数字电路彩灯控制器的Multisim仿真设计 NE555+74芯片

ID:786648 · 发表于 2020-7-2 17:23

1：用LED数码管作为控制器的显示元件，自动地依次显示数字0123456789（自然序列）、13579（奇数序列）、02468（偶数序列）、0123456701（音乐序列），周而复始，不断循环。
2：打开电源时自动进入自然序列的0。
3：每个数字一次显示时间基本相等，显示时间在0.5S-----2.0S范围内可调。

彩灯控制电路可使彩灯（例如霓虹灯）按一定规律不断改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。本课题以控制LED数码管显示不同数字作为教学练习的主要内容。

彩灯控制器的设计课题是为强化我们所学的电子技术，结合书本理论知识，结合实际操作。这是一个理论结合实践的过程。这次我们采用一片74ls160作为主要元件，通过这个元器件的工作特点，控制彩灯的各种序列的变换。通过结合触发器的选择，使用555产生时钟频率并对时钟进行分频，从而改变数字的显示时间间隔的时间。

数字电子技术在我们生活中的应用非常之广泛，不论是在各个方面都会涉及到它，小到家用电器的自动控制，大到神舟九号和天空一号航天器的设计，都无可避免的要运用它。并且鉴于以理论推动实践及理论实践相结合为指导思想，特此用我们所学的理论知识来实践这次设计。

1、设计要求与设计说明

一．题目

彩灯控制器

二．设计要求

设计并制作一个彩灯控制器，要求如下：

以LED作为数码管作为控制器的显示元件，它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1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列），然后又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。
打开电源时控制器可自动清零，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。
3）每个数字显示的时间（从数码管显示出它之时起到它消失之时止）基本相等，这个时间在0.5~2秒内可调。
4）画出总电路图并列出元件清单。

三．安装调试要求

1）完成脉冲源（震荡电路）接线，并用示波器观察并测量它的周期。
2）完成控制电路接线，并检验它的功能。
3）完成计数器电路接线，并用发光管检验计数状态。
4）完成译码器、显示电路、安装、调试。
5）整机联调并记录数据，使之满足设计要求。

四．分析、整理实验结果，写出数据总结报告。

2、课题分析

彩灯控制器原理如图1，它主要由脉冲源、控制电路、计数器和译码显示电路组成。
图1 彩灯控制器原理

脉冲源：用来产生计数脉冲，要求周期为0.5~2s连续可调（本课题设置为1s）。
控制电路：用以控制计数器按四种方式计数。
计数电路：用来对脉冲计数，共有4种计数方式，依次循环进行。
译码显示电路：对计数器输出进行译码显示。
3、方案论证

方案一：NE555构成多谐振荡器产生脉冲，T'触发器对555产生的脉冲进行2分频，一片74ls160接1秒脉冲源作为自然数和音乐数输出、另一片74LS160接0.5秒作为奇偶数输出，利用两个JK触发器构成4进制计数器（00-01-10-11）结合74ls139或138（139所接线路更少）译码器作为模式选择控制器，4进制计数器（00-01-10-11）时钟信号为4种状态的进位信号（如自然数列到9后160的进位端ROC会产生进位信号，奇偶数同理（第二片160的进位信号），音乐数模式下进位信号则通过0111与音乐数模式选择信号共同产生），再结合适当的门电路即可实现功能。

此电路的特点在于：分两种模式控制，容易理解，但电路复杂。

方案二：NE555构成多谐振荡器产生脉冲，T'触发器对555产生的脉冲进行2分频，一片74ls160作为计数输出，利用两个JK触发器或一个计数器（160/161/190/191，十六进制为佳。无需反馈、无需置数与清零，接线少）构成4进制计数器（00-01-10-11）结合74ls139或138（139所接线路更少）译码器作为模式选择控制器，4进制计数器两个输出经一个异或门结合反向器与三态输出缓存器构成时钟频率选择器，4进制计数器（00-01-10-11）时钟信号为160进位端ROC，音乐数模式下0111与音乐数模式选择信号共同产生），再结合适当的门电路即可实现功能。

此电路的特点在于：计数芯片只用了一个，通过三态门电路选择时钟频率，电路发杂程度适中。

方案三：NE555构成多谐振荡器产生脉冲，T'触发器对555产生的脉冲进行2分频，两片计数器（160/161/190/191）构成27进制计数器，利用两个JK触发器或一个计数器（160/161/190/191）构成4进制计数器（00-01-10-11）。4进制计数器（00-01-10-11）时钟信号为27进制计数器的9、14、19、27。

