数字电子技术-9

数字电子技术4交通灯控制逻辑电路设计1概

述第9章

综合课程设计2智力竞赛抢答器逻辑电路设计3数字电子钟逻辑电路设计9.1概述1．设计与计算阶段学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案，并对方案中的单元电路进行选择和设计计算，最后画出总体电路图。2．安装与调试阶段经指导教师审查通过后，学生即可领取所需元器件进行电路组装和电路调试，通过排除电路故障、调整元器件、修改电路结构等环节，使之达到设计指标要求。3．撰写总结报告阶段（1）课题名称。（2）课题设计任务和要求。（3）课题方案选择与论证。（4）课题方案设计说明，主要包括以下3个方面。①设计原理框图、总体电路结构图、布线图及它们的说明。②单元电路设计与计算说明。③元器件选择和电路参数计算的说明。（5）电路调试情况，主要是对电路的工作情况进行测试、记录、整理与结果分析，以及调试中出现的问题，原因分析和解决措施等。（6）实验设计后的收获体会、存在问题和进—步的改进意见等。9.2智力竞赛抢答器逻辑电路设计简述1设计任务及要求2设计方案提示3主要元器件选择4设计原理及参考电路59.2.1简述如图9-1所示为智力竞赛抢答器的电路原理组成方框图。图9-1智力竞赛抢答器原理框图具体要求主要包括以下几点。9.2.2设计任务及要求（1）抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。（2）选组电路能迅速、准确地判别抢答者，同时能排除其他组的干扰信号，即闭锁其他各路输入使其再按开关时失去作用，并能对抢中者发出声、光显示和鸣叫指示。（3）计数显示电路为3位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。（4）开始作答时，启动定时灯亮，开始计时；当计时结束时，喇叭发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。根据设计任务和要求，参考智力竞赛抢答器的原理框图，可分以下几部分进行模块化设计。9.2.3设计方案提示（1）复位和抢答开关输入防抖电路可采用增加吸收电容或RS触发器的方法来实现。（2）判别选组电路可以用触发器和组合逻辑电路完成，也可用一些特殊器件（如MC14599或CD4099八路可寻址输出锁存器）来实现。倒T形电阻网络D/A转换器电路中，

S0

～S3为模拟开关，由输入数码Di

控制；R和2R

组成电阻解码网络，呈倒T形；运算放大器A构成求和电路。（1）当时，Si

接运放反相输入端（“虚地”），Ii

流入求和电路。（2）当时，Si

将电阻2R接地。无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接“地”（地或虚地）。这样流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。（3）计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示；加/减计数既可以由8421码拨码开关实现，也可由加/减计数器（如74LS193）来组成；译码、显示可以用共阴或共阳组件，也可用CL002译码显示器。（4）启动定时电路时，定时计数器按减计数或加计数方式进行工作，并使指示灯亮；定时结束时，输出一脉冲，驱动音响电路工作，并使指示灯灭。智力竞赛抢答器的主要元器件如下。9.2.4主要元器件选择（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）集成电路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及门电路。（4）显示器：LCD5011-11、CL002、发光二极管。（5）拨码开关（8421码）。（6）阻容元件、电位器。（7）喇叭、开关等。如图9-2所示为智力竞赛抢答器的逻辑电路参考图。9.2.5设计原理及参考电路图9-2智力竞赛抢答器的逻辑电路参考图1．计分部分每组均由8421码拨码开关KS-1，完成分数的增和减，每组为三位，个、十、百位，每位可以单独进行加减。例如，100分加10分变为110分，只需按动拨码开关十位“”号一次；若加“20”分，只要按动“+”号两次。若减分，方法相同，即按动“”号就能完成减数计分。另外，计分电路也可以用电子开关或集成加、减法计数器来组合完成。2．判组电路判组电路由RS触发器完成，CD4043为三态RS锁存触发器，当S1

按下时，Q1

为1，这时或非门74LS25为低电平，封锁了其他组的输入。Q1为1，使发光管D1发亮，同时也驱动音响电路鸣叫，实现声、光的指示。输入端采用了阻容方法，以防止开关抖动。3．定时电路当进行抢答或必答时，主持人按动单次脉冲启动开关，使定时数据置入计数器，同时使JK触发器74LS112翻转（

），定时器进行减计数定时，定时开始，定时指示灯亮。当定时时间到，即减法计数器为“00”时，为“1”，定时结束，控制音响电路鸣叫，并灭掉指示灯（JK触发器的，）。如图9-3所示为音响电路的音频时序波形图，其中f1和f2

