1、課題四閃光燈邏輯控制電路的設計與制作閃光燈邏輯控制電路是電子游戲、廣告制作、舞臺演出中最常用的邏輯控制電路,和前三個課題不同的是電路采用純數字電路器件來實現。數字電路能用的器件有通用的中,小規模集成電路和專用的數字集成電路兩種,器件的選擇余地更大,設計方案較多。數字電路的設計思路與模擬電路有著根本的差別,而且只要電路邏輯設計正確,調試的工作量較小。希望通過本課題的設計與制作,使初學者能熟悉數字電路的一般設計方法。設計并制作一個閃光燈控制邏輯電路,設計要求:紅(R、黃(A、綠(G三種顏色的閃光燈在時鐘信號作用下按表35規定的邏輯順序轉換。表中“1”表示燈亮,“0”表示燈滅。要求電路能自啟動。狀態

2、轉換時間間隔為0.5s,設計并制作一個CP脈沖源。表3-5閃光燈轉換順序表 2. 設計方案的選擇(1邏輯分析三個閃光燈R、A、G作為三個輸出變量,燈亮為“1”,燈滅為“0”,在時鐘CP的作用下,共8個狀態,其狀態轉換圖如圖3-4-1所示。 圖3-4-1狀態轉換圖由狀態轉換圖可知,本電路可以自啟動。設計思路:能否用一個八進制計數器,再設計一個狀態轉換電路,將計數器的8個輸出狀態依次轉化為燈光控制電路的規定狀態,狀態轉換的真值表如表3-6所示。表3-6狀態轉換真值表 由真值表可得輸出變量的函數表達式為 R=012012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q + A=012012012Q Q Q

3、Q Q Q Q Q Q + G=012012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q + (2 設計方案的比較與選擇由上分析,本課題總的設計方案是先設計一個八進制同步加法計數器為閃光燈邏輯控制電路提供輸入變量,再設計一個狀態轉換電路保證閃光燈按規定順序工作。八進制計數器根據器件來源,可以選用三片小規模集成觸發器如D 觸發器,JK 觸發器等,也可采用中規模集成計數器如74LS160,74LS161等構成,轉換電路的設計方案更多,可采用門電路,也可采用數據選擇器,3線8線譯碼器,甚至只讀存儲器ROM 來實現。不同的器件對邏輯函數的處理方式不同。本課題首先確定八進制計數器由十進制同步加法計數器74L

4、S160來實現,只是轉換電路選用不同的器件,介紹三種設計方案供選擇比較。(1八進制計數器的設計 圖3-4-2電路的狀態轉換圖 圖3-4-2用74LS160接成八進制計數器電路如圖3-4-2所示,采用預置數法,令D0D1D2D3均為零,當計數器輸出端Q3Q2Q1Q0=0111時LD=0,再來一個CP的上升沿,計數器狀態變為0000,實現八進制計數,其狀態轉換圖如圖3-4-3所示。由圖可知,電路可以實現自啟動。G1為3輸入與非門,選用三3輸入與非門74LS10,只用其中一組。74LS160的功能表如表3-7所示,各管腳排列見附錄三之三。74LS160的功能表 (2轉換電路的設計設計方案1:轉換電路

5、選用SSI (小規模集成電路 由式3-4-1 經化簡變換成與非與非形式得:A=02010201Q Q Q Q Q Q Q Q =+ G=0121201212Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q =+畫出狀態轉換電路的邏輯圖如圖3-4-3所示。圖3-4-3 方案1的狀態轉換電路邏輯圖由上圖知,該方案使用的與非門太多,除非片源只有與非門時才使用該方案。設計方案2 :轉換電路選用雙4選1數據選擇器74LS153數據選擇器74LS153片內由兩個4選1數據選擇器組成,以A 1、A 0作為地址代碼,A 0、A 1的4種狀態可選擇4個數據中的一個。使能控制電路的工作狀態,輸出邏輯式為:Y 1=D 10(

6、01A A +D 11(01A A +D 12(A 10A +D 13(A 1A 0S 1 Y 2=D 20(01A A +D 21(01A A +D 22(A 10A +D 23(A 1A 0S 2由上,令A 1為Q 1,A 0為Q 0, Y 1=R, Y 2=A ,G 端用另1片的Y 1。 片(1D 10=Q 2、D 11=2Q 、D 12=0、D 13=Q 2、D 20=Q 2、D 21=D 23=0、D 22=1 片(2D 10=D 11=Q2、D 12=0、D13=2Q , 則邏輯表達式為:R=Q 2(01Q Q +(0(01201012Q Q Q Q Q Q Q Q + A=Q 2

