标题: 四序列彩灯控制器的电路设计 数字电子技术设计 [打印本页]
作者: 1234889    时间: 2023-12-24 16:59
标题: 四序列彩灯控制器的电路设计 数字电子技术设计
   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）、01234567（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。

2.1设计思路
根据任务要求可以确定电路应该由以下几个部分构成：数列产生电路、控制输出电路、数码显示电路、为使各数列中不同数字显示时间相同所以应该使用同一个时钟脉冲，因此还应该包括一个脉冲产生电路。

2.2各部分电路简介：
数列产生电路：产生 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9、1,3,5,7,9、0,2,4,6,8、0,1,2,3,4,5,6,7 四个序列数字并输出。计划使用 4 片74HC160 芯片分别实现。
输出控制电路：利用各个数列产生芯片完成相应数列计数后的反馈信号控制计数芯片循环工作（使同一时间只有一个用于数列产生的芯片工作） 。
数码显示电路：数列产生电路输出的数字为 8421BCD 编码的十进制数，可以直接输入74hc48 芯片再由74hc48 芯片驱动共阴极数码管使对应的数字亮起。
脉冲产生电路：为使数字显示稳定可观察，应该产生周期为2s左右的方波。

芯片介绍：自然序列、奇数序列、偶数序列、音乐序列可以依次循环输出而且四个数列中的元素都是由十进制自然数组成，所以考虑使用 74HC160 芯片实现。74HC160 芯片是四位十进制同步计数器，它可以在时钟脉冲的作用下实现从0 到9 的计数。计数器的输出（Q0 至 Q3）可预设为高电平或低电平。并行使能输入(PE)处的低电平可禁用计数操作并使数据输入（D0 至 D3）上的数据加载到时钟正边沿上的计数器中。无论计数使能输入（CEP 和 CET）上的电平如何都会发生预设。主复位输入(MR)处的低电平会将所有四个触发器（Q0 至Q3）输出设置为低电平，而无论 CP、PE、CET和CEP 输入上的电平如何（从而提供了异步清零功能）。
3.1.2自然序列产生电路
自然序列为 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。它与 74HC160 芯片的计数输出吻合，按照功能表74hc160 芯片在脉冲信号的触发下输出依次为 0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，因此可以直接将这片 74HC160 芯片的 4 个输出端接到数码显示电路。
另外，根据74HC160 芯片的功能表可以知道：在计数器计数到 9 时，会在RCO端输出一个进位信号。所以可以将这个进位信号反馈到输出控制电路，使输入控制电路控制下一个奇数列产生芯片进入工作状态并且切断当前自然数列产生芯片的输出。 所以，只需要忽略芯片最低位输出端 QA 的输出，直接将高电平接入数码管，虽然这时候计数器仍然在进行 0-9 的计数，但由于最低位输出替换为高电平，所以显示电路显示的是奇数列。但同时带来一个问题，那就是 74hc160 芯片输出两个状态才能使数码显示电路显示下一个奇数。这样的话会使奇数列中每一个数字显示的时间是自然
数列中每一个数字显示时间的两倍。反馈到输出控制电路，使输入控制电路控制下一个偶数数列产生芯片进入工作状态并且切断当前工作的奇数数列产生芯片的输出。
3.1.4  偶数列产生电路
观察 3.1.3 中 0-9→8421BCD 码的转换表不难发现，0-9 中所有偶数的最高位都是 1，  所以，只需要忽略芯片最低位输出端 QD 的输出，直接将高电平接入数码管，虽然这时候计数器仍然在进行 0-9 的计数，但由于最高位输出替换为高电平，所以显示电路显示的是偶数数列。同时因为芯片实际还是从 0 计数到9 所以计数器完成一个循环后仍会在RCO端产生一个进位信号，这个信号可以反馈到输出控制电路，使输入控制电路控制下一个音乐数列产生芯片进入工作状态并且切断当前自然数列产生芯片的输出。但同样会带来偶数列每个数字显示时间是自然数列每个数字显示时间两倍的问题

3.1.5音乐数列产生电路
音乐数列是0,1,2,3,4,5,6,7。所以不采取忽略计数器某位输出信号并替换为高/低电平的方式。而是可以直接将计数器四位输出接入数码显示电路。但与前三种数列情况不同的是音乐数列产生芯片在时钟脉冲的触发下只经历 0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111 七个状态，按照功能表芯片不会在RCO端输出进位信号。
所以将0111 的下一个状态 1000 的最高位1作为反馈信号接入输出控制电路以切断当前音乐数列产生芯片并使自然数列产生芯片开始工作，这样就能达到 4 个芯片循环工作，4 个数列循环的效果。
这样做有两个原因：一是这样反馈信号将在计数器进入 1000 时出现，不影响数字 7的显示时间。二是计数器的最高位输出 QD 在 8 对应的状态 1000 才第一次变为高电平“1”而0-7 都是低电平“0”。

