數(shù)電課程設(shè)計

簡易彩燈控制器電路簡易彩燈控制器電路簡易彩燈控制電路數(shù)字電子課程設(shè)計第第頁目錄第1章 11.1數(shù)字技術(shù)概論 21.2數(shù)字技術(shù)與電子計算機 21.3數(shù)字技術(shù)的其他應(yīng)用 4第2章作品設(shè)計要求 42.1設(shè)計要求 43.1系統(tǒng)組成框圖 43.2工作原理分析 5第4章元器件的選擇 64.1移位寄存器74LS194 64.274LS161 94.3D觸發(fā)器 104.4555定時器 114.5發(fā)光二極管 13第5章單元電路設(shè)計 145.1分頻電路 145.2時鐘脈沖產(chǎn)生電路 155.3狀態(tài)機電路 165.4移位輸出電路 16第6章心得體會 18附錄 19附錄1：元器件清單 19參考文獻 19第1章系統(tǒng)設(shè)計緒論1.1數(shù)字技術(shù)概論電子技術(shù)是20世紀發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，已經(jīng)使得工業(yè)，農(nóng)業(yè)，科研，教育，醫(yī)療，文化娛樂以及人們的日常生活發(fā)生了根本的變革。特別是數(shù)字電子技術(shù)，在近四十多年來，取得了令人矚目的進步。電子技術(shù)的發(fā)展歷程是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的。20世紀初直至中葉，主要使用的電子器件是真空管，也稱電子管。隨著固體微電子學的進步，第一支晶體三極管于1947年問世，開創(chuàng)了電子技術(shù)的新領(lǐng)域。隨后60年代初，模擬和數(shù)字集成電路相繼問世。到70年代末微處理器的問世，電子器件及應(yīng)用出現(xiàn)了嶄新的局面。1988年，集成工藝可在一平方厘米的硅片上集成3500萬個元件，說明集成電路進入甚大規(guī)模階段。當前的制造技術(shù)已經(jīng)使得集成電路芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米和深亞微米（）量級。隨著芯片上元件和布線的縮小，芯片的功耗降低而速度大為提高。最新生產(chǎn)的微處理器的時鐘頻率高達。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展歷程與模擬電路一樣，經(jīng)歷了由電子管，半導(dǎo)體分立器件到集成電路的過程。由于集成電路的發(fā)展非常迅速，很快占有主導(dǎo)地位，因此，數(shù)字電路的主流形式是數(shù)字集成電路。從20世紀60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件，隨后發(fā)展到中規(guī)模；70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍；從80年代中期開始，專用集成電路（ASIC）制作技術(shù)已趨向成熟，標志著數(shù)字集成電路發(fā)展到了新的階段。1.2數(shù)字技術(shù)與電子計算機數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的典型代表是電子計算機，它是伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的?，F(xiàn)代計算機起源自英國數(shù)學教授Charles

Babbage。他發(fā)現(xiàn)通常的計算設(shè)備中有許多錯誤，在劍橋?qū)W習時，他認為可以利用蒸汽機進行運算。起先他設(shè)計差分機用于計算導(dǎo)航表，后來，他發(fā)現(xiàn)差分機只是專門用途的機器，于是放棄了原來的研究，開始設(shè)計包含現(xiàn)代計算機基本組成部分的分析機（Analytical-Engine）。Babbage的蒸汽動力計算機雖然最終沒有完成，以今天的標準看也是非常原始的，然而，它勾畫出現(xiàn)代通用計算機的基本功能部分，在概念上是一個突破。在這之前的計算機，都是基于機械運行方式，盡管有個別產(chǎn)品開始引入一些電學內(nèi)容，卻都是從屬與機械的，還沒有進入計算機的靈活：邏輯運算領(lǐng)域。而在這之后，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機就開始了由機械向電子時代的過渡，電子越來越成為計算機的主體，機械越來越成為從屬，二者的地位發(fā)生了變化，計算機也開始了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。1906年美國的Lee

De

Forest發(fā)明了電子管。在這之前造出數(shù)字電子計算機是不可能的。這為電子計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1935年IBM推出IBM