7、(01Q Q +0 .(01Q Q +1(Q10Q +001(Q Q G=Q 2(0(0120102201Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q +式(3-4-2中,0接地,1接+5V ,畫出狀態轉換電路的邏輯圖如圖3-4-4所示。 圖3-4-4方案2的邏輯電路圖圖中74LS153的管腳圖見附錄三之三。由圖,由于采用了中規模集成電路,電路結構及連線比方案1要簡單得多。設計方案3:狀態轉換電路采用3線8線譯碼器74LS138來完成74LS138有3個輸入變量端,正好對應紅、黃、綠三種顏色的燈,輸出有8個端口,將三個輸入變量的全部最小項譯碼輸出,根據式(3-4-1的邏輯關系進行適當的組合。由式(3

8、-4-1:741741012012012m m m m m m Q Q Q Q Q Q Q Q Q R =+=+=642642012012012mmmm m m QQ Q QQ Q QQ Q A =+=+=543543012012012m mm m m m Q Q Q QQ Q Q Q Q G =+=+=設計方案3的狀態轉換電路如圖3-4-5所示。圖 3-4-5 方案 3 的狀態轉換邏輯電路圖 由圖知，此方案比方案 1 要簡單得多，與方案 2 相比各有特點，但接線比方案 2 相對簡 單，且少用一片集成塊。 （3）時鐘電路的設計 對時鐘電路的要求是周期為 0.5s，脈沖幅值 3vUm5v,前沿要

9、陡直，且穩定性要好， 實現上述要求的電路形式很多， 如用兩片集成反向器構成對稱式或非對稱式多諧振蕩器， 或 用一片施密特反相器、一個電阻、一個電容可構成多諧振蕩器，也可用 555 定時器組成多諧 振蕩器，結構簡單，調整方便。 設計方案的選擇 選用 555 定時器構成多諧振蕩器作為時鐘電路，電路如圖 3-4-6 所示。參數計算如下: 由 T=（R1+2R2）C1 2=0.5S R1+2R2= 取 C1=10uF 則 R1+2R2= 則有 0 .5 0.69 × C1 0 .5 × 10 5 = 72.5 K 0.69 取 R1=12K , R 2 = 30 K 調整 R2，使

10、周期為 0.5s，頻率為 2Hz。C2 取 0.01uF。 圖 3-4-6 時鐘信號發生電路 4. 總電路圖 （1）選用數據選擇器 74LS153 的總電路圖 圖 3-4-7 閃光燈邏輯控制電路之一 圖中，因 74LS160 的 Q3 不接，本身即為八進制計數器，故圖 3-4-2 中 G 實際無用，省 去。 (2 采用 74LS138 作為狀態轉換電路的總電路圖 圖 3-4-8 閃光燈邏輯控制電路之二 圖中 74LS160 的 Q3 端不用，故省去 G1、G2、G3、G4 可選用 1 片三 3 輸入與非門 74LS10 即可，各片的管腳功能圖參見附錄三之三。 5. 實驗與調試 數字電子電路的安

11、裝與調試方式和模擬電子電路基本相同，可以采取一次安裝逐級調 試，也可以逐級安裝與調試，與模擬電路相比，調試工作量較小，只要邏輯關系正確，一般 結果不會出現大的問題，但由于引線較多，故障率較高，在安裝調試時應合理布線，便于檢 查。 （1）時鐘電路的安裝于調試 按圖 3-4-6 電路及參數安裝后通電， 示波器接 555 定時器的腳， 測量是否有脈沖波輸 出。若沒有，應檢查電路連接是否有錯，直至波形正常輸出，測出幅值是否>=3V，周期一般 要經過仔細調整 R1 或 R2，直至達到 0.5 為止。 （2）八進制計數器的安裝與調試 按圖 3-4-7 或圖 3-4-8 安裝計數器部分的八進制計數器，

12、接通+5V 電源，并從 CP 端輸 入時鐘電路的輸出時鐘脈沖，分別用示波器觀察 Q0、Q1、Q2 的波形，應如圖 3-4-9 所示。 圖 3-4-9 八進制計數器各輸出端波形圖 （3）狀態轉換電路的安裝與調試 按圖 3-4-7 或圖 3-4-8 中狀態轉換電路組裝電路，檢查無誤，并在 R、A、G 端分別接上 紅、黃、綠發光二極管。通電后觀察閃光燈的亮滅規律是否滿足表 3-5 的要求。 6.元器件清單（按圖 3-4-8 方案列出） 序 號 1 2 3 4 5 6 7 7.設計任務 名 稱 電阻 電阻 電容 電容 計數器 3 線 8 線譯碼器 三 3 輸入與非門 序 號 R1 R2 C1 C2 規格型號 0.125W 12K 0.125W 30K 10uF 16V 0.01uF 74LS160 74LSA138 數 量 1 1 1 1 1 1 1 G2、G3、G4 74LS10 分析電路的設計內容，說明對于同一個設計課題，如何選擇設計方案。 選擇其中一個設計方案，進行單元電路設計，安裝與調試