数电课程设计

数字电路逻辑设计。课。程。

设。计。

设计题目：四路彩灯显示系统

学院：信息工程学院

专业班级：

姓名：学号：

同组人：指导老师：

课程设计名称：四路彩灯显示系统。

一、设计任务与要求：

1）接通电源后，彩灯可以自动按预先设置的程序循环闪烁。

2）设置的彩灯花型由三个节拍组成：

第一节拍：四路彩灯逐次渐亮，灯亮的时间为1s，共用4s；

第二节拍：四路彩灯按逆序渐灭，也需要4s；

第三节拍：四路彩灯同时亮0.5s，然后同时灭0.5s，要进行四次，所需时间也是4s。

三个节拍完成一个循环，一共需要12s。一次循环之后重复进行闪烁。

3）彩灯可用发光二极管（led）模拟。

二、设计思路：

四路彩灯即有四路输出，设依次为、、、若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表输显示：

表1 四路彩灯输出显示。

由表1可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4秒一个节拍，3个节拍共12秒后又反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮，渐灭，同时亮，同时灭等功能。

分频及节拍控制可以用一个模12计数器来完成：彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74 ls194来完成。同时亮0.

5s、同时灭0.5s可考虑把1hz的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。

图1所示为一种四路彩灯显示系统框图：

三、设计过程具体分析：

1、设计电路分三个模块：

根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要以下三个模块电路：时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。三个模块联系在一起，共同实现系统功能。

时钟脉冲产生电路由4位二进制同步计数器74ls161（模十六计数器）分频实现，循环控制电路由74ls161和74ls20（与非门芯片）利用清除端复位法实现模十二计数，彩灯花样输出电路由双向通用移位寄存器74ls194和相关逻辑电路实现。前两个节拍中，74ls194芯片左移右移功能可用计数器输出信号对74ls194的（s1左移）（s0右移）端的控制实现，第三个节拍由1hz时钟脉冲信号实现。控制流程图如下：

图2：四路彩灯控制流程图。

2、各模块电路设计：

1）时钟脉冲产生电路（分频器）：本实验中对脉冲实现分频可以用74ls161计数器实现分频的电路，其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1hz的时钟信号；分频器将1hz的时钟信号四分频，用以产生0.25hz（即4s）的时钟信号。

2）循环控制电路：74ls161是模16计数器，其计数序列从最小1到最大数16,那么13~16是多余，也用与非门检测12,当12出现时，与非门输出为低，用它控制清零端（cr非），将计数器清零。此时工作状态从0001-1100，检测到1101时异步清零。

即实现计数12的循环控制电路。

3）彩灯花样输出电路：

74ls194功能表如下：

表2：74ls194功能表。

由功能表确定，电路中令dsl=1，dsr=0，同时两个芯片的d0 、d1、d2、d3都置零。

第一节拍中：由74ls161的和输出加上外围逻辑电路给（s1左移）端置1，即实现左移，由于dsl =1，所以在下一个时钟来时，输出=0001，再由外围逻辑电路使四个发光二极管的右端第一个亮，其它灭；再下个时钟时，同理， =0011，右端第。

一、第二个发光二极管亮，其它灭，四个时钟即实现了四路彩灯逐次渐亮，灯亮的时间为1s，共用4s。

第二节拍中：由74ls161的和输出加上外围逻辑电路给（s0右移）端置1，即实现右移，由于dsr =0，所以在下一个时钟来时，输出=0111，再由外围逻辑电路使四个发光二极管的右端三个亮，最后一个灭；再下个时钟时，同理， =0011，右端第。

一、第二个发光二极管亮，其它灭，四个时钟即实现了四路彩灯逐次渐灭，灯灭的时间为1s，共用4s。

第三节拍中： m1m0=01，74ls194仍然右移，一直保持为0000。此时由74ls161的输出加上外围逻辑电路使时钟脉冲cp同时加到四个输出端，由于cp是1hz秒脉冲，在1s时间内高电平和低电平持续时间均为0.

