数电课设-走马灯 - 图文

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

学 号：

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

2010 年 6 月 29 日

彩灯循环显示控制电路设计

信息工程学院 通信工程

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：

指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 彩灯循环显示控制电路设计 初始条件：Multisim仿真软件； 芯片：74HC90, 74HC112等。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明

书撰写等具体要求）

1、设计出完整的彩灯循环显示控制电路设计电路设计； 2、对电路原理各部分进行准确的分析； 3、写出电路的工作过程；

4、对设计电路进行准确的仿真；

5、能够分析出理论与实际的误差原因；

6、本课设的技术要求较简单，能了解原理及分析仿真结果即可。

时间安排：

19周理论讲解及任务安排； 20周方案设计、仿真及制作； 20周答辩。

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

目 录

摘 要........................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 1. Multisim软件简介 ................................................................................................................... 2 2. 设计目的、任务及要求 ........................................................................................................... 4

2.1设计目的 ............................................................................................................................. 4 2.2设计任务 ............................................................................................................................. 4 2.3设计要求 ............................................................................................................................. 4 3．电路设计 ..................................................................................................................................... 5

3.1设计构思 ............................................................................................................................. 5 3.2芯片介绍 ............................................................................................................................. 5 3.3原理设计 ............................................................................................................................. 7

3.3.1数列循环电路设计 ................................................................................................ 7 3.3.2数字显示电路 .......................................................................................................... 8 3.3.3二分频电路设计 .................................................................................................. 11 3.3.4脉冲发生电路 ........................................................................................................ 11 3.3.5显示电路 ................................................................................................................ 12

4．总体电路设计 ........................................................................................................................... 14 5．电路仿真 ................................................................................................................................... 16

5.1脉冲电路仿真 ................................................................................................................... 16 5.2二分频电路仿真 ............................................................................................................... 17 5.3整体电路仿真 ................................................................................................................... 18 6．实物的制作 ............................................................................................................................... 19

6.1实物的焊接 ....................................................................................................................... 19 6.2电路的调试 ....................................................................................................................... 19 7．心得体会 ................................................................................................................................... 21 参考文献......................................................................................................................................... 22 附录 ................................................................................................................................................ 23

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

摘 要

本次数电课设是基于数字时序电路原理制作的，包括电路原理的设计，电路的仿真，和实物制作与调试。仿真所用的是Multisim软件。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

而这次的内容还包括分电路图的整合，使这个彩灯循环显示器能够按照要求那个依次输出自然序列，奇数序列，偶数序列还有音乐序列。为了实现这个循环输出的功能，在设计的时候还用到了一个以为寄存器，可以利用它的输出端来控制四个计数器的工作情况，可以让四个计数器依次工作，就可以达到要求的依次循环输出数列。

I

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

Abstract

This course is the number of power based on the principle of digital circuits, including circuit design, circuit simulation, and physical development and debugging. Simulation of Multisim software is.

The National Instruments Multisim (NI) co., Ltd. launched as a Windows-based simulation tool suitable for Board-level analog/digital circuit design. It contains the circuit schematics drawing input, circuit hardware description language input mode, has a wealth of simulation analysis capabilities.

This also includes the integration of the circuit, so that the lights cycle monitor in accordance with the requirements of the natural sequence, then output the odd sequence, even serial music sequences. In order to achieve this loop output capabilities, design also incorporates a thought that registers, you can use its output to control the work of four counters, you can let the four counters work sequentially, you can meet the requirement of one loop output series.

