北航电工电子中心动态扫描显示系统的设计.docx

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北航电工电子中心动态扫描显示系统的设计

《数字电路》课程设计

四位LED动态扫描设计

1前言（引言）

随着计算机技术和电子技术飞速发展和广泛应用,电器设备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朴,成本也较低,在功能单一仪器仪表与机电设备中应用较广。

但当设备显示点或位较多时,就需要采用一定驱动电路与相应驱动方式。

通过咱们所学数字电路，模仿电路，设计一种电路，实现某些功能。

本次设计锻炼咱们动手能力，解决问题能力！

2设计任务及方案论证

用四位编码开关编码，将编出来数字（0~9）以动态扫描形式显示在LED数码管上，并且可以调节扫描频率。

1.通过编码开关，编出0000~9999数字。

2.通过两个四选一选取开关（74LS153），选取输出位数。

3.将选取输出四位进行排序，接入数码管译码器（C4511）。

4.将相应编码通过译码器显示在数码管上。

5.由于规定动态扫描：

接入一种时钟脉冲。

产生时钟脉冲需要接入555多些振荡器。

产生CP脉冲，通过计数器产生00~11二进制数。

两位二进制数与四选一选取开关和2—4计数器同步，产生1110,1101,1011,0111四位二进制数作为数码管驱动电压。

将设计电路，通过理论计算，做出电路板，进行调试，从而来验证明验设计真确性。

3电路设计原理与实验电路

3.1设计任务及规定

运用数字集成电路（如：

74LS353、48、139、393，NE555等）和分立元件设计一种四位LED显示屏动态扫描驱动电路。

（1）基本规定

①显示范畴：

0000～9999；

②显示方式：

LED显示；

③扫描频率：

1Hz~1000Hz持续可调；

④可预置数：

0000～9999。

（2）发挥某些

①扫描频率：

1Hz~1000Hz持续可调；

②自制符合规定电源。

3.2设计方案

通过编码开关对0到9数字进行编码，送入四选一选取器（74LS153），通过由低位到高位排序，将选取数字传入到译码器（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显示位数，需要用一种译码器（74LS139）来控制好输出电平，咱们选用低电平。

这里计数器采用555定期计数器产生CP脉冲，脉冲占空比和频率用双链电位器调节，产生CP脉冲进入计数器，产生00，01,10,11数字，这里数字进入四选一和译码器（74LS139）同步端，进而是电路可以正常工作。

普通4位LED显示屏按连接方式不同可分为共阳极LED与共阴极LED，咱们采用共阴极。

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驱动器分别相应输出a～dp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

编码开关是四个分立元件构成，由于编码出来数字是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，需要注意是8421码在输出端悬空时为高电平，因此，需要每位接一种下拉电阻，其值在需考虑功耗和置零效果，大体在几百到几千欧。

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取解决。

从编码开关输出值，按照二进制代码表达出来，就是每一种编码开关低位接在一种四选一一边，每个编码开关第二位接在另一边，一种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，这里选取器两个使能端A，B与计数器同步性。

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运营数据，当前广泛使用了七字符显示屏，或称做七段数码管。

因此要采用相应译码器对选取码源进行解决，这里咱们采用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每个线段都是一种发光二极管（LED）。

因而，也把它叫做LED数码管或LED七段显示屏。

发光二极管使用材料与普通硅二极管不同，半导体中杂质浓度很高。

当外加正电压时，大量电子和空穴在扩散过程中复合，其中一某些电子从导带跃迁到价带，把多余能量以光形式释放出来，便发出一定可见光。

对于共阴极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阴极被接在一起，成为该各段公共选通线；发光二极管阳极则成为段选线。

如果要显示某个数字只需相应选中相应段选线。

对于共阳极数码管，则正好相反，内部发光二极管阳极接在一起，阴极成为段选线。

这两种数码管驱动方式是不同。

当需要点亮共阳极数码管一段时，公共段需接高电平、该段段选线接低电平，从而该段被点亮。

当需要点亮共阴极数码管一段时，公共段需接低电平,该段段选线接高电平，该段被点亮。

这里咱们选取共阴极。

半导体数码管和液晶显示屏都可以用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驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所示数值。

但需要注意是，采用数码管时，需要考虑管子做能承受最大电流，最大电压。

正常工作时，额定电压5V，额定电流10mA。

经计算，需要加一种保护电阻，取实际有电阻为510欧。

3.3.5二进制译码器

由于电路要达到动态扫描，就需要选取哪一位数码管显示。

共阴极数码管要达到显示目，其公共端就应当有下拉驱动电流，即低电平有效。

常用集成二进制译码器有CMOS（如74HC138）和TTL（如74LS138）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表达两者中任意一种。