5s，因此实现同时亮0.5s、同时灭0.5s，在4s内共进行4次。

根据以上分析，确定外围电路，并设计总电路图如下：

图3：总电路图。

注：其中不用的引脚、ctt、ctp都置1；dsl=1，drl=0。

3、四路彩灯显示系统的工作过程如表3所示：

表3 四路彩灯工作过程。

注：时钟由第三节拍的1011返回到第一节拍的0000循环进行。

74ls161的输出为；74ls194的输出为；四路彩灯的输出为。74ls194的工作方式控制端m1=(q3+q2)(非) ，m0=q3+q2。m1m0=在第一节拍中， =0，m1m0=10，74ls194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把dsl=1逐次移进；在第二节拍中， =0、=1,m1m0=01，74ls194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把drl=0逐次反方向移进。

由于前两个节拍中，门g关闭，输出为0，因此四路彩灯的输出。在第三节拍中，m1m0=01，74ls194仍然右移，一直保持为0000。此时，门g打开，时钟脉冲cp同时加到四个输出端，由于cp是1hz秒脉冲，周期为1s，在1s时间内高电平和低电平持续时间均为0.

5s，因此实现同时亮0.5s、同时灭0.5s，在4s内共进行4次。

第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复，实现四路彩灯循环显示。

四：ewb电路**如下：

注：其中74ls161用74ls163替代。

五、搭电路实验：

1、实验所需芯片：

外围电路中各芯片功能：

74ls08：与门；74ls00：与非门实现非门（1输入脚接高电平）；

74ls20：三输入与非门（1输入脚接高电平）; 74ls32:非门。

2、方法：该课设实验在实验箱上连线实现，由于所需要连接的电线较多，比较容易少连或者多连，所以做该实验时需要很细心、谨慎。根据总电路图（图3），按以下步骤连线：

测试各芯片：一定要先测试芯片好坏，一个芯片中有多组门电路的可只测试所需个数。

芯片布局：根据图3，合理布局芯片位置，可以将74ls161和74ls194靠近电源一端左右放置，而实现非门的74ls32放置在靠近发光二极管的一端，其它芯片放在以上两者中间，这样的布局好能避免电线过多的交错重叠。

连线主芯片74ls161和74ls194：先将电源、置位引脚和cp接好。

外围电路：根据第③步中74ls161和74ls194留下未连接的引脚开始往外连接外围电路，例如由74ls161中输出端连接三输入与非门实现异步清零。其它的同理。

连接过程中尽量用短电线连接，以使电路整齐，容易纠错。

3、调试中过程中问题分析：

彩灯只有一种花样变化，没有其他的花样。

可能是移位计数器的m0,m1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。还可能是12进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否功能完好。

彩灯无规律变化。

原因可能是12进制循环控制电路不能产生要求的控制码。检查模十六计数器的cp脉冲是否稳定，看74ls161是否能计数，即qa

qb,qc,qd是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与非门74ls20是否实现它们逻辑功能。

彩灯在两次循环中间有段时间不亮。

原因可能是控制循环的12进制计数器没有正确接线，实际控制循环的进制大于12进制，导致有放空时间，应该检查74ls20是否正常工作，确保能实现12进制计数。

六、设计应用：

该设计制作成饰灯，增加彩灯的数量可现实所需要的图形输出，作闪烁灯光使用可应用于商业广告或者霓虹灯和家居装饰品。

七、总结：虽然“四路彩灯显示系统”这个设计课题比起其它三个课题来说想对简单，我和另外一个同学还是在实验前做了很多准备工作。刚开始从实验指导书上的内容入手，了解了这个课设涉及的数字电路知识点，主要是对时序逻辑电路一章的应用，具体是利用74ls161和74ls194芯片和一些门电路实现一个彩灯制作，虽然是一个小应用，但是做好这个课设对我们深入理解这一章乃至整本数电书研究的内容有很大帮助，同时也提高了我们学习数字电路的兴趣。

不过单纯依靠指导书显然是完成不了任务的，接下来我们开始复习之前学习的以上那两个芯片的课本内容，然后将设计分成几个模块，逐个攻关克服。各个模块间联系性较强，所以要不断修改设计，最后才把它们联系起来，经过仔细的理论验证后我们得出两种不同的设计方案。第一种方案设计的彩灯是从右往左渐亮，从左往右渐灭，第二种方案设计的彩灯是从左往右渐亮，从右往左渐灭，这两种方案在发光二极管位置不变的情况下，电路上的差别是74ls194芯片上的工作方式控制端m1m0的外围逻辑电路不同和dsl，drl置数不一样，这两种方案都符合设计要求。

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