彩灯循环显示控制电路设计

II

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

1.Multisim软件简介

EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子

设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW 8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。

Multisim 10通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从

2

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

图1 Multisim10界面

3

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

2.设计目的、任务及要求

2.1设计目的

（1）能对一定复杂程度的数字电路的原理图进行较完整的分析； （2）能运用较基本的仿真软件如Multisim对电路进行仿真； （3）能够对仿真中出现的问题快速的找到原因。

2.2设计任务

以10个发光二极管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后由依次显示出自然数列、奇数列、偶数序列，音乐符号序列...... 如此周而复始，不断循环。

2.3设计要求

（1）达到本次课设所要求的目的，能较完整的完成任务； （2）能对设计电路过程中出现问题及时解决并分析其中原因； （3）仿真结果与理论分析进行对比分析误差； （4）打开电源时，控制器可自动清零；

（5）每个数字的一次显示时间大致相等，这个时间在1s到2s范围内连续可调。

4

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

3．电路设计

3.1设计构思

本电路要求实现电路循环功能，每次循环次数不超过10。考虑用十进制计

数器可以完成该功能。电路有四个不同的循环，用四个十进制计数器即可。再用四进制计数器控制电路的依次循环。再用译码器辅助计数器，使得信号得以显示。脉冲信号用555定时器产生。

3.2芯片介绍

电路中需要五个定时器，分别完成四进制，十进制，奇数计数，偶数计数，音乐序列的计数。二-五-十计数器74ls90可以完成完成上述所有功能。其功能见表1。 输入 R01 R02 S91 S92 CPA CPB QD QC 输出 QB QA 1 1 0 1 1 0 0 × 1 1 × 0 1 1 × × × × CP 0 CP QD × × × × 0 CP QA 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 二进制计数 五进制计数 8421码十进制计数 5421码十进制计数 R01 R02=0 S91 S92=0 CP 表1 74ls90功能表 5

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

在用四进制计数器控制数列循环时需用到一个二线-四线译码器来控制数字循环电路，74ls139可以实现该功能，其功能见表2。

输入 G 1 0 0 0 0 B × 0 0 1 1 A × 0 1 1 1 Y3 输出 Y2 Y1 Y0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 表2 74ls139功能表

将数字信号显示出来需要一个四线-十线译码器，用74ls42可以实现。其功能见表3。

输 入 A B C D 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 其他 输 出 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

表3 74ls42功能表

由于自然序列和音乐序列都是十进制循环序列，而奇序列和偶数序列为五进制循环，若用一个脉冲信号会导致输出显示时间不一致，考虑用分频电路使得自然序列和音乐序列的脉冲信号频率奇数序列和偶数序列的二分之一。用JK触发器可以实现。74ls112是包含了两个JK触发器的芯片，电路只需用到一个。JK触发器的功能已非常熟悉，不再介绍。

3.3原理设计

3.3.1数列循环电路设计

这部分电路主要由一个四进制计数器和一个译码器构成，这个部分的作用

是让自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列，依次循环显示。计数器的脉冲应该与各个序列计数器的最高位相连，每当一个序列计数完成产生一个脉冲触发数列循环电路计数。而译码器应该与各序列计数器的使能端相连，每次只能有一个计数器工作。如当自然序列计数完成，其最高位输出QD将会从高电位跳为低电位，从而触发四进制计数器计数，由于当前为自然序列工作，译码器的输出Y0Y1Y2Y3必为0111，而计数器计数为00。计数器被触发后计数变为01，相应译码器输出，变为1101，自然序列停止工作，奇数序列开始循环。如此可以循环进行。各个序列计数器的最高位应该通过四输入或门接到四进制计数器的CP端。74ls90需要R01和R02端同时为高电平才能清零。电路如图1所示。

图1 数列循环电路

7

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

3.3.2数字显示电路

（1）自然序列

从前面的功能表可以看出，将74ls90的最低位输出端QA与CPB端相连，脉冲信号从CPA输入,可实现十进制计数。自然序列的产生只需将输出与译码器相连即可。在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依为0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0到9了。数字显示电路先用软件中提供的脉冲信号发生器和四输入数码管代替，在后面将详细介绍脉冲信号的产生和显示电路的原理。其电路如图2所示。

