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1、武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书02、设计要求与思路2.1 设计目的与要求设计目的：设计一个汽车尾灯控制器，实现对汽车尾灯状态的控制。设计要求：在汽车尾部左右两侧各有 3 个指示灯（假定用发光二极管模拟） ，根据汽车运行的状况，指示灯需具有四种不同的状态：汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯处于熄灭状态。 汽车向右转弯行驶时，右侧的三个指示灯按右循环顺序点亮 汽车向左转弯行驶时，左侧的三个指示灯按左循环顺序点亮 汽车临时刹车时，左右两侧指示灯处于同时闪烁状态2.2 设计思路与构想总 体 设 计 思 路 与 构 想 ： 初步确定本次设计实验分为三个步骤进行：第一步设计出秒脉冲电路，第二步设
2、计三进制电路，第三步控制开关的状态组合。2.2.1 汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系为了区分汽车尾灯的 4 种不同的显示模式，需设置 2 个状态控制变量。假定用开关K1 和 K0 进行显示模式控制，可列出汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系，如表 2.1所示。武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书1表 2.1汽车尾灯和汽车运行状态开关控制 左转尾灯 右转尾灯K2 K1汽车运行状态D1 D2 D3 D4 D5 D60 0 正常运行 灯灭0 1 右转弯按D3、D2、D1顺序循环点亮灯灭1 0 左转弯 灯灭按D4、D5、D6顺序循环点亮1 1 临时刹车 所有尾灯同时闪烁2.2.2 汽车尾灯控
3、制器功能描述在汽车左右转弯行驶时由于 3 个指示灯被循环顺序点亮，所以可用一个三进制计数器的状态控制译码器电路顺序输出高电平，按要求顺序点亮 3 个指示灯。设三进制计数器的状态用 Q1 和 Q0 表示，可得出描述指示灯 D1、D2、D3 、D4 、D5、D6 与开关控制变量 K1、K0，计数器的状态 Q1、Q0 以及时钟脉冲 CP 之间关系的功能表如表 2.2 所示（表中指示灯的状态“1”表示点亮，“0”表示熄灭）。武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书2表 2.2汽车尾灯控制器功能表控制变量 计数器状态 汽车尾灯K1 K0 Q1 Q0 D1 D2 D3 D4 D5 D60 0 d d 0
4、 0 0 0 0 00 10010100 0 10 1 01 0 00 0 00 0 00 0 01 00010100 0 00 0 00 0 01 0 00 1 00 0 11 1 d d cp cp cp cp cp cp根据以上设计分析与功能描述，可以得出汽车尾灯控制器的结构框图，如下图所示。结合以上设计分析与功能描述，在原假设设计思路和构想上，可得出汽车尾灯控制器的结构框图。整个电路可由秒脉冲电路、开关控制电路、三进制电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示 5 部分组成。武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书33、单元电路设计3.1 秒脉冲电路的设计3.1.1 方案一：石英晶体振荡
5、器：此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率 fs，而与电路中的 R、C 的值无关。所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。3.1.2 方案二：由 555 定时器构成的多谐振荡器：由 555 定时器构成的多谐振荡器。555 定时器的管脚图如图 3.1 所示。由于 555 定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由 555 定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干
6、扰。因此采用此方案。图 3.1 555 定时器的引脚图图 3.1 555 定时器的引脚图由于本次实验对脉冲的要求不高，同时根据实验要求，只要设计出一个频率为 1Hz的秒脉冲即可。此时采用简单的由 555 构成的多谐振荡器，电路原理如图 3.2 所示。武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书4图 3.2 用 NE555 制作脉冲发生器的原理图图 3.2.1 产生脉冲波形图3.2 开关控制电路的设计设译码器与显示驱动电路的使能控制信号为 G 和 F（U4 的 5 端），G 与译码器74LS138 的使能输入端 G1 相连接，F 与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。由武汉理工大学数字电子技术
7、基础课程设计说明书5总体逻辑功能可知，G 和 F 与开关控制变量，K1、 K0 以及时钟脉冲 CP 之间的关系如表3.1 所示。表 3.1 使能控制信号与开关控制变量、时钟脉冲的关系开关控制时钟脉冲使能控制信号K1 K0 CP E F电路工作状态0 0 d 0 0汽车正常行驶（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，显示驱动电路中的与非门输出均为低，反相器输出均为高，尾灯全部熄灭）0 1 d 1 1汽车右转弯行驶（此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，右侧尾灯 D1、D2、D3 在译码器输出作用下顺序循环点亮） 1 0 d 1 1汽车左转弯行驶（此时译码器在计
8、数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，左侧尾灯 D4、D5、D6 在译码器输出作用下顺序循环点亮）1 1 cp 0 cp汽车临时刹车（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，时钟脉冲 cp 通过显示驱动电路中的与非门作用到反相器输出端，使左右两侧的指示灯在时钟脉冲 cp 作用下同时闪烁）根据G和F的逻辑表达式可画出开关控制电路。如图3.3所示武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书6图 3.3 开关控制电路3.3 三进制计数器电路的设计三进制计数器的状态表如表 3.2 所示。表 3.2 三进制计数器的状态表现态 次态Q1 Q0 Q1 Q00 0 0 10 1 1 01 0
