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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。
关键词:
八路彩灯;电路设计;仿真
6参考文献15
1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3-1555计时器的电路原理图:
图3-1555计时器的电路原理图
555计时器由3个阻值为5kΩ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1V—3V,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5V—18V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VI1>2/3VCC,VI2>1/3VCC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VI1<2/3VCC,VI2>1/3VCC时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器保持原状态不变,555定时器输出状态保持不来。
当VI1>2/3VCC,VI2<1/3VCC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VI1<2/3VCC,VI2<1/3VCC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3-1555计时器的真值表
清零端
高触发端TH
低触发端TR
V0
放电管T(V)
功能
0
X
X
0
导通
清零
1
0
1
X
保持
保持
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
根据实验要求设计出周期为1s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T≈2RC。
当取C=100μF时,R≈T/(2C)=0.5/C=5KΩ
一般电路中,取C1=0.01μF
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。
3.220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3-374LS163的引脚图:
图3-374LS163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:
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3-274L3S163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= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
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00000~10011,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74ls09,74ls10,74ls04,74ls32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3-420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3-574ls194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3-374LS194真值表
输入
输出
功能说明
CLR
CLK
S1S0
SLSR
QAN+1
QBN+1
Q+1
QDN+1
0
X
XX
XX
0
QAN
QBN
Q
异步清零
1
01
X0
0
QAN
QBN
Q
右移
1
01
X1
1
QAN
QBN
Q
右移
1
10
0X
QBN
Q
QDN
0
左移
1
10
1X
QBN
Q
QDN
1
左移
1
11
XX
A
B
C
D
并行输入
1
00
XX
QAN
QBN
Q
QDN
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,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
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