数电课程设计

简易彩灯控制器电路简易彩灯控制器电路简易彩灯控制电路数字电子课程设计第第页目录第1章 11.1数字技术概论 21.2数字技术与电子计算机 21.3数字技术的其他应用 4第2章作品设计要求 42.1设计要求 43.1系统组成框图 43.2工作原理分析 5第4章元器件的选择 64.1移位寄存器74LS194 64.274LS161 94.3D触发器 104.4555定时器 114.5发光二极管 13第5章单元电路设计 145.1分频电路 145.2时钟脉冲产生电路 155.3状态机电路 165.4移位输出电路 16第6章心得体会 18附录 19附录1：元器件清单 19参考文献 19第1章系统设计绪论1.1数字技术概论电子技术是20世纪发展最迅速，应用最广泛的技术，已经使得工业，农业，科研，教育，医疗，文化娱乐以及人们的日常生活发生了根本的变革。特别是数字电子技术，在近四十多年来，取得了令人瞩目的进步。电子技术的发展历程是以电子器件的发展为基础的。20世纪初直至中叶，主要使用的电子器件是真空管，也称电子管。随着固体微电子学的进步，第一支晶体三极管于1947年问世，开创了电子技术的新领域。随后60年代初，模拟和数字集成电路相继问世。到70年代末微处理器的问世，电子器件及应用出现了崭新的局面。1988年，集成工艺可在一平方厘米的硅片上集成3500万个元件，说明集成电路进入甚大规模阶段。当前的制造技术已经使得集成电路芯片内部的布线细微到亚微米和深亚微米（）量级。随着芯片上元件和布线的缩小，芯片的功耗降低而速度大为提高。最新生产的微处理器的时钟频率高达。数字技术的发展历程与模拟电路一样，经历了由电子管，半导体分立器件到集成电路的过程。由于集成电路的发展非常迅速，很快占有主导地位，因此，数字电路的主流形式是数字集成电路。从20世纪60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到中规模；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能发生了质的飞跃；从80年代中期开始，专用集成电路（ASIC）制作技术已趋向成熟，标志着数字集成电路发展到了新的阶段。1.2数字技术与电子计算机数字技术应用的典型代表是电子计算机，它是伴随着电子技术的发展而发展的。现代计算机起源自英国数学教授Charles

Babbage。他发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时，他认为可以利用蒸汽机进行运算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机（Analytical-Engine）。Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。在这之前的计算机，都是基于机械运行方式，尽管有个别产品开始引入一些电学内容，却都是从属与机械的，还没有进入计算机的灵活：逻辑运算领域。而在这之后，随着电子技术的飞速发展，计算机就开始了由机械向电子时代的过渡，电子越来越成为计算机的主体，机械越来越成为从属，二者的地位发生了变化，计算机也开始了质的转变。1906年美国的Lee

De

Forest发明了电子管。在这之前造出数字电子计算机是不可能的。这为电子计算机的发展奠定了基础。1935年IBM推出IBM

601机，这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机。这台机器无论在自然科学还是在商业意义上都具有重要的地位。大约造了1500台。1938年ClaudeE.Shannon发表了用继电器进行逻辑表示的论文。1938年柏林的Konrad

Zuse和他的助手们完成了一个机械可编程二进制形式的计算机，其理论基础是Boolean代数。后来命名为Z1。它的功能比较强大，用类似电影胶片的东西作为存储介质。可以运算七位指数和16位小数。可以用一个键盘输入数字，用灯泡显示结果。1939年加利福尼亚的DavidHewlet和William

Packard在他们的车库里造出了Hewlett-Packard计算机。名字是两人用投硬币的方式决定的。包括两人名字的一部分。1939年11月美国John

V.Atanasoff和他的学生Clifford

Berry

完成了一台16位的加法器，这是第一台真空管计算机。1939年Zuse和Schreyer开始在他们的Z1计算机的基础上发展Z2计算机，并用继电器改进它的存储和计算单元。1940年Schreyer利用真空管完成了一个10位的加法器，并使用了氖灯做存储装置。1943年到1959年时期的计算机通常被称作第一代计算机。使用真空管，所有的程序都是用机器码编写，使用穿孔卡片。典型的机器就是UNIVAC。1943年1月Mark

I，自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长，重5吨，75万个零部件，使用了3304个继电器，60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上，数据可以来自纸带或卡片阅读器。被用来为美国海军计算弹道火力表。1943年4月Max

Newman、Wynn-Williams和他们的研究小组研制成功"Heath

Robinson"，这是一台密码破译机，严格说的话不是一台计算机。但是其使用了一些逻辑部件和真空管，其光学装置每秒钟能读入2000个字符。同样具有划时代的意义。1943年9月

