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可编程彩灯电路
可编程彩灯电路
一、实验目的
1、掌握计数器、移位寄存器电路的原理及应用;
2、掌握比较器或译码器电路的应用方法;
3、掌握555电路的应用方法。
二、设计任务与要求
1、设计任务
(1)分析所设计电路图的电路功能;
(2)完成振荡电路及分频电路的设计;
(3)完成整体电路,测试分析实验结果。
2、设计要求
(1)彩灯电路循环速度肉眼可辨;
(2)要求有功能扩展。
三、总电路框图及总原理图
可编程彩灯电路是将传统的四个分离的时序电路移位寄存器、计数器(分频器)、555定时电路和组合电路综合为一个完整的设计型的时序、组合电路。
电路由时钟、编码、译码、移位和显示几个部分组成,其总电路框图如图3-1所示:
图3-1可编程电路总电路框图
可编程彩灯电路的时序电路图的总原理图如下图3-2所示:
图3-2数序电路图原理图
四、实验所用到的芯片介绍
1、集成555定时器
集成555定时器的管脚图、内部结构图和功能表如图4-1、图4-2和表4-1所示:
图4-1集成555定时器的管脚图图4-2集成555定时器内部结构图
表4-1集成555定时器功能表
TH(6)
TR
(2)
R(4)
OUT(3)
T管
D(7)
×
×
L
L
导通
L
>2/3UDD
×
H
L
导通
L
<2/3UDD
>1/3UDD
H
不变
不变
不变
<2/3UDD
<1/3UDD
H
H
截止
H
555定时电路由2个比较器、1个基本RS触发器、1个反相缓冲器、1个漏极开路的NMOS管和3个5K的电阻组成分压器组成。
2、74LS161
74LS161管脚图和功能表如图4-3和表4-2所示:
图4-374LS161管脚图
表4-24LS161功能表
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
×
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
1
↑
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
×
×
×
×
×
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
×
0
×
×
×
×
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
×
×
×
×
计数
从74LS161功能表功能表中可以知道,当清零端CR=0,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全0,这个时候为异步复位功能。
当CR=1且LD=0时,在CP信号上升沿作用后,74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样,为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=1、CP脉冲上升沿作用后,计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO,其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能,一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
3、74LS148优先编码器
74LS148管脚图和功能表如图4-4和表4-3所示:
图4-474LS148管脚图
表4-374LS148功能表
74LS148是一种优先编码器,优先编码器是一种允许同时输入两个以上的有效输入信号的编码器,优先编码器给所有的输入信号规定了优先顺序,当多个输入信号同时有效时,只对其中优先级最高的一个信号进行编码。
74LS148是常用的8线-3线优先编码器,其功能表如上图,其中I0~I7为编码输入端,低电平有效。
F0~F7是编码输出端,也是低电平有效。
EX为优先扩展输出端,级联应用时可作为输出位的扩展端。
4、74LS138
74LS138管脚图和功能表如图4-5和表4-4所示:
图4-574LS138管脚图
表4-474LS138功能表
其中有三个使能端S1、S2、S3,当S1=1、S2=0、S3=0时允许编码,否则禁止编码。
A2、A1、A0为3个地址输入端,Y0—Y7为8个输出端,低电平有效。
5、74LS195
74LS195管脚图和功能表如图4-6和表4-5所示:
图4-674LS195管脚图
表4-474LS138功能表
74LS195由并行输入,并行输出,串行输入,移位寄存控制输入和一个无条件直接清除。
四输入端都有缓冲器,以降低输入驱动的要求。
这种寄存器有两种操作模式:
并行寄存,移位。
其中2个串行数据输入端J、K,有置数功能和清零功能,当移位/置数控制端SH/LD=1且RD=1时,可以移位。
五、各模块电路设计思路分析及元件参数计算
1、基本频率产生电路
基本频率产生电路如图5-1所示,其目的是产生一个频率一定的时钟脉冲,给后面的移位寄存器提供时钟信号,实现彩灯的按照一定规律点亮的功能,它由一个多谐振荡器和一个分频电路构成。
由于人眼存在视觉暂留现象,为使人眼能够观察到彩灯电路的变化,故时钟周期至少应大于0.25s。
在本次实验中,为了能够较清晰的看到实验彩灯变化,我们将时钟周期设计在0.6s左右。
由于时钟脉冲周期等于多谢振荡器周期与分频电路分频数的乘积,我们取分频数为13,那么多谐振荡器的输出周期应为
,以此来设计电路。
图5-1基本频率产生电路
1
555定时器构成多谐振荡器
R1
0.01uF
用555构成的多谐振荡器的电路如图5-2所示。
当接通电源时,由于电容两端的电压不能突变,定时器的低触发端2端为低电平,输出端3端为高电平(内部结构决定)。
电源经过电阻给电容充电,当电容电压充到电源电压的2/3时,555内部的NMOS管导通,输出为低电平。
