个四位LED显示器动态扫描驱动电路。
(1)基本要求
①显示范围:
0000~9999;
②显示方式:
LED显示;
③扫描频率:
1Hz~1000Hz连续可调;
④可预置数:
0000~9999。
(2)发挥部分
①扫描频率:
1Hz~1000Hz连续可调;
②自制符合要求电源。
3.2设计方案
通过编码开关对0到9的数字进行编码,送入四选一的选择器(74LS153),通过由低位到高位的排序,将选择的数字传入到译码器(74HC4511)中,并通过输出中间级使其数据传送到LED七段数码显示管。
为了控制数码显示管的显示位数,需要用一个译码器(74LS139)来控制好输出电平,我们选用低电平。
这里计数器采用555定时计数器产生CP脉冲,脉冲占空比和频率用双链电位器调节,产生的CP脉冲进入计数器,产生00,01,10,11的数字,这里的数字进入四选一和译码器(74LS139)同步端,进而是电路能够正常工作。
通常的4位LED显示器按连接方式不同可分为共阳极LED与共阴极LED,我们采用共阴极。
其电路特性基本一致:
发光二极管导通压降为1.2V~1.8V、正向工作电流为2mA~15mA。
在显示驱动方式中,采用动态扫描。
当扫描到n1~n4公共端时,LED驱动器分别对应输出a~dp的显示段,LED就能正常显示。
各元件图如下:
3.3单元模块
3.3.1编码开关
编码开关是四个的分立元件组成,由于编码出来的数字是0到9之间,即二进制代码需要四位,为0000到1001。
考虑为高电平有效,需要注意的是8421码在输出端悬空时为高电平,所以,需要每位接一个下拉电阻,其值在需考虑功耗和置零效果,大致在几百到几千欧。
3.3.2四选一计数器
要达到动态扫描,在编码开关输出端需要对编码进行选择处理。
从编码开关输出的值,按照二进制代码表示出来,就是每一个编码开关的低位接在一个四选一的一边,每个编码开关的第二位接在另一边,一个编码开关有两个四选一计数,一共需要两个依次接第三个,第四个。
注意,这里的选择器两个使能端A,B与计数器的同步性。
3.3.3七段显示译码器
为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据,目前广泛使用了七字符显示器,或称做七段数码管。
所以要采用相应的译码器对选择的码源进行处理,这里我们采用74HC4511,元件图其上,功能表如下:
请参见《数字电路(第五版)》151页。
3.3.4共阴极四位LED数码显示管
半导体数码管BS201的的每个线段都是一个发光二极管(LED)。
因此,也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。
发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同,半导体中的杂质浓度很高。
当外加正电压时,大量的电子和空穴在扩散的过程中复合,其中一部分电子从导带跃迁到价带,把多余的能量以光的形式释放出来,便发出一定可见光。
对于共阴极的数码管只有当其输入端输入高电平时二极管才会发光;而共阳极的数码管只有当输入端输入低电平时二极管才会发光。
共阴极内部每个发光二极管的阴极被接在一起,成为该各段的公共选通线;发光二极管的阳极则成为段选线。
如果要显示某个数字只需相应选中对应的段选线。
对于共阳极数码管,则正好相反,内部发光二极管的阳极接在一起,阴极成为段选线。
这两种数码管的驱动方式是不同的。
当需要点亮共阳极数码管的一段时,公共段需接高电平、该段的段选线接低电平,从而该段被点亮。
当需要点亮共阴极数码管的一段时,公共段需接低电平,该段的段选线接高电平,该段被点亮。
这里我们选择共阴极。
半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。
为此,就需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号,以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。
但需要注意的是,采用数码管时,需要考虑管子做能承受的最大电流,最大电压。
正常工作时,额定电压5V,额定电流10mA。
经计算,需要加一个保护电阻,取实际有的电阻为510欧。
3.3.5二进制译码器
由于电路要达到动态扫描,就需要选择哪一位数码管显示。
共阴极数码管要达到显示的目的,其公共端就应该有下拉的驱动电流,即低电平有效。
常见的集成二进制译码器有CMOS(如74HC138)和TTL(如74LS138)的定型产品,两者在逻辑功能上没有区别,只是电性能参数不同,用74x138表示两者中任意一种。
74x139是双2线-4线译码器,两个独立的译码器封装在一个集成芯片中,其中之一的逻辑符号如图。
详情参见《数字电路(第五版)》144页。
在设计电路时,还需要考虑数码管的灌电流进入该编码器时,能不能承受此电流,如果不能,则需要添加三极管和饱和电阻。
如图,由参考数据可得,74LS139不能承受该灌电流,因此,需要用到PNP管(低电平有效)及电阻。
电阻的选择还需考虑添加电阻后,所得到的电流能不能驱动数码管,因此,饱和电阻大致选为1K。
3.3.6555定时计数器
