目录
摘 要 ............................................................................................................................................. 1 1主要任务 ...................................................................................................................................... 2 2技术要求 ...................................................................................................................................... 2 3基本组成方框图 .......................................................................................................................... 2 4设计方案 ...................................................................................................................................... 3 4.1数列循环部分 ...................................................................................................................... 3 4.2数列显示部分 ...................................................................................................................... 6 4.3脉冲信号的产生 .................................................................................................................. 7 4.4方案的确定 .......................................................................................................................... 8 5单元电路的设计及其原理 .......................................................................................................... 8 5.1数列循环电路的设计 .......................................................................................................... 8 5.2序列显示电路的设计 .......................................................................................................... 9 5.2.1十进制自然序列的显示电路 ....................................................................................... 9 5.2.2奇数序列显示电路 ..................................................................................................... 10 5.2.3偶数序列显示电路 ..................................................................................................... 11 5.2.4音乐序列显示电路 ..................................................................................................... 11 5.3脉冲产生电路的设计 ........................................................................................................ 12 5.4二分频电路的设计 ............................................................................................................ 13 5.5总电路图的设计 ................................................................................................................ 13 6仿真结果 .................................................................................................................................... 15 6.1脉冲产生电路的仿真 ........................................................................................................ 15 6.2二分频电路的仿真 ............................................................................................................ 16 7测试结果分析 ............................................................................................................................ 17 8体会与心得 ................................................................................................................................ 17 9元件清单 .................................................................................................................................... 18 10参考文献 .................................................................................................................................. 19
摘 要
这次的课程设计主要是用计数器来实现的，这个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。这里使用的只要就是计数器，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接发就可以实现不同的序列输出了。
而这次的内容还包括分电路图的整合，使这个彩灯循环显示器能够按照要求那个依次输出自然序列，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以为寄存器，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。
这个设计基本上就是由以上三个部分连接在一起组成的。
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彩灯循环显示控制电路设计
1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、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技术要求
①打开电源时，控制器可自动清零。
②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。
3基本组成方框图
图3.1方框图
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4设计方案 4.1数列循环部分
方案一
设计数列的循环有很多种方法，这个方案就是利用移位寄存器将串行数据右移和左移的特点来设计的。电路图如图4.1.1
图4.1.1 74LS 194构成的循环电路原理图
这个电路图实现循环主要是依靠74LS194的移位功能来完成的。先让开关J1拨至与电源相接，就是接入高电平，这样移位寄存器有了脉冲信号之后就可以实现置数的功能，四个输出端为1000，再将开关J1拨至与地相接也就是接入低电平，这时寄存器就可以实现移位的操作了，然后通过脉冲信号的触发下，寄存器的输出就可以从1000→0100→0010→0001，这样依次循环了。然后四个输出端用来控制计数器的信号控制端就可以控制序列输出了。
循环电路的设计采用74LS194移位寄存器，通过74LS194移位寄存器的四个输出端子分别控制四个计数器工作，74LS194的功能表如表4.1.1，引脚图如图4.1.3
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表4.1.1 74LS194的功能表
输入 清零 CLR 0 1 1 1 1
输出 串行输入 时钟 CLK 工作状态 控制信号 S1 S0 右移 左移 × 0 0 1 1 × 0 1 0 1 × × 0（1） × × × 0（1） × × ↑ ↑ ↑ 0 保持 右移 左移 置数 × × ×
图4.1.3 74LS194的引脚图
方案二
这个电路图实现循环主要是依靠74LS160的计数功能来完成的。通过进位端或门输出作为脉冲信号就可以可以控制74LS160来实现计数功能，输出从0001→0010→0011→0100，这样依次用两个74LS153的四个输出端依次去控制计数器的清零端。其电路图如图4.1.4
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图4.1.4用数选器器实现的循环电路
这个部分主要用到的是芯片74LS160计数器和74LS153数选器，它们的功能表和引脚图分别如下图4.1.5, 4.1.6和表4.1.2所示。
表4.1.2 74LS153的功能表 图4.1.5 74LS153的引脚图
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图4.1.6 74LS160的引脚图
这两种方案都可以实现数列的循环，第一种方案需要拨动开关，而第二种就不需要可以自动依次产生数列。另外第一种开关使其依次产生序列还需要一个脉冲控制，而在设计总体的电路的时候四个计数器也需要有脉冲信号的触发，这样的话就要多设计一个方波脉冲的产生电路，另外还要与计数器的脉冲信号匹配，因为74LS194的移位是要一个计数器的全部数列产生完后才下一个脉冲，这样不是很好与计数器的脉冲频率想匹配。但是第二个方案就很好的解决了这个问题，这个方案的数列循环部分就是依靠芯片74LS160和74LS153也就是一个计数器还有一个数选器来实现的。74LS160的脉冲信号是由计数器的进位端来控制的，这样就很好解决了方案一的问题，只有当一个计数器的全部数列输出完了之后才会有脉冲信号过来触发74LS160让它进入下一个状态，这样就是由电路自己控制的，不会产生方案一的问题。
