數(shù)字電路彩燈控制器的Multisim仿真設(shè)計(jì) NE555+74芯片

ID:786648 · 發(fā)表于 2020-7-2 17:23

1：用LED數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，自動地依次顯示數(shù)字0123456789（自然序列）、13579（奇數(shù)序列）、02468（偶數(shù)序列）、0123456701（音樂序列），周而復(fù)始，不斷循環(huán)。
2：打開電源時自動進(jìn)入自然序列的0。
3：每個數(shù)字一次顯示時間基本相等，顯示時間在0.5S-----2.0S范圍內(nèi)可調(diào)。

彩燈控制電路可使彩燈（例如霓虹燈）按一定規(guī)律不斷改變狀態(tài)，不僅可以獲得良好的觀賞效果，而且可以省電（與全部彩燈始終全亮相比）。本課題以控制LED數(shù)碼管顯示不同數(shù)字作為教學(xué)練習(xí)的主要內(nèi)容。

彩燈控制器的設(shè)計(jì)課題是為強(qiáng)化我們所學(xué)的電子技術(shù)，結(jié)合書本理論知識，結(jié)合實(shí)際操作。這是一個理論結(jié)合實(shí)踐的過程。這次我們采用一片74ls160作為主要元件，通過這個元器件的工作特點(diǎn)，控制彩燈的各種序列的變換。通過結(jié)合觸發(fā)器的選擇，使用555產(chǎn)生時鐘頻率并對時鐘進(jìn)行分頻，從而改變數(shù)字的顯示時間間隔的時間。

數(shù)字電子技術(shù)在我們生活中的應(yīng)用非常之廣泛，不論是在各個方面都會涉及到它，小到家用電器的自動控制，大到神舟九號和天空一號航天器的設(shè)計(jì)，都無可避免的要運(yùn)用它。并且鑒于以理論推動實(shí)踐及理論實(shí)踐相結(jié)合為指導(dǎo)思想，特此用我們所學(xué)的理論知識來實(shí)踐這次設(shè)計(jì)。

1、設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)說明

一．題目

彩燈控制器

二．設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)并制作一個彩燈控制器，要求如下：

以LED作為數(shù)碼管作為控制器的顯示元件，它自動地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。
打開電源時控制器可自動清零，從接通電源時刻起，數(shù)碼管最先顯示出自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化。
3）每個數(shù)字顯示的時間（從數(shù)碼管顯示出它之時起到它消失之時止）基本相等，這個時間在0.5~2秒內(nèi)可調(diào)。
4）畫出總電路圖并列出元件清單。

三．安裝調(diào)試要求

1）完成脈沖源（震蕩電路）接線，并用示波器觀察并測量它的周期。
2）完成控制電路接線，并檢驗(yàn)它的功能。
3）完成計(jì)數(shù)器電路接線，并用發(fā)光管檢驗(yàn)計(jì)數(shù)狀態(tài)。
4）完成譯碼器、顯示電路、安裝、調(diào)試。
5）整機(jī)聯(lián)調(diào)并記錄數(shù)據(jù)，使之滿足設(shè)計(jì)要求。

四．分析、整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出數(shù)據(jù)總結(jié)報(bào)告。

2、課題分析

彩燈控制器原理如圖1，它主要由脈沖源、控制電路、計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路組成。
圖1 彩燈控制器原理

脈沖源：用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，要求周期為0.5~2s連續(xù)可調(diào)（本課題設(shè)置為1s）。
控制電路：用以控制計(jì)數(shù)器按四種方式計(jì)數(shù)。
計(jì)數(shù)電路：用來對脈沖計(jì)數(shù)，共有4種計(jì)數(shù)方式，依次循環(huán)進(jìn)行。
譯碼顯示電路：對計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)行譯碼顯示。
3、方案論證