555构成多谐振荡器工作可靠,调节方便,在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用,但其振荡频率不能太高,一般不超过几百千赫兹;且其频率稳定性较差,易受电源波动、温度变化等影响。
在电路工作时,需要输出使能端对其集成块进行控制。
由555定时器组成的多些振荡器,长生一个CP脉冲,其占空比和频率可调(详情参见《数字电路(第五版)》422页)。
产生的CP脉冲进入一个自动计数器,产生代码为00,01,10,11.该计数器由74LS74集成块中两个D触发器组成的T~触发器。
产生的数字接入四选一的两个使能控制端和二进制译码器的输入端,因此,可以使电路在整体上同步。
4.数值分析
4.1编码卡开关处电阻计算。
由于要保证输出端有高低电平,不能让不编码的输出端悬空,否者始终为高电平,所以必须接入下拉电阻,我们选择的1.6K的电阻。
4.2数码管的保护电阻计算。
由数码管的参数可得,最大电流15mA,额定电流10m
A,输入电压5V,经过R=U/I得R为500欧,选择电阻510欧。
4.3三极管饱和电阻。
为了保证能够驱动数码管,又不至于烧坏三极管,其选择的饱和电阻为一个范围,我们选择的1K的电阻。
4.4555多些振荡器计算。
由于要求频率在1~1000KHz连续可调,由现有的器件可以假设电容为1μF,则由公式f=1.43/(R1+R2)C计算得,R1=R2=500Ω,当双链电位器不接入电路时,计算可得此时的f=1401.96Hz。
当完全接入双链电位器,为了满足最低频率f=1Hz,计算可得电位器为7150Ω,但实际没有该值的电位器,选择1M仍能满足要求,此时最低频率为0.715Hz。
5.电路板的制作及电路焊接与调试
5.1电路板的制作
电路板制作过程可分为:
制作原理图(DDB文档),生成网络表(即元件清单),生成PCB板,打印油印电路图,电路板打孔,将油印电路图印在PCB板上,腐蚀。
在制作电路图的时候,会用到很重要的一款软件——Protel99SE。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源--地层和16个机加工层。
电路板的制作可分为:
(1)电路原理设计部分(AdvancedSchematic99):
电路原理图设计部分包括电路图编辑器(简称SCH编辑器)、电路图零件库编辑器(简称Schlib编辑器)和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路原理图;更新和修改电路图零件库;查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
(2)印刷电路板设计系统(AdvancedPCB99):
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器(简称PCB编辑器)、零件封装编辑器(简称PCBLib编辑器)和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路板;更新和修改零件封装;管理电路板组件。
(3)自动布线系统(AdvancedRoute99):
本系统包含一个基于形状(Shape-based)的无栅格自动布线器,用于印刷电路板的自动布线,以实现PCB设计的自动化。
5.2电路的安装
用电烙铁将分立的元件按照电路图安装。
由于我们制作的是双面板,所以在焊接的时候,因该注意焊盘与与原件的连接性能,还要仔细检查电路的板连线的可通性能,这才能保证电路能够正常工作。
5.3电路测试
电路模拟仿真系统(AdvancedSIM99):
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器,可提供连续的数字信号和模拟信号,以便对电路原理图进行信号模拟仿真,从而验证其正确性和可行性。
在对电路进行了仿真软件测试,还需要对制作好的成品进行实际调试,看能不能实现所要求的功能。
在检查电路时,灵活使用万用表,检查电路是否导通,检查元件是否能够正常工作,检查整个电路的完整性。
若不能正常工作,找出原因,解决问题,也可请教老师.
5.4元件安装完成的测试
在模拟系统中测试后还需要对实际做成的电路板进行调试。
调试原则:
先测试电源部分是否形成通路,包括所有集成块的工作电压端。
在测试了电源都接通后,按照原理分析,当前一个元件加上一工作电压后,对应的集成块的某个引脚应该为高低电平进行一个一个的引脚测试。
在测试过程中,注意检查是否有线路的短接,过孔是否都接通,双面板的焊盘处是否接通。
我们测试过程中遇到集成块损坏,线路短接,过孔不通,双面板有些引脚只焊接了一面,扫描频率过低的问题,都一一解决。
安装完成后,加上工作电压后,测得电路的最高工作频率为f1=1408.45Hz(此时工作周期每格200ms,6.1格,占空比50%,工作电压4.64V),最低工作频率为f2=0.82Hz(此时工作周期每格500,1.42格,占空比46%,工作电压4.72V)。
6.结论
通过这次电子系统设计,我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤,实际解决了设计中出现的问题,增强了寻找问题,解决问题的能力。
此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识,尤其