电容通过电阻和NMOS管放电,当电容两端的电压下降到低于1/3电源电压时,NMOS管截止,电容放电停止,电源通过图5-2多谐振荡器
电阻再次向电容充电。
如此反复,形成振荡。
忽略NMOS管导通电阻可得:
振荡周期为:
T=0.7(R1+2R2)*C1;
充电时间为:
tw1=0.7(R1+R2)*C1;
放电时间为:
tw2=0.7R2*C1。
经过计算,取R1=R2=47k
,C1=470nF,
,符合预期要求。
其仿真结果如图5-3所示:
图5-3多谐振荡器仿真结果
由上图可以看出,T=49.550ms,与计算结果相同。
2用74LS161和74LS00构成分频电路(如图5-4)
图5-4分频电路
上面已经介绍过,74LS161是一个同步清零的计数器,本实验中的分频电路便是由Qc、Qd通过一个与非门返回清零端实现13分频器。
其态序表如下:
表5-113态序表
计数N
输出
QD
QC
QB
QA
1
0
0
0
0
2
0
0
0
1
3
0
0
1
0
4
0
0
1
1
5
0
1
0
0
6
0
1
0
1
7
0
1
1
0
8
1
1
1
1
9
1
0
0
0
10
1
0
0
1
11
1
0
1
0
12
1
0
1
1
13
1
1
0
0
所以,当555输出端连在74LS161时钟端时,与非门的输出端输出的时钟信号即为所求。
2、编码译码电路
编码器74148为8线-3线优先编码器,低电平输入有效,将输入的十进制数编码成二进制数,其优先级为I7至I0,当高位接低电平后,地位无效。
集成译码器74138为3线-8线译码器,二者连接图5-5所示。
图5-5编码译码电路
编码译码电路的主要功能是确定移位电路的预制端的高低电平,也可用于扩展。
在我们设计的电路中,其功能是将74LS138输出端有高位至低位置为11111110,为后面的电路提供预置。
3、移位及显示电路(如图5-6)
(3)
(2)
(1)
图5-6移位及显示电路
1显示电路
在本次设计性实验中,为了能够使实验结果更为美观大方,我们使用七个黄色二极管及1个红色二极管组成了一个王冠的形状,并在电源与二极管正极之间串入100欧姆的保护电阻。
2移位电路
(1)基本功能
当开关J3连接电源,J1也连接电源时,电路实现基本功能,即发光二极管从左至右移位且每次只有一个灯亮,如此循环。
J2的作用是用于给74LS195
(2)和74LS195(3)置位。
当电源接通时,74LS195
(1)的输入端为0111,由于其输出端瞬态为0000,且QD与置位端相连,故直接置位,输出为0111,此时用J2给74LS195
(2)和74LS195(3)置位,使得这两片的输出端为01111111,只有第一个二极管亮。
随后,随着时钟脉冲的到来,移位寄存器向右移位,74LS195
(2)的J、K端并连在74LS195(3)的QD端上,若QD为1,则将1移入QA,第一盏灯灭第二盏灯亮,若为0就移将0移入QA,即可实现灯的循环;并用74LS195
(2)控制74LS195(3)移入1或0,实现两个芯片间高低电平的传递。
如此往复,实现灯的循环移动。
(2)拓展功能
当电路如5-6图所示连接时,实现拓展功能,即实现一个二极管从左至右亮、两个二极管从左至右亮、三个二极管从左至右亮、四个二极管从左至右亮、如此循环。
在扩展电路中,由74LS195
(2)和74LS195(3)控制的二极管的一位原理与基本功能相似,在此不再赘述。
实现这个功能最大的特点是采用两组时钟,一组是基本频率产生电路产生的时钟,另外一组是用于控制亮灯个数的时钟。
用于控制二极管亮个数的这个时钟是由74LS195
(2)的QA端控制的。
当QA端由0至1变化时,也就说明,一个新的周期开始了。
每当QA端由0至1发生一次翻转,即是给74LS195
(1)发送一次脉冲,从左边移入一个零。
等到这个周期走到头,也就是最后一个二极管亮起,则用74LS195
(1)的输出端给74LS195
(2)重新置位,而这次置位比上一次置位多一个0,也就多亮一个二极管了。
如此实现每次亮个数不同的二极管的控制。
六、
实验电路图
七、测试结果分析,调试过程中所遇故障的分析
第一次测试时,彩灯电路循环速度过快,大约每0.15秒变化一次,超出了肉眼分辨的能力。
于是我们将原为100nF的电容改为470nF,时钟脉冲周期改变为大于0.6秒,达到了可识别的要求。
但当周期增大后我们发现,彩灯并没有按照设计循环点亮,而是出现了二灯循环或四灯循环的现象。
经分析是电路的置位功能发生了故障,由于没有发生线路接错或虚焊的情况,所以我们认为是芯片产生的问题。
当时我们采用了两家不同公司生产的74LS195芯片,将芯片换位相同公司的产品之后,电路按设计正常工作,调试完成。
八、设计过程的体会与创新点
九、元件清单
数量
描述
参考标识
3
SWITCH,SPDT
J3,J2,J1
3
74LS,74LS195N
U7,U2,U1
7
LEDyellow
LED8,LED7,LED6,LED5,LED4,LED3,LED2,
1
LEDred
LED1
1
74LS,74LS00N
U6
1
74LS,74LS161N
U5
1
74LS,74LS148N
U4
1
74LS,74LS138N
U3
8
RESISTOR,100Ω
R8,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1
1
CAPACITOR,100nF
C2
1
CAPACITOR,10nF
C1
2
RESISTOR,51kΩ
R10,R9
1
MIXED_VIRTUAL,555_VIRTUAL
A1
一十、参考文献(zzr)
[1]侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京:
高等教育出版社,2007.
[2]侯建军.数字电子技术基础[M].(第二版).北京:
高等教育出版社,2007.
[3]陈大钦.电子技术基础实验[M].武汉:
华中科技大学出版社,2001.
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- 可编程 彩灯 电路