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1、数字电路课程设计报告(分频式三花型八路彩灯控制器) 西安邮电学院 通工0702 高原 2009.12数字电路课程设计报告书多路彩灯控制器系部名称：学生姓名：专业名称：班 级：实习时间：2009年 12月7 日至2009年12月18日分频式三花型八路彩灯控制器一. 实验目的1.复习数字电路知识，学会将数电理论用于实际电路中去；2.认识常用逻辑器件，并学会使用这些芯片设计简单数字电路；3.学会使用面包板测试设计好的逻辑电路，并使用万用表进行调试排错；4.培养合作精神与独立完成电路的能力，初步学会自主设计、连接、调试数字电路的方法。二. 实验要求多路彩灯控制器在实验板上构建一个多路彩灯控制器，要求1
2、. 至少控制8路彩灯信号，产生3种以上的花型变换；2. 彩灯用发光二极管代替；3. 花型由设计者自行确定；三. 设计题目与思路1.彩灯花型设计：花型1（1 Hz）花型2（0.5 Hz）花型3（1 Hz） 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0
3、1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1
4、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 02.实现思想简述：为了实现符合上述花型的数字逻辑电路，需要考虑以下五个问题：1.如何产生时钟信号？2.如何分别实现每种花型？3.如何在花型之间进行自动转换？4.如何在花型结束后继续重头开始循环？5.如何控制分频？以上五个问题可以通过以下方法实现：1. 时钟信号的产生：555定时电路接线简单，其产生的时钟对于低速数字系统已经足够使用，故采用EN555芯片设计时钟电路以产生1Hz的时钟信号。2.花型的实现：以上设计的三种花型使用移位寄存器(74LS194)实现较为方便，故选用移位寄存器来实现以上花型控制。花型一、二需要将两个移位寄存器串联使
5、用，具体方法是将右边四个灯所在的移存型寄存器最左端输入给左边四个灯所在的移位输入端。其中花型一仅需要将移位控制置为左移，将最左端的输出通过一个非门在输入给移位输入端即可实现该功能，而花型二则需要通过一个D触发器(74LS74)来实现，当第7个彩灯（如不做说明，这里及以后的第X个彩灯均指从左向右数第X个彩灯）点亮时，给D触发器一个信号，使其跳变为0，这里采用D触发器的异步清零端较为合适，将彩灯信号取非后置入D触发器的异步清零端，即可使D触发器输出为0，并将其输给移位寄存器输入端。即可实现花型二的效果，这里需要保证D触发器的时钟信号仅输入一个上升沿，可以用节拍器来实现。3. 花型的自动切换：为了实
6、现花型的自动切换，较为简便且高效的办法是记下该三种花型总耗时，然后在花型切换的时刻，使用判决电路进行切换，实现该功能需要一套计数逻辑，可使用74LS161进行计数，为了判决状态后实现花型，故使用八选一数选器(74LS151)辅助相关的门电路实现花型自动切换功能。 4.花型的自动循环由于采用了计数器进行节拍计数，故只需要将计数器采用复位的方法进行清零即可实现花型自动循环。5.分频选择器设计计数器本身就具有分频的功能，可以实现模2分频计数，这里需要设计的是分频选择器。设计一个控制端ENABLE，使得当ENABLE为1时分频，否则保持原频率，初步设计如下：当ENABLE为0时，A门输出始终为1，此时
7、CP_OUT为CP的非输出给移位寄存器，实现了原频率计数；当ENABLE 为 1 时， CP_OUT = (CPX2)&CP,可实现分频脉冲；该分频选择器原理图如下：该分频选择器波形如下(当ENABLE为1时)即实现了可控分频器功能四. 使用元器件1.设计所需的元件有：器件名称功能描述数量用途74LS00P2输入端四与非门2个花型节拍条件判决74LS04P六反相器2个花型节拍条件判决控制、时钟延迟74LS151N8选1数据选择器1个花型转移的部分控制74LS74AN正触发双D触发器1个第二种花型的条件移位输入控制74LS194AN四位双向通用移位寄存器2个彩灯花型控制74LS161AP可予制四