601機，這是一臺能在一秒鐘算出乘法的穿孔卡片計算機。這臺機器無論在自然科學還是在商業(yè)意義上都具有重要的地位。大約造了1500臺。1938年ClaudeE.Shannon發(fā)表了用繼電器進行邏輯表示的論文。1938年柏林的Konrad

Zuse和他的助手們完成了一個機械可編程二進制形式的計算機，其理論基礎(chǔ)是Boolean代數(shù)。后來命名為Z1。它的功能比較強大，用類似電影膠片的東西作為存儲介質(zhì)?？梢赃\算七位指數(shù)和16位小數(shù)?？梢杂靡粋€鍵盤輸入數(shù)字，用燈泡顯示結(jié)果。1939年加利福尼亞的DavidHewlet和William

Packard在他們的車庫里造出了Hewlett-Packard計算機。名字是兩人用投硬幣的方式?jīng)Q定的。包括兩人名字的一部分。1939年11月美國John

V.Atanasoff和他的學生Clifford

Berry

完成了一臺16位的加法器，這是第一臺真空管計算機。1939年Zuse和Schreyer開始在他們的Z1計算機的基礎(chǔ)上發(fā)展Z2計算機，并用繼電器改進它的存儲和計算單元。1940年Schreyer利用真空管完成了一個10位的加法器，并使用了氖燈做存儲裝置。1943年到1959年時期的計算機通常被稱作第一代計算機。使用真空管，所有的程序都是用機器碼編寫，使用穿孔卡片。典型的機器就是UNIVAC。1943年1月Mark

I，自動順序控制計算機在美國研制成功。整個機器有51英尺長，重5噸，75萬個零部件，使用了3304個繼電器，60個開關(guān)作為機械只讀存儲器。程序存儲在紙帶上，數(shù)據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。被用來為美國海軍計算彈道火力表。1943年4月Max

Newman、Wynn-Williams和他們的研究小組研制成功"Heath

Robinson"，這是一臺密碼破譯機，嚴格說的話不是一臺計算機。但是其使用了一些邏輯部件和真空管，其光學裝置每秒鐘能讀入2000個字符。同樣具有劃時代的意義。1943年9月

Williams和Stibitz完成了"Relay

Interpolator"，后來命名為”Model

II

Relay

Calculator”。這是一臺可編程計算機。同樣使用紙帶輸入程序和數(shù)據(jù)。其運行更可靠，每個數(shù)用7個繼電器表示，可進行浮點運算。1943年12月，最早的可編程計算機在英國推出，包括2400個真空管，目的是為了破譯德國的密碼，每秒能翻譯大約5000個字符，但使用完后不久就遭到了毀壞。據(jù)說是因為在翻譯俄語的時候出現(xiàn)了錯誤。真空管時代的計算機盡管已經(jīng)步入了現(xiàn)代計算機的范疇，但其體積之大、能耗之高、故障之多、價格之貴大大制約了它的普及應(yīng)用。直到晶體管被發(fā)明出來，電子計算機才找到了騰飛的起點。1947年Bell實驗室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen和WalterH.Brattain.發(fā)明了晶體管，開辟了電子時代新紀元。1949年劍橋大學的Wilkes和他的小組建成了一臺存儲程序的計算機EDSAC。這是一個突破，可以多次在其上存儲程序。這臺機器是JohnvonNeumann提議建造的。1950年軟磁盤由東京帝國大學的Yoshiro

Nakamats發(fā)明。其銷售權(quán)由IBM公司獲得。開創(chuàng)存儲時代新紀元。1950年英國數(shù)學家和計算機先驅(qū)Alan

Turing說：計算機將會具有人的智慧，如果一個人和一臺機器對話，對于提出和回答的問題，這個人不能區(qū)別到底對話的是機器還是人，那么這臺機器就具有了人的智能。1951年Grace

Murray

Hopper完成了高級語言編譯器。1954年IBM的John

Backus和他的研究小組開始開發(fā)

FORTRAN

(FORmula

TRANslation)，1957年完成，這是一種適合科學研究使用的計算機高級語言。1956年第一次有關(guān)人工智能的會議在Dartmouth學院召開。1957年IBM開發(fā)成功第一臺點陣打印機。1957年FORTRAN