方案一：NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，T'觸發(fā)器對555產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行2分頻，一片74ls160接1秒脈沖源作為自然數(shù)和音樂數(shù)輸出、另一片74LS160接0.5秒作為奇偶數(shù)輸出，利用兩個JK觸發(fā)器構(gòu)成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）結(jié)合74ls139或138（139所接線路更少）譯碼器作為模式選擇控制器，4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）時鐘信號為4種狀態(tài)的進(jìn)位信號（如自然數(shù)列到9后160的進(jìn)位端ROC會產(chǎn)生進(jìn)位信號，奇偶數(shù)同理（第二片160的進(jìn)位信號），音樂數(shù)模式下進(jìn)位信號則通過0111與音樂數(shù)模式選擇信號共同產(chǎn)生），再結(jié)合適當(dāng)?shù)拈T電路即可實(shí)現(xiàn)功能。

此電路的特點(diǎn)在于：分兩種模式控制，容易理解，但電路復(fù)雜。

方案二：NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，T'觸發(fā)器對555產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行2分頻，一片74ls160作為計(jì)數(shù)輸出，利用兩個JK觸發(fā)器或一個計(jì)數(shù)器（160/161/190/191，十六進(jìn)制為佳。無需反饋、無需置數(shù)與清零，接線少）構(gòu)成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）結(jié)合74ls139或138（139所接線路更少）譯碼器作為模式選擇控制器，4進(jìn)制計(jì)數(shù)器兩個輸出經(jīng)一個異或門結(jié)合反向器與三態(tài)輸出緩存器構(gòu)成時鐘頻率選擇器，4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）時鐘信號為160進(jìn)位端ROC，音樂數(shù)模式下0111與音樂數(shù)模式選擇信號共同產(chǎn)生），再結(jié)合適當(dāng)?shù)拈T電路即可實(shí)現(xiàn)功能。

此電路的特點(diǎn)在于：計(jì)數(shù)芯片只用了一個，通過三態(tài)門電路選擇時鐘頻率，電路發(fā)雜程度適中。

方案三：NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，T'觸發(fā)器對555產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行2分頻，兩片計(jì)數(shù)器（160/161/190/191）構(gòu)成27進(jìn)制計(jì)數(shù)器，利用兩個JK觸發(fā)器或一個計(jì)數(shù)器（160/161/190/191）構(gòu)成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）。4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）時鐘信號為27進(jìn)制計(jì)數(shù)器的9、14、19、27。

此電路的特點(diǎn)在于：整體控制時序，容易理解，但電路十分復(fù)雜。

方案四：NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，T'觸發(fā)器對555產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行2分頻，一片74ls160作為計(jì)數(shù)輸出，一片移位寄存器（74ls194）構(gòu)成模4的循環(huán)移位（Q3Q2Q1Q0 0111-1110-1101-1011-0111）寄存器。每個狀態(tài)分別只有一個為低電平，省去了譯碼部分（74ls138、74ls139）。

此電路的特點(diǎn)在于：所用芯片少，巧妙利用上電復(fù)位信號對74ls194置數(shù)，之后便可進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，此方案電路較為簡單，所用芯片總數(shù)最少。

方案五：NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，T'觸發(fā)器對555產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行2分頻，四片74ls160作為計(jì)數(shù)輸出，每個狀態(tài)一種。利用兩個JK觸發(fā)器或一個計(jì)數(shù)器（160/161/190/191）構(gòu)成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器（00-01-10-11）。每個狀態(tài)選通對應(yīng)的計(jì)數(shù)器74ls160，并用兩片74ls153對4片160的輸出進(jìn)行選擇。

此電路的特點(diǎn)在于：芯片用的多，但門電路基本可以不用，理解方便。

4、方案選擇

方案三過于復(fù)雜，直接舍棄！

方案五所用芯片過多，雖然調(diào)理比較清晰，但電路很復(fù)雜，未采用。

最開始設(shè)計(jì)的是較為容易理解的方案一，仿真發(fā)現(xiàn)自然數(shù)到奇數(shù)的1時間偏短，偶數(shù)到音樂數(shù)的1時間也偏短。為了進(jìn)一步簡化電路并改善時間偏短的現(xiàn)象，在偶數(shù)到音樂數(shù)的過渡中，不將74ls160置數(shù)到1，而是自然跳變?yōu)?，再利用74ls48譯碼器的動態(tài)滅零功能消除這個時間偏短的結(jié)0。其余基本正常，但為了接線方便，并未采用。