74x139是双2线-4线译码器，两个独立译码器封装在一种集成芯片中，其中之一逻辑符号如图。

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，由参照数据可得，74LS139不能承受该灌电流，因而，需要用到PNP管（低电平有效）及电阻。

电阻选取还需考虑添加电阻后，所得到电流能不能驱动数码管，因而，饱和电阻大体选为1K。

3.3.6555定期计数器

555构成多谐振荡器工作可靠，调节以便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛应用，但其振荡频率不能太高，普通不超过几百千赫兹；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定期器构成多些振荡器，长生一种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CP脉冲进入一种自动计数器，产生代码为00,01,10,11.该计数器由74LS74集成块中两个D触发器构成T~触发器。

产生数字接入四选一两个使能控制端和二进制译码器输入端，因而，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，不能让不编码输出端悬空，否者始终为高电平，因此必要接入下拉电阻，咱们选取1.6K电阻。

4.2数码管保护电阻计算。

由数码管参数可得，最大电流15mA，额定电流10m

A，输入电压5V，通过R=U/I得R为500欧，选取电阻510欧。

4.3三极管饱和电阻。

为了保证可以驱动数码管，又不至于烧坏三极管，其选取饱和电阻为一种范畴，咱们选取1K电阻。

4.4555多些振荡器计算。

由于规定频率在1~1000KHz持续可调，由既有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，但实际没有该值电位器，选取1M仍能满足规定，此时最低频率为0.715Hz。

5.电路板制作及电路焊接与调试

5.1电路板制作

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。

在制作电路图时候，会用到很重要一款软件——Protel99SE。

Protel99SE是应用于Windows9X//NT操作系统下EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具备很强数据互换能力和开放性及3D模仿功能，是一种32位设计软件，可以完毕电路原理图设计，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。

电路板制作可分为：

（1）电路原理设计某些（AdvancedSchematic99）：

电路原理图设计某些涉及电路图编辑器（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。

本系统重要功能是：

绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑关于电路图和零件库各种报表。

（2）印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：

印刷电路板设计系统涉及印刷电路板编辑器（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。

本系统重要功能是：

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）：

本系统包括一种基于形状（Shape-based）无栅格自动布线器，用于印刷电路板自动布线，以实现PCB设计自动化。

5.2电路安装

用电烙铁将分立元件按照电路图安装。

由于咱们制作是双面板，因此在焊接时候，因该注意焊盘与与原件连接性能，还要仔细检查电路板连线可通性能，这才干保证电路可以正常工作。

5.3电路测试

电路模仿仿真系统（AdvancedSIM99）：

电路模仿仿真系统包括一种数字/模仿信号仿真器，可提供持续数字信号和模仿信号，以便对电路原理图进行信号模仿仿真，从而验证其对的性和可行性。

在对电路进行了仿真软件测试，还需要对制作好成品进行实际调试，看能不能实现所规定功能。

在检查电路时，灵活使用万用表，检查电路与否导通，检查元件与否可以正常工作，检查整个电路完整性。

若不能正常工作，找出因素，解决问题，也可请教教师.

5.4元件安装完毕测试

在模仿系统中测试后还需要对实际做成电路板进行调试。

调试原则：

先测试电源某些与否形成通路，涉及所有集成块工作电压端。

在测试了电源都接通后，按照原理分析，当前一种元件加上一工作电压后，相应集成块某个引脚应当为高低电平进行一种一种引脚测试。

在测试过程中，注意检查与否有线路短接，过孔与否都接通，双面板焊盘处与否接通。

咱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，扫描频率过低问题，都一一解决。

安装完毕后，加上工作电压后，测得电路最高工作频率为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，咱们掌握了设计一种数字电路基本办法和基本环节，实际解决了设计中浮现问题，增强了寻找问题，解决问题能力。

本次电子设计成功不但协助咱们更好地掌握课本知识，特别重要是增强了咱们自信，培养了咱们独立思考能力！

当自己不懂时候，自己可以通过自学，例如制图软件Protel99SE学习，数字电路全面学习，通过教师，能深刻理解各元件，各种电路，各种编码和译码功能，计数功能实现是怎么实现，这均有助于咱们在专业知识学习和巩固。

7.参照文献

电子技术基本《