高級語言開發(fā)成功。1.3數(shù)字技術(shù)的其他應(yīng)用交通控制系統(tǒng)也是數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的一典型范例。交通燈是1920年問世的，早期的交通燈是用機電定時器控制。后來用繼電器和開關(guān)構(gòu)成的控制器，根據(jù)道路上傳感檢測的信號進行控制?，F(xiàn)在的交通燈由計算機控制，可以將監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的車輛流量信息送到系統(tǒng)計算機，經(jīng)過計算后進行合理的時間分配。如果某路口東西方向堵塞，則將該路口東西方向的綠燈自動延時，并將附近區(qū)域東西方向的紅燈也自動地延時，堵塞接觸后，信號燈恢復(fù)正常狀態(tài)。第2章作品設(shè)計要求2.1設(shè)計要求題目：簡易彩燈控制器電路基本要求：（1）要求電路能夠控制8個以上的彩燈。 (2）要求彩燈組成四種以上的花形，每種花形連續(xù)循環(huán)兩次，各種花形輪流顯示。第3章系統(tǒng)組成及工作原理3.1系統(tǒng)組成框圖把四花型彩光燈設(shè)計分為幾個獨立的功能模塊進行設(shè)計，每個模塊完成特定的功能，再它們組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，它們分別為：時鐘振蕩電路，555定時器構(gòu)成多諧振蕩器;分頻電路，由一個四位二進制計數(shù)器74LS161組成，并為D觸發(fā)器提供時鐘信號；狀態(tài)機電路，由雙D觸發(fā)器組成（狀態(tài)機換言之就是改變輸入的時鐘信號的循環(huán)周期）；移位顯示電路，由兩個雙向移位寄存器74194和8個發(fā)光二極管組成.實現(xiàn)花型顯示如圖3-1：圖3-1系統(tǒng)組成框圖3.2工作原理分析改系統(tǒng)由555定時器構(gòu)成的時鐘振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的脈沖，一方面作用于由74161組成的分頻電路，一方面作用于由74F194構(gòu)成的移位輸出電路，為他們提供時鐘信號。由于74161是16分頻計數(shù)器，故每十六個脈沖74LS161進位一次,致使觸發(fā)器U4A翻轉(zhuǎn)一次，而觸發(fā)器U4B的11腳連接的是觸發(fā)器U4A的5腳，實現(xiàn)了U4A的16分頻和U4B的32分頻。所以平均U4A翻轉(zhuǎn)兩次而U4B翻轉(zhuǎn)一次。有兩個集成移位寄存器，各控制4個彩燈，集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中Ｓ1和Ｓ0是兩個控制輸入端。雙Ｄ觸發(fā)器的輸出端改變Ｓ0,Ｓ1的值，實現(xiàn)左右移動控制，可組成U4A左移，U4B右移；U4A右移，U4B右移；U4A左移，U4B左移；U4A右移，U4B左移四種花型。每十六個脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時Ｄ觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為下一種花型。四種花型如下：花型一：四個燈為一組，兩組均從右向左亮起，再從右向左滅掉。花型二：四個燈為一組，兩組均向中間亮起，再從兩邊向中間滅掉。花型三：四個燈為一組，兩組均從左向右亮起，再從左向右滅掉?；ㄐ退模核膫€燈為一組，兩組均從中間向兩邊亮起，再從中間向兩邊滅掉。表3-1節(jié)拍脈沖編碼D1D2D3D4D5D6D7D8花型一花型二花型三花型四100000000000000000000000000000000200010001100000011000100000011000300110011110000111100110000111100401110111111001111110111001111110511111111111111111111111111111111611101110011111100111111011100111711001100001111000011110011000011810001000000110000001100010000001900000000000000000000000000000000第4章元器件的選擇4.1移位寄存器74LS194移位寄存器74LS194邏輯電路圖和邏輯圖如下：圖4-174LS194集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及它們的輸入控制電路組成。其中兩個控制輸入端M1、M0的狀態(tài)組合可以完成4種控制功能，其中左移和右移兩項是指串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端DSL和右移輸入端DSR送入寄存器的。RD為異步清零輸入端。CRM1M0DSLDSRCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00×××××××××00001××××1(0)××××Q3Q2Q1Q0111××DCBADCBA1101×××××1Q3Q2Q11100×××××0Q3Q2Q1101×1××××Q2Q1Q01101×0××××Q2Q1Q00100×××××××Q3Q2Q1Q0表4-174LS194真值表第1行表示寄存器異步清零；第2行表示當RD=1，CP=1(或0)時，寄存器處于原來狀態(tài)；第3行表示為并行輸入同步預(yù)置數(shù)；第4、5行為串行輸入左移；第6、7行為串行輸入右移；第8行為保持狀態(tài)?？刂菩盘柟δ躍1S000保持01右移10左移11并行輸入表4-2Ｓ1和Ｓ0是兩個控制輸入端。雙Ｄ觸發(fā)器的輸出端改變Ｓ0,Ｓ1的值，實現(xiàn)左右移動控制。