接下來嘗試了方案二，為使電路簡單，控制電路采用74ls161（16進(jìn)制模式、無需另行設(shè)計(jì)）加74ls139譯碼，計(jì)數(shù)模塊用74ls160。仿真結(jié)果與方案一一致�？傮w電路復(fù)雜程度有所降低。

最后嘗試了方案四，仿真發(fā)現(xiàn)顯示過程中會出現(xiàn)一些結(jié)果之外的8和9，并且音樂的7到自然數(shù)過渡過程模式選擇移位寄存器74ls194會提前向下一個狀態(tài)跳變（其速度堪比異步清零），通過Q3Q2Q1Q0 0111信號中 Q1與非Q0接到74ls194的S1端，在音樂數(shù)7的狀態(tài)下，使74ls194 S1 S0為 00 ，從而保持音樂數(shù)狀態(tài)，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)音樂數(shù)7到自然數(shù)的0 被動態(tài)滅零了。是因?yàn)橐魳窋?shù)狀態(tài)的保持造成動態(tài)滅零使能有效，并且錯過了移位脈沖，從而使?fàn)顟B(tài)停留在音樂數(shù)不變，導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。仿真發(fā)現(xiàn)194狀態(tài)跳變速度非常快（在進(jìn)位信號剛來時就跳變了），所以模式進(jìn)位信號改用音樂數(shù)后的8（1000），同時計(jì)數(shù)器160也用8（1000）進(jìn)行異步清零，最終實(shí)現(xiàn)了功能。但是，系統(tǒng)運(yùn)行過程中會跳變出短暫的干擾信號，使得數(shù)碼管顯示出短暫的8。最后再將194進(jìn)位信號改成161（160無這個狀態(tài)，故將160換成161）的1010，成功消除了干擾顯示的8。

綜合考慮電路的功能與復(fù)雜程度，最后選用了方案四。

二、設(shè)計(jì)思路與原理

1、系統(tǒng)方框圖
2 、總體設(shè)計(jì)思路與工作原理

本系統(tǒng)以一片NE555構(gòu)成的多諧振蕩器為時鐘源，JK觸發(fā)器構(gòu)成T'觸發(fā)器用于將時鐘源信號分頻，得到1/2倍時鐘源頻率的脈沖信號，作為第二個時鐘信號。計(jì)數(shù)器（74ls161）的時鐘頻率通過兩個三態(tài)輸出緩沖器選擇，自然數(shù)（M0）與音樂數(shù)（M3）選擇1/2倍時鐘信號，奇數(shù)（M1）和偶數(shù)（M2）選擇時鐘源信號。

計(jì)數(shù)器（74ls161）清零置數(shù)法構(gòu)成10進(jìn)制計(jì)數(shù)器（不選160是因?yàn)?94的狀態(tài)跳變過快，161清零信號同時是194的時鐘信號，采用160則無法使用異步清零置數(shù)法，從而使系統(tǒng)運(yùn)行過程中因時序問題導(dǎo)致出現(xiàn)短暫的額外的8顯示）。

本系統(tǒng)難點(diǎn)部分為循環(huán)控制部分（74ls194移位寄存器），循環(huán)控制部分中的74ls194置為模為四的環(huán)形計(jì)數(shù)器，初始狀態(tài)通過上電復(fù)位（對該系統(tǒng)十分重要）信號置數(shù)Q3Q2Q1Q0為 0111，其狀態(tài)有0111-1110-1101-1011-0111循環(huán)，Q3作為模式控制信號M0、Q0作為模式控制信號M1、Q1作為模式控制信號M2、Q2作為模式控制信號M3，分別對應(yīng)自然數(shù)列模式（M0）、奇數(shù)模式（M1）、偶數(shù)模式（M2）、音樂數(shù)模式（M3）。

再根據(jù)不同模式對計(jì)數(shù)器（74ls161）輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，再接到譯碼器（74ls48）進(jìn)行譯碼顯示。

