彩燈控制器的設計一、設計任務與要求（1）以半導體數碼管作為控制器的顯示器，它能自動地依次顯示出數字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數列），1、3、5、7、9（奇數列），0、2、4、6、8（偶數列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數列），然后又依次顯示出自然數列、奇數列、偶數列和音樂符號數列……如此周而復始，不斷循環。（2）打開電源時，控制器可自動清零，從接通電源時刻起，數碼管最先顯示出自然數列的0，再顯示出1，然后按上述規律變化。二、方案設計與論證 彩燈循環顯示控制電路組成方框圖如上圖所示,脈沖時鐘信號輸出高低電平,通過四個計數器依次計數,再由譯碼器譯碼,通過數碼管顯示出自然序列、奇數列、偶數列、音樂序列，序列循環的顯示由計數器來控制,每一個序列循環完畢后,計數器會產生一個進位信號,該信號通過計數器進而使序列循環起來。奇數列和偶數列的循環為自然序列和音樂序列的二分頻，這樣能做到每一次顯示的時間相同。 要讓四個數列依次循環則采用一個2線—4線譯碼器和一個四進制計數器。用譯碼器的輸出依次去控制芯片清零端,再通過一個四進制計數器去控制譯碼器輸入,使其在四個輸出間不斷循環,而計數器的時鐘脈沖則可通過每個芯片的進位端經過一四輸入或門輸出來控制。電路如圖這個部分主要用到的芯片是74HC390計數器和74HC139譯碼管,他們的功能表和引腳圖分別如下圖和表所示。74HC390功能表74HC139的功能表74HC390的引腳圖 74HC139的引腳圖三、單元電路設計與參數計算數列顯示部分這個部分是利用74LS160D計數器來實現的。根據數列不同的特點來連接電路的。電路圖如圖（以自然序列為例）數列顯示電路原理圖其中主要使用的是74LS160D來實現的，其功能以及引腳圖如下圖所示。74HC160引腳圖74HC139的功能表脈沖信號的產生 選用多諧振蕩器，它是一種在接通電源后，就能產生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，常作為脈沖信號源。而選用的電路是555定時器構成的，因為555定時器內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用它組成的多諧振蕩器的震蕩頻率收電源電壓和溫度變化的影響很小，這樣使產生的矩形波更穩定。電路如圖脈沖信號產生電路圖數列循環電路的設計 在這個部分主要是應用了一個四進制的計數器和一個譯碼器，這個部分的作用是為了使自然序列，奇數序列，偶數序列，音樂序列的循環顯示。其中四個74LS160計數器的進位端與74HC390的CPA相接，這樣就可以通過進位端狀態由0變為1的瞬間給它一個脈沖觸發，而另一個脈沖端則是與其輸出端QA相接的，這樣的接法是為了使74HC390實現8421BCD碼十進制計數的功能。然后再讓74HC390的輸出端QA，QB分別與譯碼器74HC194相接，這樣可以用譯碼器來控制計數器的動作狀態，它可以決定由哪個74LS160計數器來工作。當QA，QB為“0”，“0”時，這時譯碼器的輸出端就只有Yo為0，接一個反相器然后再接產生自然序列的計數器的清零端；這樣就可以實現只有自然序列輸出的功能，同理當QA，QB為“0”，“1”時，這時譯碼器的輸出端就只有Y1為0，接一個反相器然后再接產生奇數序列的計數器的清零端，這樣就可以實現只有奇數序列輸出的功能；當QA，QB為“1”，“0”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y2為0，接一個反相器然后再接產生偶數序列的計數器的清零端，這樣就可以實現只有偶數序列輸出的功能；當QA，QB為“1”，“1”時，這是譯碼器的輸出端就只有Y3為0，接一個反相器然后再接產生音樂序列的計數器的清零端，這樣就可以實現只有音樂序列輸出的功能。其產生序列的功能就是這樣實現的。其電路圖如圖用譯碼器實現的循環電路序列顯示電路的設計十進制自然序列的顯示電路由于74HC160本身就是一個十進制技術的芯片，因此對于這個部分就需要按其功能表來接電路就可以實現十進制自然序列輸出了。