为两种不同的音响频率。当某组抢答时，应为多音，其时序应为间断音频输出；当定时到，应为单音，其时序应为单音频输出。4．音响电路图9-3音频时序波形图9.3数字电子钟逻辑电路设计简述1设计任务及要求2设计方案提示3主要元器件选择4设计原理及参考电路59.3.1简述如图9-4所示为数字电子钟的电路原理组成方框图。图9-4数字电子钟原理框图（1）由晶振电路产生1Hz标准秒信号。（2）秒、分为00～59六十进制计数器。（3）时为00～23二十四进制计数器。（4）周显示从1～日为七进制计数器。9.3.2设计任务及要求用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟，具体要求主要包括以下几点。（5）可手动校时：能分别进行秒、分、时、日的校时，即只要将开关置于手动位置，就可分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。（6）整点报时：要求电路在每个整点前鸣叫五次低音（500Hz），整点时再鸣叫一次高音（1000Hz）。9.3.3设计方案提示如图9-5所示为秒脉冲发生器的电路结构。图9-5秒脉冲发生器的电路结构1．秒脉冲发生器2．计数译码显示以“日”计数译码显示为例，设计七进制计数器时，应根据译码显示器的状态表进行（日用数字8代替），如表9-1所示。表9-1“日”计数译码显示状态表3．校时电路在刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以需要进行调整，即将计数开关置为手动状态，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。当时计数器在每次计到整点前6s时，需要报时，可用译码电路来解决，即当分为59时，则秒在计数计到54时，输出一延时高电平打开低音与门，使报时声按500Hz频率鸣叫5声，直至秒计数器计到58时，结束高电平脉冲；当秒计数到59时，驱动1kHz频率高音输出而鸣叫1声。4．整点报时电路9.3.4主要元器件选择数字电子钟的主要元器件如下。（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）集成电路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及门电路。（4）晶振：32768Hz。（5）电容：100μF/16V、22pF、3～22pF之间。（6）电阻：200Ω、10kΩ、22MΩ。（7）电位器：2.2kΩ或4.7kΩ。（8）数显：共阴显示器LC5011-11。（9）开关：单次按键。（10）三极管：8050。9.3.5设计原理及参考电路如图9-6所示为数字电子钟的逻辑电路参考图。图9-6数字电子钟的逻辑电路参考图1．秒脉冲电路由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz，再经一次分频，即得1Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。2．单次脉冲和连续脉冲电路单次、连续脉冲均由门电路构成，主要用于手动校时。若开关K1打在单次端，要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次，K2在手动，则此时按动单次脉冲键，使日计数器从星期“1”到星期“日”计数。若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。3．秒、分、时、日计数器电路这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。对于日计数器电路，它是由四个D触发器组成的（也可以用JK触发器），其逻辑功能为当计数器计到6后，再来一个脉冲，用7的瞬态将Q3，Q2，Q1，Q0

置数，即为“1000”，从而显示“日”。译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。当计数到整点的前6秒钟，此时应该准备报时。当分计到59分时，将分触发器QH置1，而等到秒计数到54秒时，将秒触发器QL置1，然后通过QL与QH相与后再和1s标准秒信号相与而去控制低音喇叭鸣叫，直至59秒时，产生一个复位信号，使QL清0，停止低音鸣叫，同时59秒信号的反相又和QH相与后去控制高音喇叭鸣叫。当计到分、秒从59:59～00:00时，鸣叫结束，完成整点报时。5．整点报时电路4．译码、显示电路鸣叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管，带动喇叭鸣叫。1kHz和500Hz从晶振分频器近似获得。图9-6中CD4060分频器输出端Q3的输出频率为1024Hz，Q6的输出频率为512Hz。6．鸣叫电路9.4交通灯控制逻辑电路设计5.设计原理及参考电路3.设计方案提示2.设计任务及要求1.简述4.主要元器件选择9.4.1简述如图9-7所示为交通灯控制器的电路原理组成方框图。图9-7交通灯控制器原理框图9.4.2设计任务及要求设计一个十字路口交通信号灯控制器，具体要求主要有：（1）如图9-8所示为交通灯顺序工作流程图，设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR，EWY，EWG。图9-8交通灯顺序工作流程图（2）如图9-9所示为交通灯时序工作流程图，两个方向的工作时序应满足：东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和；南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。图9-9交通灯时序工作流程图（3）十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间，具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。（4）可以手动调整和自动控制，夜间设置为黄灯闪耀。（5）在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。①在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。②用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，LED发光二极管开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。9.4.3设计方案提示1．秒脉冲和分频器因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:1:6，所以，若选4秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。如表9-2所示为扭环形计数器的状态表。2．交通灯控制器表9-2扭环形计数器的状态表列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：东西方向：绿：黄：红：绿：黄：红：南北方向：由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS248BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。3．显示控制部分这可用一选择开关进行。置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。4．手动/自动控制，夜间控制用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。如图9-10所示为南北方向汽车模拟控制电路。5．汽车模拟运行控制图9-10南北方向汽车模拟控制电路9.4.4主要元器件选择交通灯控制器主要元器件如下。（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）交通信号灯及汽车模拟装置。（4）集成电路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及门电路。（5）显示：LC5011-11，发光二极管。（6）电阻。（7）开关。9.4.5设计原理及参考电路如图9-11所示为交通信号灯控制器的逻辑电路参考图。图9-11交通信号灯控制器参考电路单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使