仿真發(fā)現(xiàn)自然數(shù)到奇數(shù)的1時間偏短，偶數(shù)到音樂數(shù)會出現(xiàn)一個短暫的0（采用異步清零的原因）。為了進(jìn)一步簡化電路并改善時間偏短的現(xiàn)象，在偶數(shù)到音樂數(shù)的過渡中，利用74ls48譯碼器的動態(tài)滅零功能消除這個時間偏短的0。

三．各主要電路及部件工作原理1， 2Hz脈沖及分頻電路（NE555、JK觸發(fā)器構(gòu)成T'觸發(fā)器）

圖3 NE555多諧振蕩電路原理圖圖4 NE555多諧振蕩器工作波形

圖5 JK觸發(fā)器構(gòu)成的T'觸發(fā)器分頻電路圖6 時鐘源（CLK1）（黃）及分頻脈沖（CLK2）

（藍(lán)）波形圖

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以自動地產(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。多諧振蕩器的周期公式:

t=（R1+2R2）Cln2

多諧振蕩器的占空比公式:

即上圖3多諧振蕩器的周期約t約為0.5s,占空比q約為66.67%。

分頻電路是由一個JK觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)J端和K端接成高電平時就是一個T'型觸發(fā)器。T’觸發(fā)器在一個脈沖的下降沿Q端的狀態(tài)會變化一次，由這個原理便可以做成0.5倍頻分頻器。

參數(shù)計(jì)算：

因?yàn)樾枰粋€每個數(shù)字切換為1S左右，因此根據(jù)上述公式，C2=10uf可以計(jì)算得出R=R1+2R2=72K。取R1=R2=24K。

2. 循環(huán)控制部分（74ls194移位寄存器）與上電復(fù)位電路

將74ls194接成模為4的環(huán)形計(jì)數(shù)器，通過上電復(fù)位信號控制給74ls194脈沖并同時置數(shù) Q3Q2Q1Q0 為0111。其狀態(tài)有0111-1110-1101-1011-0111循環(huán)，Q3作為模式控制信號M0、Q0作為模式控制信號M1、Q1作為模式控制信號M2、Q2作為模式控制信號M3，分別對應(yīng)自然數(shù)列模式（M0）、奇數(shù)模式（M1）、偶數(shù)模式（M2）、音樂數(shù)模式（M3）。

如圖 7，當(dāng)開機(jī)時，復(fù)位信號（RD）(RD1為RD非)有短暫低電平。如圖 9會使74ls194選通時鐘源（CLK1），并將S1置位1，是194進(jìn)入同步置數(shù)狀態(tài)，將0111置入。之后選通計(jì)數(shù)電路進(jìn)位信號（RCO）作為時鐘，S0置0進(jìn)入移位模式。每來一個脈沖便向下一個狀態(tài)跳變。如圖8 ，狀態(tài)循環(huán)為0111-1110-1101-1011-0111。表現(xiàn)為依次將對應(yīng)的模式信號置為0。

圖 8 74ls194狀態(tài)圖

圖7 復(fù)位電路

R D為復(fù)位信號，RD1為RD非

圖9 74ls194構(gòu)成的模4環(huán)形計(jì)數(shù)器

預(yù)置數(shù)據(jù)為0111，復(fù)位信號（RD）和復(fù)位非信號（RD1）用于控制194的時鐘選擇及工作模式。上電瞬間或手動復(fù)位瞬間，RD為0，選通時鐘源信號（CLK1）作為194時鐘，S0為1，S1接復(fù)位非信號（RD1）為1,194進(jìn)入同步置數(shù)模式，在CLk1激勵下置數(shù)，輸出端Q3Q2Q1Q0 為 0111，自然數(shù)列模式信號（M0）為低（低有效）。復(fù)位信號消失后，194進(jìn)入右移模式，在計(jì)數(shù)電路進(jìn)位信號（RCO）作用下將按圖8所示狀態(tài)移位，依次使M0、M1、M2、M3選通。