在脈沖信號的觸發下，計數器的輸出端的狀態依次為0000→0001→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再將計數器的輸出端和數碼管的輸入端口相接就可以在數碼管上面看到依次顯示從0到9了。其序列顯示電路圖如圖自然數列的顯示電路圖奇數序列顯示電路將奇數1，3，5，7，9用8421BCD碼分別表示為：“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以發現最后一位都為1，因此可以在上述十進制自然序列的基礎上將數碼管的最低位接高電平就可以實現奇數序列了。雖然在每個脈沖觸發的作用下，芯片實現的仍然是十進制，但是用于數碼管最低位接高電平，在數碼管現實的則是奇數列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的2倍，為了實現相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。其序列顯示電路圖如圖奇數序列的實現電路圖偶數序列顯示電路將偶數0，2，4，6，8用8421BCD碼分別表示為“0000”，“0100”，“0100”，“0110”，“1000”，可以發現最后一位都是0，因此可以在上述十進制自然序列的基礎上將數碼管的最低位接低電平就可以實現偶數序列了。雖然在每個脈沖觸發的作用下，芯片實現的仍然是十進制，但是由于數碼管最低位接高電平，在數碼管顯示的則是偶數列，但是顯示的時間間隔是正常自然序列的2倍，為了實現相鄰顯示時間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。其序列顯示電路圖如圖偶數序列的實現電路圖音樂序列顯示電路 音樂序列的特點是從0顯示到7后又再變為0，這里可以將數碼管的最高位固定接低電平就可以實現了。因為74LS160的輸出端只有三個與數碼管相接，當74LS160的輸出為“1000”和“1001”時，這是由于數碼管最高位是固定接低電平的，也就是數碼管的輸入端仍是“0000”，“0001”。這樣數碼管的顯示就又變成0和1了。其序列顯示電路如圖音樂數列的實現電路圖脈沖產生電路的設計 由于上述設計中所用到的芯片全要有脈沖信號的觸發才能完成相應的功能，所以就需要用到脈沖產生電路。這里用到的是555定時器設計的多諧振蕩器，多諧振蕩器的優點是在接通電源之后就可以產生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，而不需要再外加輸入信號了。而用555定時器設計的多諧振蕩器也有很多優點，由于555定時器內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，這樣就使多諧振蕩器產生的震蕩頻率受電源電壓和環境溫度變化的影響很小。 設R3和R4的上部分為RA，R1和R4的下部分為RB，電容C2兩端的電壓為Vc。接通電源后，電容C2被充電，當Vc上升到2/3Vcc時，使輸出電壓為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C2通過RB和T放電,Vc下降。當Vc下降到2/3Vcc時，V0翻轉為高電平。當放電結束后，T管截止，Vcc將通過RA和RB向電容器C2充電，當Vc上升到2/3Vcc時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其電路如圖脈沖產生電路二分頻電路的設計因為奇、偶序列數字顯示時間間隔是自然序列和音樂序列的2倍，為了實現顯示數字時間間隔相等的要求，可以使用二分頻電路，讓自然序列和音樂序列的顯示時間與奇偶電路的顯示時間相等。 JK觸發器可以構成二分頻電路。由于JK觸發器的狀態為，將JK觸發器的J、K端均接在高電平，則從輸出端Q輸出的是二分頻后的時間脈沖，其時間間隔為原脈沖的2倍。其電路圖如圖二分頻電路四、總電路工作原理及元器件清單總電路圖的設計1．總原理圖2．電路完整工作過程描述（總體工作原理）這個電路圖可以實現設計的要求，可以一次輸出自然數列，奇數序列，偶數序列還有音樂數列，而且還可以循環輸出，數碼管的顯示間隔時間也可以通過調節脈沖信號的頻率來進行調整。電路圖中四個74LS160的輸出端口分別與四個與門相接，然后再將四個門電路的輸出端分別與數碼管的輸入端相接。