Williams和Stibitz完成了"Relay

Interpolator"，后来命名为”Model

II

Relay

Calculator”。这是一台可编程计算机。同样使用纸带输入程序和数据。其运行更可靠，每个数用7个继电器表示，可进行浮点运算。1943年12月，最早的可编程计算机在英国推出，包括2400个真空管，目的是为了破译德国的密码，每秒能翻译大约5000个字符，但使用完后不久就遭到了毁坏。据说是因为在翻译俄语的时候出现了错误。真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴，但其体积之大、能耗之高、故障之多、价格之贵大大制约了它的普及应用。直到晶体管被发明出来，电子计算机才找到了腾飞的起点。1947年Bell实验室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen和WalterH.Brattain.发明了晶体管，开辟了电子时代新纪元。1949年剑桥大学的Wilkes和他的小组建成了一台存储程序的计算机EDSAC。这是一个突破，可以多次在其上存储程序。这台机器是JohnvonNeumann提议建造的。1950年软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro

Nakamats发明。其销售权由IBM公司获得。开创存储时代新纪元。1950年英国数学家和计算机先驱Alan

Turing说：计算机将会具有人的智慧，如果一个人和一台机器对话，对于提出和回答的问题，这个人不能区别到底对话的是机器还是人，那么这台机器就具有了人的智能。1951年Grace

Murray

Hopper完成了高级语言编译器。1954年IBM的John

Backus和他的研究小组开始开发

FORTRAN

(FORmula

TRANslation)，1957年完成，这是一种适合科学研究使用的计算机高级语言。1956年第一次有关人工智能的会议在Dartmouth学院召开。1957年IBM开发成功第一台点阵打印机。1957年FORTRAN