3.2输出控制电路
3.2.1各数列间的状态关系
输出控制电路需要在通电后先保持自然数列产生芯片的工作状态，在第一个反馈信
号（自然数列产生芯片的进位信号）进入后切断自然数列产生芯片并让下一片芯片（奇
数列产生芯片）进入工作状态。

在第二个反馈信号（奇数列产生芯片的进位信号）进入后切断奇数列产生芯片并让偶数列信号产生芯片进入工作状态。
在第三个反馈信号（偶数列产生芯片的进位信号）进入后切断当前芯片并让音乐数列产生芯片进入工作状态。
在第 4 个反馈信号（音乐数列产生芯片的最高位变为“1”）进入后切断当前芯片，并让自然数列产生芯片进入工作状态。这样就构成了一个循环。并且由于电路没有储存功能所以没次断电后再通电
3.2.2各数列状态的切换
这部分电路中存在有4 个状态的循环。将4 个状态——自然数列、奇数列、偶数列、音乐数列分别编码为00,01,10,11，4 个反馈信号只在需要状态转换时出现而且均为脉冲电压信号。这不就是二进制计数器吗！所以我将 4 根反馈线接在一个四输入或门上，四输入或门输出端接一片 74HC161 计数器的CLK 端。 任何一片数列产生芯片未完成计数时或门的输出都是“0”当任何一片数列产生芯片完成计数并输出反馈信号时或门就输出一次高电平。这个过程产生了上升沿，触发 74hc161 芯片计数一次。

3.2.3芯片工作状态的切换
前面已经对数列产生电路的四个状态进行了编码，并由 74hc161 进行循环。但单凭74hc161 还不能实现切断当前芯片并使下一个数列产生芯片进入工作状态的要求。所以我使用74HC139 芯片接在 74hc161 芯片后面。74HC139 为  2  线—4  线译码器,当赋能输入端 G 为高电平时,按二进制控制输入码从 4  个输出端中译出一个低电平输出。下面是74hc139 的功能表。

可以发现向74hc139 输入00,01,10,11 中任意一个数，它可以输出一一对应的低电平有效输出。我们只需要将 74hc139 的输出端接在反相器上，并把反相器输出接在对应状态编码的数列产生芯片上就可以去控制数列产生芯片的工作状态了。下面给出输出控制电路的状态图和输出真值表

Y0、Y1、Y2、Y3 分别接自然数列产生芯片、奇数列产生芯片、偶数列产生芯片、音乐数列产生芯片的ENP与END 与LOAD 与CLR端。
这样一来，通电后输出转换电路状态为 00 第一片74hc160 芯片（自然数列）计数完成后输出进位信号作为触发沿使输出转换电路进入状态 01，第二片芯片开始工作，而第一片芯片被切断。
第二片 74hc160 芯片（奇数列）计数完成后输出进位信号作为触发沿使输出转换电路进入下一个状态10，第三片芯片开始工作，而第二片芯片被切断。
第三片 74hc160 芯片（偶数列）计数完成后输出进位信号作为触发沿使输出转换电路进入下一个状态11，第四片芯片开始工作，而第三片芯片被切断。

第四片 74hc160 芯片（音乐数列）计数完成后输出反馈信号（计数到 8，最高位输出为1）作为触发沿使输出转换电路回到状态00，第一片芯片开始工作，而第四片芯片被切断。
这样就实现了4 片 74HC160 芯片循环工作，并循环输出 4 个数列。

根据功能表可以将它与共阴极数码管连接后，在其输入端输入 8421BCD 码对应的数可以
直接在数码管上显示。
74hc47 是驱动共阳极数码管的  ，将它与共阴极数码管连接后，在其输入端输入 8421BCD
码对应的数可以直接在数码管上显示。其输出与 74hc48 相反。

3.3.2  四个数码管构成的显示电路
数码显示电路将数列产生电路的输出显示出来。由于数列产生电路采用的是74hc160，它直接输出 8421BCD 码这与数码管的驱动芯片的输入要求吻合。所以采取直接连接（但奇数列最低位接高电平，偶数列最低位接低电平） 。——接法一
在这种接法下4 个数码管依次显示 4 个数列，某个数列输出时，其他 3 个数码管显示0。
也可以将 4 个数码管的驱动芯片 74hc48 的使能端分别接到输出控制电路对应的输出上。——接法二 这样某个数列输出时，其他 3 个数码管不显示。
3.3.3  一个数码管构成的显示电路
一个数码管构成的显示电路由一个共阴极数码管和它的驱动芯片 74hc48 还有 5 个四输入与门组成。
因为同一时刻只有一个数列输出，所以完全可以利用与门在一个数码管上显示全部数列。只需要把每一片数列产生芯片 74hc160的相同位数输出端接在同一个与门的输入端（但奇数列最低位接高电平，偶数列最低位接低电平） ，再把这个与门的输出端接在74hc48 芯片的对应相同位数输入端。
以只接各个数列产生芯片的 QD 端到与门的输出端为例：