9、 0 01 1 清零武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书73.3.1 方案一：由 J-K 触发器构成的三进制计数器；由于电路中只需采用一片双 J-K 触发器 74LS76 芯片即可（7476 芯片引脚图如图3.7 所示），因此电路结构简单，成本低，所以选用此方案。3.3.2 方案二：由 D 触发器构成的三进制计数器：两个 D 触发器可由一片双 D 触发器 74LS74 芯片实现，以及 74LS00 与非门和74LS04 非门来实现此电路。由于电路结构较之上一方案有点复杂，而且需要三个芯片（至少两个），成本较高，因此不采用此方案。图 3.4 为 74LS76 引脚图，利用74LS76 实现
10、三进制计数电路如图 3.5 所示。图 3.4 74LS76 芯片引脚图 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书8图 3.5 三进制计数器3.4 译码与显示驱动电路的设计译码与显示驱动电路的功能是：在开关控制电路输出和三进制计数器状态的作用下，提供 6 个尾灯控制信号，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用 74LS138(其功能表如表 3.3 所示)、6 个反相器构成。1.图中，译码器 74LS138 的输入端 C、B、A 分别接 K1、Q1、Q0 。当图中 G=F=0、K1=0时，对于计数器状态 Q1Q0 为 00、01、10，译码器输出依次
11、为 0，使得与指示灯D1、D2、D3 对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯 D1、D2 、D3 依次顺序点亮，示意汽车左转弯；2.当图中 G=F=0、K1=1 时，对于计数器状态 Q1Q0 为 00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯 D4、D5、D6 对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D4、D5、D6 依次顺序点亮，示意汽车右转弯；3 .当图中 G=0，F= 0 时，译码器输出为全 1，使所有指示灯对应的反相器输出全部为高电平，指示灯全部熄灭；武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书94. 当图中 G=0，F=cp 时，所有指示灯随 cp 的频率闪烁。实现了 4 种
12、不同模式下的尾灯状态显示。表 3.3 为 74LS138 译码器的功能真值表。74LS138 译码器接法如图 3.7 所示。图 3.6 74LS138 译码器引脚图表 3.3 74LS138 功能表武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书10J4 Q15CLK1K16 Q14S2R3U1:A746J9 Q1CLK6K12 Q10S7R8U1:B746A1B2C3E1624E35Y015114Y213312Y41510Y6977U374LS138D2LE-REDD3LE-REDD4LE-REDD5LE-REDD6LE-REDD1LE-RED12U2:A74LS04 34U2:B74LS04 5
13、6U2:C74LS04 1312U2:D74LS04110U2:E74LS0498U2:F74LS04R32012 3U4:A74LS045 6U4:B74LS0 1 2U5:A74LS040 00KIK2K3 34U5:B74LS0456U5:C74LS041098U4:C74LS01312U5:D74LS04123U6:A74LS86BAT21.5VR410k图 3.7 74LS138 控制译码显示电路武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书113.5 尾灯状态显示电路的设计尾灯状态显示电路可由 6 个发光二极管和 1 个电阻组成，图 3.8 中，当 6 个反相器的输出为低电平时，相应发
14、光二极管被点亮。图 3.8 二极管发光电位武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书124、电路仿真与分析4.1 电路仿真总电路图图 4.1 汽车尾灯控制器电路原理图4.2 汽车尾灯控制器电路的工作原理其工作原理图如图 4.1 所示，经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以图 4.1汽车尾灯控制器电路原理图将电路分为以下几部分：首先，通过 555 定时器构成的多谐振荡器产生频率为 1Hz 的脉冲信号，该脉冲信号用于提供给双 J-K 触发器构成的三进制计数器和开关控制电路中的二输入与非门的输入信号。其次，双 J-K 触发器构成的三进制计数器用于产生 00、01、10 的循环信号，Q1、Q2 分别
15、接到 74LS138 的 QA、QB 上，此信号提供左转、右转的原始信号，通过控制 QC 端来实武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书13现左转、右转。最后，左转、右转的原始信号输出的有效电平为低电平，所以直接接到发光二极管的负极，而且 6 个非门以及由控制端 F 和 CP 信号作为输入的 74LS00 提供的高低电位信号，同样接到左、右的 3 个汽车尾灯的负极。发光二极管的正极经电阻接到电源，这样只要发光二级管负极输入低电平就发亮。4.3 参数计算与器件选择1 电容：考虑到市场上电容值较少，本次课设中涉及到的电容直接给它定值，C1=0.47uF，C2=0.01uF。2 电阻：1秒脉冲部分
16、的电阻：由于 f 为 1Hz 左右适合观察即可，根据公式：f=1.43/C(R1+2R2)，所以选取 R1=10k，R2=1500k，C1= 0.47F。2发光二极管上拉电阻：由于红色发光二极管的压降为 2V 左右，而电源电压才 5V。为了使二极管发光强度达到要求，上拉电阻不能太大，大约 20 左右。3其他电阻可选为 10k 即可。4.4 实验现象SW1、 SW2 全部闭合时，六个灯全部闪烁；SW1、 SW2 全部断开时，六个灯全部熄灭；SW1 闭合，SW2 断开时，D1 、D2、D3 右循环点亮；SW1 断开，SW2 闭合时，D4 、D5、D6 左循环点亮；武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书145、元器件清单表 5