高级语言开发成功。1.3数字技术的其他应用交通控制系统也是数字技术应用的一典型范例。交通灯是1920年问世的，早期的交通灯是用机电定时器控制。后来用继电器和开关构成的控制器，根据道路上传感检测的信号进行控制。现在的交通灯由计算机控制，可以将监测系统检测到的车辆流量信息送到系统计算机，经过计算后进行合理的时间分配。如果某路口东西方向堵塞，则将该路口东西方向的绿灯自动延时，并将附近区域东西方向的红灯也自动地延时，堵塞接触后，信号灯恢复正常状态。第2章作品设计要求2.1设计要求题目：简易彩灯控制器电路基本要求：（1）要求电路能够控制8个以上的彩灯。 (2）要求彩灯组成四种以上的花形，每种花形连续循环两次，各种花形轮流显示。第3章系统组成及工作原理3.1系统组成框图把四花型彩光灯设计分为几个独立的功能模块进行设计，每个模块完成特定的功能，再它们组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。系统可由四个模块组成，它们分别为：时钟振荡电路，555定时器构成多谐振荡器;分频电路，由一个四位二进制计数器74LS161组成，并为D触发器提供时钟信号；状态机电路，由双D触发器组成（状态机换言之就是改变输入的时钟信号的循环周期）；移位显示电路，由两个双向移位寄存器74194和8个发光二极管组成.实现花型显示如图3-1：图3-1系统组成框图3.2工作原理分析改系统由555定时器构成的时钟振荡电路产生固定频率的脉冲，一方面作用于由74161组成的分频电路，一方面作用于由74F194构成的移位输出电路，为他们提供时钟信号。由于74161是16分频计数器，故每十六个脉冲74LS161进位一次,致使触发器U4A翻转一次，而触发器U4B的11脚连接的是触发器U4A的5脚，实现了U4A的16分频和U4B的32分频。所以平均U4A翻转两次而U4B翻转一次。有两个集成移位寄存器，各控制4个彩灯，集成移位寄存器74194由4个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端。双Ｄ触发器的输出端改变Ｓ0,Ｓ1的值，实现左右移动控制，可组成U4A左移，U4B右移；U4A右移，U4B右移；U4A左移，U4B左移；U4A右移，U4B左移四种花型。每十六个脉冲每种花型恰好循环两次，而此时Ｄ触发器翻转，转换为下一种花型。四种花型如下：花型一：四个灯为一组，两组均从右向左亮起，再从右向左灭掉。花型二：四个灯为一组，两组均向中间亮起，再从两边向中间灭掉。花型三：四个灯为一组，两组均从左向右亮起，再从左向右灭掉。花型四：四个灯为一组，两组均从中间向两边亮起，再从中间向两边灭掉。表3-1节拍脉冲编码D1D2D3D4D5D6D7D8花型一花型二花型三花型四100000000000000000000000000000000200010001100000011000100000011000300110011110000111100110000111100401110111111001111110111001111110511111111111111111111111111111111611101110011111100111111011100111711001100001111000011110011000011810001000000110000001100010000001900000000000000000000000000000000第4章元器件的选择4.1移位寄存器74LS194移位寄存器74LS194逻辑电路图和逻辑图如下：图4-174LS194集成移位寄存器74194由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。其中两个控制输入端M1、M0的状态组合可以完成4种控制功能，其中左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移输入端DSL和右移输入端DSR送入寄存器的。RD为异步清零输入端。CRM1M0DSLDSRCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00×××××××××00001××××1(0)××××Q3Q2Q1Q0111××DCBADCBA1101×××××1Q3Q2Q11100×××××0Q3Q2Q1101×1××××Q2Q1Q01101×0××××Q2Q1Q00100×××××××Q3Q2Q1Q0表4-174LS194真值表第1行表示寄存器异步清零；第2行表示当RD=1，CP=1(或0)时，寄存器处于原来状态；第3行表示为并行输入同步预置数；第4、5行为串行输入左移；第6、7行为串行输入右移；第8行为保持状态。控制信号功能S1S000保持01右移10左移11并行输入表4-2Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端。双Ｄ触发器的输出端改变Ｓ0,Ｓ1的值，实现左右移动控制。4.274LS16174LS161的引脚图如下：图4-274LS161引脚图74LS161是4位二进制同步加计时器。其中1脚是异步清零端，9脚是预置控制端，P0,P1,P2,P3是预置数据输入端，RCO是预置数据输入端，7和10脚是计数控制端。异步清零：当1脚接低电平时，不管其他输入的状态如何，计数器直接清零同步并行预置数；在1脚接高电平的条件下，当9脚接低电平且有时钟脉冲 时P0,P1,P2,P3输入端的数据分别被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。保持：1和9脚同时接高电平，两个记数使能端有一个接低电平时，不管有 无脉冲，记数器都保持原状态不变。记数：当1,7,9,10管脚都接高电平时，计数器处于记数状态。74LS161功能表如下所示：表4-374LS161功能表4.3D触发器图3-3是D触发器的逻辑符号，图4-3（a）是CP上升沿有效，4-4（b）所示为CP下降沿有效。(b)图4-3维持阻塞D触发器逻辑符号此表为D触发器的特征方程为：Qn+1=DD触发器的状态转换图如图3-4所示。图4-4D触发器的状态转换图D触发器的真值表DQQn+10000101011114.4555定时器图3-5555时基电路的电路结构及引脚图上图为555时基电路的电路结构和8引脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般为5V。3脚：OUT（或Vo）或输出端。2脚：TR低触发器。6脚：TH高触发器。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5K的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如下表所示：表4-4555时基电路的功能表由555构成的多谐振器输出高电平时间T=(R1+R2)Cln2输出低电平时间T=R2Cln2振荡周期T=(R1+2R2)Cln2输出方波的占空比为：4.5发光二极管图4-6发光二极管发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，简写为LED。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同发光二极管电子和空穴复合时释放出的能量不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短，光的强弱与电流有关。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。第5章单元电路设计5.1分频电路图5-174LS161连接图如图所示74LS161是4位二进制同步加计时器。其中1脚是异步清零端，9脚是预置控制端，P0,P1,P2,P3是预置数据输入端，RCO是预置数据输入端，7和10脚是计数控制端。当时钟电路产生16个脉冲时，计数器进位端进1，促使D触发器翻转或截止。5.2时钟脉冲产生电路用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。电路图如图5-2所示:图5-2由555定时器构成的多谐振荡器接通电源后，电容Ｃ1被充电，当TRI管脚处的电压（Vc）上升到２Ｖcc/3时，触发器被复位，同时放电三极管Ｔ导通，此时电容Ｃ1通过Ｒ２和Ｔ放电，Ｖc下降。当Ｖc下降掉Ｖcc/3时，Ｖo翻转为高电平。振荡器的振荡频率约为1.43/(R1+2*R2)*C1。5.3状态机电路图5-3状态机电路图状态机电路由两个Ｄ触发器组成。触发器U1A的5脚与触发器的U2A的3脚连接，从而实现U1A的16分频和U2A的32分频。Ｄ触发器为上升沿出发，当脉冲由低电平变为高电平时，Ｄ触发器发生翻转。假设开始时U1A的５脚为高电平，则U2A的3脚也为高电平，分频电路16拍进位一次，促使触发器U1A发生翻转使５脚变为低电平则U2A的11脚也变为低电平。当分频电路经过第二个16拍时，再次进位，U1A的５脚为高电平而此时U2A的12脚也再次变为高电，此过程中U2A经历了一个上