4.274LS16174LS161的引腳圖如下：圖4-274LS161引腳圖74LS161是4位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預(yù)置控制端，P0,P1,P2,P3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。異步清零：當1腳接低電平時，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計數(shù)器直接清零同步并行預(yù)置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當9腳接低電平且有時鐘脈沖 時P0,P1,P2,P3輸入端的數(shù)據(jù)分別被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。保持：1和9腳同時接高電平，兩個記數(shù)使能端有一個接低電平時，不管有 無脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。記數(shù)：當1,7,9,10管腳都接高電平時，計數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。74LS161功能表如下所示：表4-374LS161功能表4.3D觸發(fā)器圖3-3是D觸發(fā)器的邏輯符號，圖4-3（a）是CP上升沿有效，4-4（b）所示為CP下降沿有效。(b)圖4-3維持阻塞D觸發(fā)器邏輯符號此表為D觸發(fā)器的特征方程為：Qn+1=DD觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3-4所示。圖4-4D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖D觸發(fā)器的真值表DQQn+10000101011114.4555定時器圖3-5555時基電路的電路結(jié)構(gòu)及引腳圖上圖為555時基電路的電路結(jié)構(gòu)和8引腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND（或Vss）外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5~16V,CMOS型時基電路VCC的范圍為3~18V。一般為5V。3腳：OUT（或Vo）或輸出端。2腳：TR低觸發(fā)器。6腳：TH高觸發(fā)器。4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器C1、C2基準電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時基電路的功能表如下表所示：表4-4555時基電路的功能表由555構(gòu)成的多諧振器輸出高電平時間T=(R1+R2)Cln2輸出低電平時間T=R2Cln2振蕩周期T=(R1+2R2)Cln2輸出方波的占空比為：4.5發(fā)光二極管圖4-6發(fā)光二極管發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，簡寫為LED。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同發(fā)光二極管電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短，光的強弱與電流有關(guān)。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。第5章單元電路設(shè)計5.1分頻電路圖5-174LS161連接圖如圖所示74LS161是4位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預(yù)置控制端，P0,P1,P2,P3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。當時鐘電路產(chǎn)生16個脈沖時，計數(shù)器進位端進1，促使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)或截止。5.2時鐘脈沖產(chǎn)生電路用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖。電路圖如圖5-2所示:圖5-2由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器接通電源后，電容Ｃ1被充電，當TRI管腳處的電壓（Vc）上升到２Ｖcc/3時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電三極管Ｔ導(dǎo)通，此時電容Ｃ1通過Ｒ２和Ｔ放電，Ｖc下降。當Ｖc下降掉Ｖcc/3時，Ｖo翻轉(zhuǎn)為高電平。振蕩器的振蕩頻率約為1.43/(R1+2*R2)*C1。5.3狀態(tài)機電路圖5-3狀態(tài)機電路圖狀態(tài)機電路由兩個Ｄ觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U1A的5腳與觸發(fā)器的U2A的3腳連接，從而實現(xiàn)U1A的16分頻和U2A的32分頻。Ｄ觸發(fā)器為上升沿出發(fā)，當脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，Ｄ觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。假設(shè)開始時U1A的５腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉(zhuǎn)使５腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的11腳也變?yōu)榈碗娖?。當分頻電路經(jīng)過第二個16拍時，再次進位，U1A的５腳為高電平而此時U2A的12腳也再次變?yōu)楦唠姡诉^程中U2A經(jīng)歷了一個上