3.4  脉冲产生电路
3.4.1 NE555芯片介绍
脉冲产生电路的核心芯片是 NE555 它有以下优点：
1、它只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2、它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
3、其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4、它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

3.4.3  分频电路
在“3.1 数列产生电路”中我们发现，奇数列与偶数列（芯片组 1）中每个数字显示时间是自然数列与音乐数列（芯片组 2）中数字显示时间的两倍。为了解决这个问题，我们可以采取给两对芯片接不同周期的时钟信号的办法。
我采用的是给芯片组 1 接周期是两倍于多谐振荡器产生脉冲周期的时钟脉冲的方法。
这样每个数字显示的时间都在 2s左右。 如何将周期翻倍呢?我用的是JK 触发器。 JK 触发器的特征方程为如何将周期翻倍呢?我用的是JK 触发器。 JK 触发器的特征方程为,将触发器的 J,K 端均接高电平后。，触发器的输出将在脉冲的触发下不断翻转，但由于只有脉冲的上升沿（或者是下降沿）到来时输出才翻转，所以触发器输出的脉冲的周期将是原脉冲周期的两倍。

五：调试
5.1  一些总结
从此前前面的部分来看，设计这个电路仿佛很顺利，但实际上却不是这样。在电路的设计过程中多次出现搭建好电路却在仿真时不能按设想工作的情况，这往往是设计有缺陷或者根本上就是设计出错，只有几次是因为连错了线。经历这次设计我深深的认识到了模块化设计电路，并且要分模块搭建电路，搭建完一个模块的电路就应该测试其是否能按自己设想那样工作。测试无误后才能将它与其他部分电路连接。否则要在庞大的一个电路上找错那个难度与工作量是指数倍上涨。
5.2  部分电路调试过程
设计期间修改了很多次电路，下面简述两次调试过程。
5.2.1  自然数列中“9”一闪而过的问题

观察输出波形，Q端输出脉冲的周期是原脉冲的两倍。这样就解决了两组数列数字显示时间不同的问题。
四：仿真
仿真软件： 本次设计使用的仿真软件是 Multisim14.0。 Multisim是（NI）推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
运行结果： 在 Multisim 中运行仿真，数码管依次显示了0,1,2,3,4,5,6,7,8,9， 1,3,5,7,9， 0,2,4,6,8，0,1,2,3,4,5,6,7 且每个数字显示时间基本一致。

方案一：
前面3.1.2 中提到，自然数列产生芯片是将进位信号做为反馈引入输出控制电路，以达到切断当前芯片并使下一芯片进入工作状态的目的的。在最初的设计中，我是将 RCO端直接接到输出控制电路那个或门上。但在运行仿真时却出现问题，第一个数列的 8 显示完后不久奇数列芯片就开始工作了，9 几乎是一闪而过。为了弄明白怎么回事，我在RCO端接了一个示波器。然后运行仿真，发现在 8 显示完毕，后示波器出现了一个脉冲。也就是说第一个芯片计数到 9 时，进位信号和 9 将同时出现。这解释了 9 为何一闪而过。因为我的设想是进位信号出现即切断当前芯片，而其他 3 个计数器因为可以忽略数字9 的输出，所以没有这个问题。
问题找到了，那如何解决呢？如果去修改输出控制电路那估计要推倒重来。所以我决定在 RCO 和输出控制电路的或门之间加一个电路来解决这个问题。受到分频电路部分的启发。我决定利用 JK 触发器的翻转功能。 将触发器接成如下图。

框内电路实际上是实现的与非功能:? + ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ??。 因为发现这个问题时已经上报了元件清单，所以用已有器件实现。
触发器的初始状态为 0，两个输出端皆为 0。在 0-9 芯片计数到 9 时 RCO 端输出一个脉冲，触发器状态改变,9 显示完后? ?变为 1，第一片芯片被切断。这样就解决了 9 一闪而过的问题。在第二个芯片 QB、QC 同时为 1 后? ?回到 0，不影响后续芯片的状态切换。

方案二
将输出控制电路的 4 输入或门换为4 输入或非门。这样在没有输入时 74161 芯片的CP 端固定为高电平，74161 芯片仍然是上升沿触发。但是数字 9 可以在第一个芯片的RCO端输出时产生的低电平脉冲的宽度对应时间内显示。

此时需要将 1-7 产生芯片的 QA、QB、QC 端用 3 输入与门输出到或非门上，当计数
到7 时切断该芯片。



原理图: 无
仿真: 无
代码: 无
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