此电路的特点在于：整体控制时序，容易理解，但电路十分复杂。

方案四：NE555构成多谐振荡器产生脉冲，T'触发器对555产生的脉冲进行2分频，一片74ls160作为计数输出，一片移位寄存器（74ls194）构成模4的循环移位（Q3Q2Q1Q0 0111-1110-1101-1011-0111）寄存器。每个状态分别只有一个为低电平，省去了译码部分（74ls138、74ls139）。

此电路的特点在于：所用芯片少，巧妙利用上电复位信号对74ls194置数，之后便可进入循环状态，此方案电路较为简单，所用芯片总数最少。

方案五：NE555构成多谐振荡器产生脉冲，T'触发器对555产生的脉冲进行2分频，四片74ls160作为计数输出，每个状态一种。利用两个JK触发器或一个计数器（160/161/190/191）构成4进制计数器（00-01-10-11）。每个状态选通对应的计数器74ls160，并用两片74ls153对4片160的输出进行选择。

此电路的特点在于：芯片用的多，但门电路基本可以不用，理解方便。

4、方案选择

方案三过于复杂，直接舍弃！

方案五所用芯片过多，虽然调理比较清晰，但电路很复杂，未采用。

最开始设计的是较为容易理解的方案一，仿真发现自然数到奇数的1时间偏短，偶数到音乐数的1时间也偏短。为了进一步简化电路并改善时间偏短的现象，在偶数到音乐数的过渡中，不将74ls160置数到1，而是自然跳变为0，再利用74ls48译码器的动态灭零功能消除这个时间偏短的结0。其余基本正常，但为了接线方便，并未采用。

接下来尝试了方案二，为使电路简单，控制电路采用74ls161（16进制模式、无需另行设计）加74ls139译码，计数模块用74ls160。仿真结果与方案一一致。总体电路复杂程度有所降低。

最后尝试了方案四，仿真发现显示过程中会出现一些结果之外的8和9，并且音乐的7到自然数过渡过程模式选择移位寄存器74ls194会提前向下一个状态跳变（其速度堪比异步清零），通过Q3Q2Q1Q0 0111信号中 Q1与非Q0接到74ls194的S1端，在音乐数7的状态下，使74ls194 S1 S0为 00 ，从而保持音乐数状态，但是结果发现音乐数7到自然数的0 被动态灭零了。是因为音乐数状态的保持造成动态灭零使能有效，并且错过了移位脉冲，从而使状态停留在音乐数不变，导致整个系统瘫痪。仿真发现194状态跳变速度非常快（在进位信号刚来时就跳变了），所以模式进位信号改用音乐数后的8（1000），同时计数器160也用8（1000）进行异步清零，最终实现了功能。但是，系统运行过程中会跳变出短暂的干扰信号，使得数码管显示出短暂的8。最后再将194进位信号改成161（160无这个状态，故将160换成161）的1010，成功消除了干扰显示的8。

综合考虑电路的功能与复杂程度，最后选用了方案四。

二、设计思路与原理

1、系统方框图
2 、总体设计思路与工作原理

本系统以一片NE555构成的多谐振荡器为时钟源，JK触发器构成T'触发器用于将时钟源信号分频，得到1/2倍时钟源频率的脉冲信号，作为第二个时钟信号。计数器（74ls161）的时钟频率通过两个三态输出缓冲器选择，自然数（M0）与音乐数（M3）选择1/2倍时钟信号，奇数（M1）和偶数（M2）选择时钟源信号。

计数器（74ls161）清零置数法构成10进制计数器（不选160是因为194的状态跳变过快，161清零信号同时是194的时钟信号，采用160则无法使用异步清零置数法，从而使系统运行过程中因时序问题导致出现短暂的额外的8显示）。

本系统难点部分为循环控制部分（74ls194移位寄存器），循环控制部分中的74ls194置为模为四的环形计数器，初始状态通过上电复位（对该系统十分重要）信号置数Q3Q2Q1Q0为 0111，其状态有0111-1110-1101-1011-0111循环，Q3作为模式控制信号M0、Q0作为模式控制信号M1、Q1作为模式控制信号M2、Q2作为模式控制信号M3，分别对应自然数列模式（M0）、奇数模式（M1）、偶数模式（M2）、音乐数模式（M3）。

再根据不同模式对计数器（74ls161）输出的数据进行不同的处理，再接到译码器（74ls48）进行译码显示。

仿真发现自然数到奇数的1时间偏短，偶数到音乐数会出现一个短暂的0（采用异步清零的原因）。为了进一步简化电路并改善时间偏短的现象，在偶数到音乐数的过渡中，利用74ls48译码器的动态灭零功能消除这个时间偏短的0。