3. 計(jì)數(shù)電路

圖10 74ls161 10進(jìn)制計(jì)數(shù)器

如圖10，自然數(shù)模式信號（M0）、音樂數(shù)模式信號（M3）經(jīng)與門產(chǎn)生 161時鐘頻率選擇信號（CLKC），CLKC作用于兩三態(tài)輸出緩沖器（74ls125）對時鐘源信號（CLK1）與1/2時鐘信號（CLK2）進(jìn)行選擇，奇偶數(shù)時選擇CLK1，自然數(shù)與音樂數(shù)選擇CLK2。

74ls161按清零置數(shù)法接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，Q1、Q3經(jīng)與門得到異步清零信號（RD2），自然數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)模式進(jìn)位信號均為（RD2）。音樂數(shù)進(jìn)位信號為8（1000），

Q3與M3非經(jīng)與門得到音樂數(shù)進(jìn)位信號（LOAD）。74ls194時鐘信號（RCO）為LOAD和RD2組成，任意一個為高，則194向下一狀態(tài)跳變一次。74ls161de清零信號由復(fù)位信號（RD）、LOAD、RD2三個組成，具體邏輯如圖10所示。

PS：為什么194的時鐘端用兩個三態(tài)門選擇之后，194的狀態(tài)會跳的非�？欤ㄔ�9剛到的時候就跳變了，神如異步方式）？

圖PS 兩種方式下194時鐘信號狀態(tài)

由圖PS可以看出，

4. 輸出控制電路及譯碼顯示電路

對于自然數(shù)列，不需做額外處理。

仿真發(fā)現(xiàn)自然數(shù)到奇數(shù)的1時間偏短，偶數(shù)到音樂數(shù)的1時間也偏短。為了進(jìn)一步簡化電路并改善時間偏短的現(xiàn)象，在偶數(shù)到音樂數(shù)的過渡中，異步清零，再利用74ls48譯碼器的動態(tài)滅零功能消除這個時間偏短的0。

對于音樂數(shù)列則到了8的的時候就要產(chǎn)生一個進(jìn)位信號（LOAD）進(jìn)行異步清零。

對于奇偶數(shù)列的處理，可以從輸出四位二進(jìn)制看出解決問題的方法，奇數(shù)列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數(shù)列：0000,0010,0100,0110,1000。假如顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接0，則可以得到偶數(shù)列的輸出；反之，顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接1，則可以得到奇數(shù)列的輸出。對于這個奇偶數(shù)列的74LS160，假如和音樂數(shù)列、自然數(shù)列的74LS160接同一個脈沖，則會出現(xiàn)兩類數(shù)字的跳動周期不一樣，那么就可以用0.5倍頻降頻器來實(shí)現(xiàn)。

圖11 各種模式下輸出信號處理

如圖11 ， M0或M3模式下，Q0正常輸出，M1模式下Q0輸出恒為1，M2模式下Q0輸出恒為0。譯碼顯示數(shù)據(jù)的D0，經(jīng)過模式信號選擇不同的輸出模式，已達(dá)到自然數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)、音樂數(shù)不同的輸出效果。

圖12 譯碼顯示

譯碼顯示選用74ls48驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，B、C、D直接接計(jì)數(shù)器（74ls161）對應(yīng)輸出端，A接經(jīng)過處理后得到的D0。LT接高（無效），RBI接M3（M3為0時啟動動態(tài)滅0功能）。所謂動態(tài)滅零為：在此狀態(tài)下的0不顯示。BI/RBD作為輸出懸空。

4．總體調(diào)試及仿真1. NE555與分頻器的調(diào)試

通過把555_VIRTUAL接成多謝振蕩電路便可以輸出方波，通過公式t=（R1+2R2）Cln2的計(jì)算可得方波周期。本電路用R1=R2=24kΩ、C=10uF，則t=0.5s，再通過接0.5倍頻的JK觸發(fā)器便得到1s方波。這兩個方波脈沖分別給兩個74LS161提供信號。

調(diào)試：照電路圖接好線路后，給電路通上電。通過測試555_VIRTUAL的out（3號引腳）端和JK觸發(fā)器的Q端，看其是否為0.5Hz和1Hz。同時可以依據(jù)555的3腳接出的脈沖接到發(fā)光二極管上。觀看等的亮滅情況。

在仿真軟件上得到的結(jié)果如下圖：