4.2数列显示部分
这个部分是利用74LS160D计数器来实现的。根据数列不同的特点来连接电路的。电路图如图4.2.1（以自然序列为例）
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U3VCC5VU50345671091ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX9678V150 Hz 5 V 10274LS160D
图4.2.1 数列显示电路原理图
其中主要使用的是74LS160D来实现的，其功能表以及引脚图如下图所示。
图4.2.2 74HC160的引脚图
表4.2.1 74HC160 CLR LOAD ENP ENT CLK A 0 1 1 1 1
× 0 1 1 1 × 0 1 1 × × 0 1 × 1 × POS POS × × × × × × × B × × × × × C × × × × × D × × × × × QA 0 A QB 0 B QC 0 C Count QD 0 D RCO 0 ﹡1 ﹡1 QA0 QB0 QC0 QC0 QD0 QD0 ﹡1 ﹡1 QA0﹡ QB0 4.3脉冲信号的产生
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，常做为脉冲信号源。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4.3.1
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图4.3.1 脉冲信号产生电路图
4.4方案的确定
在数列循环的部分我采用的是用一个四进制计数器和两个数选器来实现的，这样避免了脉冲的混乱。
在数列显示部分用的是芯片74LS160的计数器的计数功能实现的。 在脉冲信号产生的环节则就是采用555定时器构成的多谐振荡器。
5单元电路的设计及其原理 5.1数列循环电路的设计
在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和两个数选器，这个部分的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列的循环显示。其中四个74LS160计数器的进位端与74LS160的CP相接，这样就可以通过进位端状态由0变为1的瞬间给它一个脉冲触发，而另一个脉冲端则是与其输出端QA相接的，这样的接法是为了使74 LS160实现
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8421BCD码十进制计数的功能。然后再让74LS160的输出端QA，QB分别与数选器74LS153相接，这样可以用数选器来控制计数器的动作状态，它可以决定由哪个74LS160计数器来工作。当QA,QB为“0”，“1”时，这时数选器的输出端就只有Y0为1，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5.1.1
图5.1.1 用数选器实现的循环电路
5.2序列显示电路的设计
5.2.1十进制自然序列的显示电路
由于74HC160本身就是一个十进制计数的芯片，因此对于这个部分就只需按照其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再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到9了。其序列显示电路图如图5.2.1.1
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U3 VCC5V V1 50 Hz 5 V DCD_HEXU50345671091ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115967810274LS160D 图5.2.1.1自然数列的现实电路图
5.2.2奇数序列显示电路
将奇数1，3，5，7，9用8421BCD码分别表示为：“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以发现最后一位都为1，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了。虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是奇数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图5.2.2.1 图5.2.2.1奇数序列的现实电路图 V150 Hz 5 V 10VCC3456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKVCC5VU2QAQBQCQDRCO1413121115U1243DCD_HEX_DIG_GREEN74LS160D 10
5.2.3偶数序列显示电路
将偶数0，2，4，6，8用8421BCD码分别表示为“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”,可以发现最后一位都为0，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图5.2.3.1
U1VCC5VU2345671091ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115
DCD_HEX_BLUE423VCC1V150 Hz 5 V 274LS160D0 图5.2.3.1偶数序列的现实电路图 5.2.4音乐序列显示电路
音乐序列的特点是从0显示到7后又再变为0，这里可以将数码管的最高位固定接低电平就可以实现了。因为74LS160的输出端只有三个与数码管相接，当74LS160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。其序列显示电路图如图
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U2
V150 Hz 5 V VCC10VCC5VU13456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX_YELLOW43274LS160D图5.2.4.1 音乐数列的现实电路图 5.3脉冲产生电路的设计
由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。我这里用到的是用555定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源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。其电路图如图5.3.1
图5.3.1 脉冲产生电路
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5.4二分频电路的设计
因为奇、偶序列数字显示时间间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Qn1JQnKQn，将JK触发器的J、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。其电路图如图5.4.1
AB_+_XSC1Ext Trig+_+VCC5V24
U1A~1PR1J1Q5VCC311V11kHz 5 V 021K~1Q674HC113D_6V图5.4.1二分频电路 5.5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74LS160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。
当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是U1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U1的输出要从9变到0的瞬间，它的进位端的状态是”1”，然后通过一个或门接至74HC390的脉冲输入端，这时从“0”变至“1”，恰好有一个脉冲，
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就可以通过译码器使U4开始工作即开始计数，它从9变至1时，又通过进位端给74HC390一个脉冲，然后就通过译码器又使U8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74HC390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制U9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5.5.1
图5.5.1总电路图
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6仿真结果
6.1脉冲产生电路的仿真
图6.1.1 555脉冲产生电路
图20 脉冲产生电路的仿真 图6.1.2 555仿真图
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6.2二分频电路的仿真
XSC1Ext Trig+_A+_+B_VCC5V24U1A~1PR1J1Q5VCC311V11kHz 5 V 021K~1Q674HC113D_6V 图6.2.1二分频电路
图6.2.2二分频电路的仿真
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7测试结果分析
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。电路由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。
8体会与心得
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的典型电路，通过这个电路也让我了解了555定时器的功能，还有一个就是利用JK触发器来实现分频的功能。这些都是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。
最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如中我了一般设计时序电路的主要步骤，还有如何利用EWB，MULTISIM等学习软件，方面以后的学习很仿真。而且我很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实际的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。当然这次的设计学到的不仅仅是知识，还有如何去查阅资料，如何去完成一份报告书等等。
总之我觉得这样的实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助，而且对我分析问题的方法也有很大的帮助，使我考虑问题更周到，更全面。
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9元件清单
器件型号 74LS160N 74HC113D 74HC390N 74HC05N 74HC139N NE555 4072BP GND VCC 用途介绍 计数器 JK触发器 数量 4 1 多功能的计数1 器 非门 4 2线-4线译码1 器 555集成定时1 器 四输入或门 5 接地端 直流电源 4 5
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10参考文献
1 《数字电子技术基础》高等教育出版社 康华光
2 《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社
3 《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社
4 《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
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