八路彩灯显示电路.docx

1、八路彩灯显示电路八路彩灯显示电路摘要：每逢过年过节都要在门口上搞些彩灯，以显示浓厚节日气氛。那么在当代舞台上彩灯的闪烁更引人注目，使人们心情有一种特别快乐感。彩灯装置多种多样，在这里我们设计这样一种彩灯八路彩灯显示。该设计是八路彩灯的设计，首先是对总体方案的选择与设计，根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161和7420实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑电路实现。最后在Multisim中实现该电路图的功能。仿真结果表明：完全符合设计需要，实现了实验的要求。关键

2、词：八路彩灯；电路设计；仿真6 参考文献151 设计任务与要求设计一个八路彩灯，而且每路都有八盏灯显示的控制装置。其彩灯变化情况如下：（1）八路彩灯的每路八盏灯同时依次亮，时间间隔1秒，然后同时依次灭，时间间隔1秒。（2）八路彩灯同时整个亮，时间间隔0.5S，然后同时整个灭，时间间隔0.5S。而这个过程要重复四遍。2 总体方案的设计由设计任务与要求可知，本设计有三个阶段，第一阶段八路彩灯依次亮，第二阶段八路彩灯依次灭，第三阶段八路彩灯同时亮，同时灭。前两阶段的时间间隔为1秒，第三阶段的时间间隔为0.5秒。通过计算，循环一个周期需要20秒。彩灯第一阶段和第二阶段的花色变化是以1秒为单位，需要设计

3、时钟脉冲产生电路，以555定时器构成的多谐振荡器组成。第三阶段的0.5秒间隔可以通过分频计数器实现。完成一个周期需要20秒的时间，所以需要设计20进制循环控制电路和彩灯花样输出电路。而彩灯花样输出电路由移位寄存器74LS194和相关逻辑电路实现。原理框图如图2-1所示。图2-1 八路彩灯显示原理框图本次设计实现分为三个部分，即多谐振荡器、移位计数器74LS194、彩灯显示输出。经过分析，使用多谐振荡器完成计数脉冲的输出，得到一个周期性的矩形脉冲。控制模16分频计数器来实现所需要脉冲的信号。然后一路送到20进制循环控制电路，一路送到74LS194移位寄存器。从而完成对八路彩灯电路的控制，最后使用

4、彩灯显示输出来实现实验的设计要求。设计的初稿借鉴了书和网上的东西。虽然使用Multisim软件不是十分的熟练，但是还是在软件中找到了所需的芯片以及各元器件。主要的参考元件：555定时器、74LS163、74LS194、74LS09、74LS04、74LS32和与非门。3 单元电路的设计3.1 多谐振荡器多谐振荡器是由555计时器构成，555计时器是一种集成电路芯片，常被用于定时器、脉冲发生器和振荡电路。555可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。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

5、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。如下图3-1 555计时器的电路原理图：图3-1 555计时器的电路原理图555计时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555

6、定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V围使用。555定时器工作时过程分析如下：5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI11/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持

7、原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。555定时器真值表，如下表3-1所示：表3-1 555计时器的真值表清零端高触发端TH低触发端TRV0放电管T(V)功能0XX0导通清零101X保持保持1101截止置11001截止置11110导通清零根据实验要求设计出周期为1

8、s的多谐振荡器如图3-2所示的多谐振荡器结构图：图3-2多谐振荡器的结构图用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为: T=0.7(R1+2R2)C此时电路中需要的物理量：若选用四位二进制计数器，要达到设计要求，振荡周期T应为1秒。公式：T=0.7(R1+2R2)C若取R1=R2=R, 则T2RC。当取C=100F时，R T/（2C）=0.5/C=5K一般电路中，取C1= 0.01F分析：555计时器是八路彩灯显示电路中十分重要的一环，它承担的是最基础的东西，通过设定电容和电阻把输出的脉冲信号设定为电路所需要的脉冲，从而让电路能够完成运转。需要的脉冲为1秒，通过

9、公式则可以得出所需要的电阻和电容。进过验证，是符合电路需要的。3.2 20循环计时器因为完整的一个周期的时间大约是20秒，所以需要一个20循环计时器来实现这个功能。74LS163芯片是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路。一片74LS163可以实现16进制以下任意的计时器。而一个74LS163无法实现20循环计时器的这个功能，根据实验要求所，以需要两个来实现这个功能。如图3-3 74LS163的引脚图：图3-3 74LS163芯片的引脚图原理图所示的管脚注释如下：P0P1P2P3 ：四个数据输入端CLK : CP时钟端 CEP,CET:使能端Q0Q1Q2Q3

10、：四个数据输出端 RCO ：进位输出端PE ：置数端 MR ：清零端 74LS163的逻辑功能表如下表3-2所示：表3-2 74L3S163的逻辑功能表从74LS163功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0，立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS163输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS163还有一个进位输出端CO，其逻辑关系CO=Q0Q1Q2

11、Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS163可以组成16进制以下的任意进制分频器。如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CLR，将计数器清零。此处工作状态从0000010011，检测10100（异步清零）。此时就能够实现20循环计时器的功能。分析：该实验全部完成需要20秒的时间，因此需要一个20循环计时器来实现这个功能，上述的电路图能够实现20的循环计数，然后置零，完美的符合我们所需要的功能。因此达到了实验所需要的要求。在此次实验中还需要74ls09,74ls10,74ls04,74ls