其中產生自然數列和音樂數列的脈沖信號的頻率是產生技術序列和偶數序列的脈沖信號的頻率是2倍，這是因為為了實現數字顯示時間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實現了這一功能。當打開電路的開關后，首先就是輸出自然序列，這時是U1先工作，他的清零端接的是“1”，這時就是它處在計數的操作，然后輸出通過與或門相接再接至數碼管的輸入端，就可以依次顯示從0到9，當U1的輸出要從9變到0的瞬間，它的進位端的狀態是“1”，然后通過一個或門接至74HC390的脈沖輸入端，這是從“0”，變至“1”，恰好有一個脈沖，就可以通過譯碼器使U4開始工作即開始計數，這是從9變至1時，又通過進位端給74HC390一個脈沖，然后就通過譯碼器又使U8開始工作，它從0變至8，當它從8變至0時，它的進位端又變至“1”，就又可以給74HC390一個脈沖信號，最后就通過譯碼器控制U9的工作，輸出音樂數列。如此周而復始就可以實現需要的功能。總電路圖如下3．元件清單元件序號型號主要參數數量備注R1T1。。。五、仿真調試與分析脈沖產生電路的仿真脈沖產生電路脈沖產生電路的仿真二分頻電路的仿真二分頻電路二分頻電路的仿真總電路的仿真調試結果分析：經調試后，電路可以實現設計要求，可以實現從自然序列，奇數序列和音樂序列的循環顯示，而且數字之間的顯示時間間隔也可以通過改變脈沖信號的頻率來改變。電路有一個缺點就是不能實現清零的作用，每次打開電源它的起始的數列是未知的，也就是說不能確定是從哪一個序列開始循環的，還有一個缺陷是序列循環在交接的時刻起會出現顯示時間不相等的現象，這可能是在芯片工作時由于傳輸延遲等原因所致，由調試結果可知，雖然基本滿足設計要求，但仍有需要改進的地方。改進構想：首先，循環序列芯片采用含有片選端的多功能計數器；其次，控制循環部分采用一種可編程邏輯器件制成的移位寄存器，用程序來實現置數；第三，脈沖產生電路采用一種頻率、幅度和周期都可調的高穩定性元件。六、結論與心得這次的課程設計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分利用所學過的理論知識還有自己的想象能力，另外還有學習查找資料的方法，以及自己處理分析電路、設計電路的能力。我相信這是對我們的一個很好的提高。平時在學習理論知識的時候，根本就沒有想到我們所學的這些東西有什么用，它們可以做成什么，只是一味利用它們來解決課后的習題，沒有想其它的用途。這次的課程設計讓我們懂得了它們在實際中的用途，突然感覺自己學的東西很有用，我們覺得這樣就可以激發我們以后的學習興趣，這樣有利于今后更好的學習。通過這次實踐活動，我們增強了解決問題的能力，從中也發現了自己在動手操作方面的不足，為日后參加工作打下堅實的基礎。首先，通過本次活動，我們了解數字電子技術的應用，發展前景，對所學專業有了進一步的了解，更加熱愛所學專業，從中發現了理論方面的缺陷。理論是我們今后實踐、工作的基礎，理論的學習不能有絲毫的懶惰，雖說理論是枯燥、乏味的，但我們要刻苦學習，充實自己的理論，為今后的學習工作打下基礎。其次，我們忽視了動手能力的培養，在動手制作中明顯感到了吃力，犯了很多錯誤，對我們是一個不少的打擊。但在另一方面也給了我們以警示，知不足，然后謀進。發現不足，促使我們更加多的參加各種實踐活動，壞事又成了好事。由于理論方面所學有限，了解又不好，再加之動手能力的匱乏，這次實踐也有很多不足之處，通過這次課程設計，我還更加深了理論知識的學習。這次的設計電路我用到了計數器還有譯碼器，通過自己分析和設計更好地運用了它們，而且還學會了它們更多的功能，發現它們的功能遠比功能表里面說的多很多，可以利用不同的接法設計出各種各樣不同的電路出來，另外在分析比較設計循環電路的環節中，我還考慮過利用移位寄存器來設計循環，可是發現移位寄存器的脈沖不好控制。不過我還是學會了移位寄存器的很多功能，以及通過查閱資料也知道了它的很多典型的電路。最后一個知識點就是利用555定時器來設計多諧振蕩器，我采用的電路就是課本里的介紹的典型電路，通過這個電路也讓我了解了555定時器的功能，還有一個就是利用JK觸發器來實現分頻的功能。這些是我這次設計所用到的知識點，通過這次的設計我鞏固了對這些理論性的知識的理解。最后我覺得自己也學