8、位二进制异步清除计数器2个节拍产生器EN555A555定时器1个1Hz时钟脉冲信号产生器电阻150K150K电阻器1个电阻4.7K4.7K电阻器1个电容 4.7f4.7f电容器1个电容0.01f0.01f电容器1个电阻1.1K1.1K电阻器2个LED灯用限流电阻发光二极管发光二极管10个表示八路彩灯、显示时钟信号导线纯铜导线若干连接电路面包板面包板1块作为连接电路的基板2.设计所需的工具有工具用途直流稳压电源供电数字万用表测试电路通断状况、测试电路电压剥线钳剥线五实验原理：1)555定时器(EN555)555的时钟周期满足 T 1.1RC其设计电路如下，用于产生1Hz时钟信号。2）节拍器(74
9、LS161 2片)节拍器电路模块如下，用于统计节拍情况。当计到32时清零，以使得花型循环。3）数选器(74LS151) - 实现花型变换数选器作用为当输入地址时，输出不同的信号值，进行数据选择。这里设定输入地址为高位片的QB，QA与低位片的QD，其状态转移表如下：地址选择输出信号说明000001最左边彩灯取非后的信号实现第一种花型010011D触发器的输出信号实现第二种花型100101低位片的QC信号实现第三种花型在第5拍时移位信号反转4）D 触发器(74LS74) 实现第二种花型D触发器在该电路中用于控制第二种花型的置入：将节拍器高位片QA接入D触发器的CP端，当第二种花型的节拍到达时（此时
10、QA = 1），将1置入触发器，此时触发器的输出1给移位寄存器，使得寄存器往左移入1；对最右边的彩灯取非接入D触发器清零端，则当最右边的彩灯为1时，将D触发器清零，则在下一个时钟沿（指移位寄存器的时钟沿，此时QA恒为1，则D触发器没有时钟上升沿输入，D触发器的输出直到下一次QA从0跳变至1时，才会变回1）将移入0，从而实现第二个花型的控制，具体方法参见原理图总图。5）判决电路 实现第三种花型原理图如下该电路主要是为了实现第三种花型，当第三种花型节拍到达时，节拍器高位片QB为1，此时与非门A1输出为1，故B1输出为0，给左边四个彩灯的移位寄存器左移端置入0，同理，给右边四个彩灯所在的移位寄存器左
11、移置入端置入1，从而实现了以下的功能：左边四个彩灯右边四个彩灯移位置入移位置入左移0左移1右移1右移0同时，该电路的与非门A3，A4，将用来判决移位方向，其中A3 =(QC(低位片)&QB)，A4 = (QC(低位片)&QB(高位片)，从而使得当处于第三种花型的第4拍至第5拍时，A3从0 转为1 相应的S1、S0从 0、1转为1、0 ，实现了第五拍时左边四个灯移位方向由右移转为左移，同理，A4实现了第五拍时右边四个灯由左移转为右移，实现了花型三的设计要求。六、原理图总图原理图总图如下七、电路的波形仿真结果采用multsim10对电路进行仿真，波形如下（从上至下为：节拍器时钟、移位器时钟、七个彩
12、灯（按从右至左的顺序），实际电路符合该仿真结果：八. 设计遇到问题与解决方案(一).分频选择器的静态逻辑冒险问题在本次设计中，遇到了分频选择器的逻辑冒险问题，由于CP信号要比CP分频信号提前到达，从而导致了逻辑冒险的问题，虽然是低速的系统，但是这个问题在实际电路中依然存在，具体图形和波形如下：分频选择器原理图分频选择器波形（ENABLE = 1时）解决办法：对于该种逻辑冒险，是由于CP信号提前所致，故将CP延后即可，这里采用给CP串接6个非门的方法进行延迟，从而消除冒险，具体参见原理图总图。(二).节拍时钟问题本次实验中遇到的另外一个问题为节拍器预留空间不足，在实验设计时，预留给第二个花型的节
13、拍器空间为16拍，但是在对第二个花型进行分频之后，需要的节拍为17拍，从而导致了后续花型的错误，具体情况如下： 花型节拍器时间理论花型花型节拍器时间理论花型0000000116.5同实际1100000132.5000000000000001018.5同实际1110001133.5100000010000010020.5同实际1111011134.5110000110000100022.5同实际1111111135.5111001110001000024.5同实际1110011136.5111111110010000026.5同实际1100001137.5111001110100000028.5同实际1000000138.5110000111000000030.5同实际0000000039.5100000010000000040.000000000注：节拍器时间以计数器为准，其中0.5表示移位寄存器时钟信号与节拍器时钟相反。解决办法：对于该问题，可以采用移位寄存器置入的方法解决，在节拍器到达32.0时，给移位器一个清零信号，可用D触发器保证该清零信号在32.5到达之前恢复为1，就可以达到设计要求，而不用对节拍器做较大幅度的修改。(三).面包板接线相关问
