《数字电子技术基础》课程设计说明书彩灯循环显示控制电路设计

1、武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 通信通信 07040704 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 题题 目目: : 彩灯循环显示控制电路设计彩灯循环显示控制电路设计 初始条件：初始条件： 74ls390 计数器、555 信号发生器、74ls139 译码管、数码管、74ls161 计数器和相关门电路，可以选用其他的计数器和集成电路，但必须给出原理说明要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 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

2、、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、偶数列和音乐符号数列.如此周而复始，不断循环。设计要求设计要求: :打开电源时，控制器可自动清零。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。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。用 ewb 软件或者 multisim 软件或者 quartus 软件完成仿真。时间安排：时间安排：第 19 周，安排任务与理论讲解第 1

3、9-20 周，方案设计与仿真第 20 周，完成（答辩，提交报告，演示） 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书目录摘 要.iabstract.ii1 主要任务及指标要求.12 方案论证与实现.22.1 振荡电路部分.22.2 数列循环部分.22.3 数列显示部分.53 单元电路的设计及其原理.93.1 振荡电路的设计.93.2 数列循环电路的设计.93.3 数列显示电路的设计.103.3.1 自然序列显示电路的设计.103.3.2 奇序列显示电路的设计.113.3.3 偶

4、序列显示电路的设计.123.3.4 音乐数列显示电路的设计.133.4 总电路图的设计.144 仿真结果.164.1 振荡电路的仿真.164.2 二分频电路的仿真.175 仿真结果分析.186 心得体会.19参考文献.20附录：元件清单.21武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书i摘摘 要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

5、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！武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书iiabstractabstract as the lantern of the substance of the cycle con

6、trol circuit is to produce a series of regular series, and then through a seven-segment led display, so the design of this course is mainly used to achieve the counter. counter timing circuit in a wide range of applications, it can be used not only to count on the pulse, can also be used for frequen

7、cy, timing, resulting in the beat, as well as other timing signal pulse. counter the use of different functions and different triggers can be achieved on the output of different sequence. carnival of the design cycle can display the output in accordance with the requirements of the natural sequence

8、in order, odd-numbered sequence, even sequence the music sequence. in order to achieve this cycle of the output function, in the design of the time also used a shift register, you can use it to control the output of the work of the four counters, you can turn the work so that the four counters, we c

9、an meet the requirement of the order cycle output series. finally, there is a part of the generated pulse multivibrator based on square wave can be generated, you can use it to generate a pulse signal. multivibrator this is used to complete the 555 timer. composed of three parts over a common circui

10、t of this design!武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书1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。武汉理工大学数字电子技术

11、基础课程设计说明书22 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武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书32.2 数列循环部分采用一个 2 线

12、-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 1 74ls390 的功能表武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书4 表 2 7

13、4ls139 的功能表输入输出gbay3y2y1y01111100011100011101010101101101112.3 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输入输出r01r02s91s92cpacpbqdqcqbqa1100000110000001110010111001cp0二进制计数0cp五进制计数cpqa8421 码十进制计数r01 r02=0s91 s92=0qdcp5421 码十进制计数武汉理工大学数字电子技术基

14、础课程设计说明书5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09 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 3 74ls48 引脚图表 3 74ls48 功能表ltrbirirbo0123a a a aabcdefgy y yy yy y000000001010000000000001111111111译码输出由此组成的数码管驱动电路如图 4：

15、图 4 数码管驱动电路图武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书6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 6 74ls161 的引脚图 表 4 74ls161 功能表clrloadenpentclkabcdqaqbqcqdrco0000001000posabcd11111poscount1111qa0qb0qc0qd01111qa0qb0qc0qd01武汉理

16、工大学数字电子技术基础课程设计说明书73 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

17、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：武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书8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

18、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武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书9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

19、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 0000000100100011010001010110011110001001，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

20、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09 的 bcd 码分别为0000000100100011010001010110011110001001，通过观察可知奇数武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书101，3，5，7，9 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

21、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；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。偶数列显示电路图如图 11武汉

22、理工大学数字电子技术基础课程设计说明书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

23、示电路图如图 12图 12 音乐数列的现实电路图武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书123.4 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

24、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1nnnqjqkqj、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，

25、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武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书13武汉理工大学数

26、字电子技术基础课程设计说明书14图 13 总电路图武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书154 仿真结果4.1 振荡电路的仿真图 14 脉冲产生电路的仿真武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书164.2 二分频电路的仿真二分频电路的仿真图 15 二分频电路 图 16 二分频电路的仿真武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书175 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。武汉理工大

27、学数字电子技术基础课程设计说明书186 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