12、32等基本门电路。20循环计时器是用两个74LS163来实现的。此时20循环计时器的电路结构图如下图3-4所示：图3-4 20循环计时器的电路结构图分析：通过控制电路的输出，我们实现了脉冲信号的分频和计数，成功的把脉冲信号分频成为了我们所需要的脉冲信号。进过多次验证，确实可以满足接下来的实验要求，符合实验的目的。3.3 彩灯花样输出电路74LS194是4位双向移位寄存器，能够在移位脉冲的作用下左移和右移，既能左移又能右移的寄存器被称为双向移位寄存器，只需要改变左右移动的控制信号就能够改变移动的方向，根据移位寄存器存取信息方式的不同，可以把双向移位寄存器分为：串入串出，串入并出，并入串出，并入并

13、出，四种。而74LS194符合实验要求，但是只能够实现4个灯的输出，所以需要两片74LS194来实现八个彩灯的输出。彩灯输出电路运用了两片74LS194双向移位寄存器和八个发光二极管以实现实验目的。发光二极管是常用元气原件，当二极管导通时，二极管发光，截止时，二极管不发光。如图3-5 为74ls194的引脚图。图3-5 74ls194的引脚图D0D1D2D3：并行输入端QOQ1Q2Q3：并行输出端S0S1：操作模式控制端CR非：为直接无条件清零端SR：右移串行输入端DS1: 左移串行输入端74LSls194的真值表如下表3-3。表3-3 74LS194真值表输入输出功能说明CLRCLKS1 S

14、0SL SRQAN+1QBN+1Q+1QDN+10XX XX X0QANQBNQ异步清零10 1X 00QANQBNQ右移10 1X 11QANQBNQ右移11 00 XQBNQQDN0左移11 01 XQBNQQDN1左移11 1X XABCD并行输入10 0X XQANQBNQQDN保持74ls194有5种工作模式，分别是右移，左移，异步清零，并行输入和保持功能。即并行送数寄存，右移(方向由Q0 - Q3)，左移(方向由Q3 Q0)，保持及清零。S1 ,S2,和CR非端的控制作用如表3-3。其中，D3、D2、D1、D0为并行输入端: Q3、Q2、Q1、Q0。为并行输出端; SR为右移串行输

15、入端;SL为左移申行输入端; S1,S0为操作模式控制端; CR非为直接无条件清零端。CP为时钟脉冲输入端。因为74LS194是4位移位寄存器，无法实现实现要求的8个彩灯，所以采用两个74LS194相连。两片74LS194相连的原理图如下图3-6所示。图3-6 两片74LS194相连原理图分析：通过其他电路来为74LS194提供脉冲信号，从74LS194的真值表中选择控制输出脉冲来彩灯的花色变化，进过调试最终实现了实验所需要的几种花色的变化，符合实验的目的，达到了所需要的要求。4 总电路的设计与仿真根据设计任务及要求可知，该八路彩灯显示电路由多谐振荡器，20循环计数器还有74LS194双向移位

16、寄存器所组成，先通过多谐振荡器来实现脉冲信号的提供，然后再使用20循环计时器来计时，控制实验的整体时间。最后使用两片双向移位寄存器74LS194来控制八个彩灯的移动方向。在仿真软件Multisim中依次把多谐振荡器，20循环计数器还有74LS194双向移位寄存器实现。最后连接实现最终的八路彩灯循环显示电路仿真结构图。下图4-1为总电路结构图图4-1总电路结构图仿真结果如下：图4-2 第一秒仿真结果图图4-3 第五秒仿真结果图分析：第一阶段八路彩灯的每路八盏灯依次亮，图4-2和图4-3是从左到右依次亮的时间间隔为一秒的第一秒和第五秒，符合一秒亮一盏灯的设计。证明了电路的设计成功。图4-4 第九秒

17、仿真结果图图4-5 第十三秒仿真结果图分析：这是实验的第二阶段，此阶段是从右往左依次灭的，时间间隔为一秒，图4-4和4-5是第二阶段的第九秒和第十三秒，符合一秒灭一盏灯的实验目的，因此符合实验要求正确。图4-6 第三阶段整体亮图图4-7 第三阶段整体灭图分析：这是实验的第三阶段，同时亮和同时灭时间间隔为0.5秒，整体时间持续4秒。图4-6和图4-7是第三阶段的同时亮和灭的图，符合0.5秒的间隔和整体时间持续4秒的要求，在重复上述过程四次，因此契合实验的要求。5 结论与心得通过整个电路设计与制作的整个过程，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，熟悉了中小规模集成电路的使用。通过理论与实践的结合，

18、进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。首先要明确总体的设计方案与方法，其次是对各个部分进行设计与改进，最后将各个部分整合在一起进行比较，观察。在八路彩灯实验设计当中遇到的首要问题有三个：一是电路的总体设计问题；二是电路的连接问题；三是电路的调试仿真问题。基于所学数字电路知识的局限性，在选择元器件方面有所困难，开始无从下手应该确定使用何种元件。通过查找资料等过程首先确定了元件，从而确定了总电路图。总的来说，八路彩灯的课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的结合，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。6 参考文献1焱.数字电子技术基础M.电子工业(第4版).2011 2王友仁,东新,睿.模拟数字电子技术基础M.科学(第4版).2011