三．各主要电路及部件工作原理1， 2Hz脉冲及分频电路（NE555、JK触发器构成T'触发器）

图3 NE555多谐振荡电路原理图图4 NE555多谐振荡器工作波形

图5 JK触发器构成的T'触发器分频电路图6 时钟源（CLK1）（黄）及分频脉冲（CLK2）

（蓝）波形图

多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。多谐振荡器的周期公式:

t=（R1+2R2）Cln2

多谐振荡器的占空比公式:

即上图3多谐振荡器的周期约t约为0.5s,占空比q约为66.67%。

分频电路是由一个JK触发器构成，当J端和K端接成高电平时就是一个T'型触发器。T’触发器在一个脉冲的下降沿Q端的状态会变化一次，由这个原理便可以做成0.5倍频分频器。

参数计算：

因为需要一个每个数字切换为1S左右，因此根据上述公式，C2=10uf可以计算得出R=R1+2R2=72K。取R1=R2=24K。

2. 循环控制部分（74ls194移位寄存器）与上电复位电路

将74ls194接成模为4的环形计数器，通过上电复位信号控制给74ls194脉冲并同时置数 Q3Q2Q1Q0 为0111。其状态有0111-1110-1101-1011-0111循环，Q3作为模式控制信号M0、Q0作为模式控制信号M1、Q1作为模式控制信号M2、Q2作为模式控制信号M3，分别对应自然数列模式（M0）、奇数模式（M1）、偶数模式（M2）、音乐数模式（M3）。

如图 7，当开机时，复位信号（RD）(RD1为RD非)有短暂低电平。如图 9会使74ls194选通时钟源（CLK1），并将S1置位1，是194进入同步置数状态，将0111置入。之后选通计数电路进位信号（RCO）作为时钟，S0置0进入移位模式。每来一个脉冲便向下一个状态跳变。如图8 ，状态循环为0111-1110-1101-1011-0111。表现为依次将对应的模式信号置为0。

图 8 74ls194状态图

图7 复位电路

R D为复位信号，RD1为RD非

图9 74ls194构成的模4环形计数器

预置数据为0111，复位信号（RD）和复位非信号（RD1）用于控制194的时钟选择及工作模式。上电瞬间或手动复位瞬间，RD为0，选通时钟源信号（CLK1）作为194时钟，S0为1，S1接复位非信号（RD1）为1,194进入同步置数模式，在CLk1激励下置数，输出端Q3Q2Q1Q0 为 0111，自然数列模式信号（M0）为低（低有效）。复位信号消失后，194进入右移模式，在计数电路进位信号（RCO）作用下将按图8所示状态移位，依次使M0、M1、M2、M3选通。

3. 计数电路

图10 74ls161 10进制计数器

如图10，自然数模式信号（M0）、音乐数模式信号（M3）经与门产生 161时钟频率选择信号（CLKC），CLKC作用于两三态输出缓冲器（74ls125）对时钟源信号（CLK1）与1/2时钟信号（CLK2）进行选择，奇偶数时选择CLK1，自然数与音乐数选择CLK2。

74ls161按清零置数法接成十进制计数器，Q1、Q3经与门得到异步清零信号（RD2），自然数、奇数、偶数模式进位信号均为（RD2）。音乐数进位信号为8（1000），

Q3与M3非经与门得到音乐数进位信号（LOAD）。74ls194时钟信号（RCO）为LOAD和RD2组成，任意一个为高，则194向下一状态跳变一次。74ls161de清零信号由复位信号（RD）、LOAD、RD2三个组成，具体逻辑如图10所示。

PS：为什么194的时钟端用两个三态门选择之后，194的状态会跳的非常快（在9刚到的时候就跳变了，神如异步方式）？

图PS 两种方式下194时钟信号状态

由图PS可以看出，

4. 输出控制电路及译码显示电路

对于自然数列，不需做额外处理。

仿真发现自然数到奇数的1时间偏短，偶数到音乐数的1时间也偏短。为了进一步简化电路并改善时间偏短的现象，在偶数到音乐数的过渡中，异步清零，再利用74ls48译码器的动态灭零功能消除这个时间偏短的0。

对于音乐数列则到了8的的时候就要产生一个进位信号（LOAD）进行异步清零。

对于奇偶数列的处理，可以从输出四位二进制看出解决问题的方法，奇数列：0001,0011,0101,0111,1001。偶数列：0000,0010,0100,0110,1000。假如显示部分不接四位二进制输出的最低位，最低位接0，则可以得到偶数列的输出；反之，显示部分不接四位二进制输出的最低位，最低位接1，则可以得到奇数列的输出。对于这个奇偶数列的74LS160，假如和音乐数列、自然数列的74LS160接同一个脉冲，则会出现两类数字的跳动周期不一样，那么就可以用0.5倍频降频器来实现。