图2 自然序列电路 （2）奇数序列

将译码器的最低QA端接高电位，其余三位正常计数，可以实现奇数计数。译码器高三位可以考虑两种接法:1. 分别从高到底与计数器的QDQCQB相连，这样需要用到分频电路。2.分别从高到底与QCQBQA相连，这样不需分频电路，但会造成显示电路的乱码。因为，当QCQBQA为101或更大时，译码器的输入大于1011，译码器输出全为高电平。而用数码管仿真时，数码管乱码。由于上述原因，采用1方案。

8

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图3 奇数序列电路

图4 方案2造成的乱码 （3）偶数序列

偶数序列的原理与奇数序列类似，只要将译码器的最低位QA接低电平，其余接法与奇数序列相同。

9

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图5 偶数序列电路

（4）音乐序列

音乐序列的特点是从0显示到7后又再变为0，这里可以将译码器的最高位固定接低电平就可以实现了。因为74LS90的输出端只有三个与译码器相接，当74LS90的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000”，“0001”。这样数码管的显示就又变成0和1。其序列仿真电路图如图6。

图6 音乐序列电路

10

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

3.3.3二分频电路设计

由于奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的2倍，为了实现显示数字时间间隔相等的目的，可以使用二分频电路，让自然序列和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。

将JK触发器的JK端都接高电平，就构成一个T’触发器。当接收到一个

下降沿触发，触发器的状态就翻转一次。从而使得输出信号的频率是输入CP信号的二分之一。分频电路如图7所示。

图7 分频电路

3.3.4脉冲发生电路

这里用到的是用555定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号。而用555定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。

接通电源后，电容C2被充电，当VC上升到2/3VCC时，使输出电压为低电平，同事放电三极管T导通，此时电容C2通过RB和T放电，VC下降。当VC下降到2/3VCC时，V0翻转为高电平。当放电结束后，T管截止，VCC将通过RA

11

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

和RB 向电容器C2充电，当VC上升到2/3VCC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路如图8所示。

图8 脉冲产生电路

输出波形占空比=R1/（R1+R2）=1/2。输出波形如图9所示。并可以算出脉冲波形周期。T=(R1+R2+1K)Cln2=2.1ms。

图9 输出脉冲信号

3.3.5显示电路

显示电路主要由译码器和十个发光二极管构成，由于译码器的输出是低电平有效，需要通过电源与二极管和电阻相连再连到译码器输出上，这样当某个输出为低电平时对应的二极管发光。显示电路如图10所示。

12

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图10 显示电路

13

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

4．总体电路设计

如图11是彩灯电路的总体电路，图中U9和U10构成序列循环控制电路。在译码器74ls139控制下，U1,U6,U7,U8中只有一个处于计数状态，其余都被清零。因为译码器的输出中只有一个低点位，74ls90是低点位清零芯片。当处于工作状态的芯片计数完成，其电位会由高跳变到低，从而触发U9计数，译码器相应低点位前移一位，即下一个芯片开始工作，实现了序列的循环工作。

显示电路是将各计数电路的输出端分别与与门相连再连到译码器的输入端。如图中U4B,U2A,U2B,U3A分别与计数器的QAQBQCQD相连。计数序列的最低位端本来应该直接与高电平相连，但在整体电路里，若直接接高电平将导致输出只能是高电平，电路失效。所以考虑当奇数序列工作时才使该最低输入端为高电平。当奇数序列计数器工作时其清零端为低电平，因为74ls90是低点位清零芯片，所以可以将清零端接上一个反相器再与与门相连。而对于偶数循环序列可以直接在与门上接一个低点位，因为低点位不会影响到与门的其余输入。同理，音乐序列也可以直接将低点位接到与门上。

图中分频电路的输出只与自然序列和音乐序列的脉冲输出端相连，而原始脉冲与奇数偶数序列相连。

由于篇幅有限，图中未能将发光二极管显示出来，其电路及原理见图9。图中脉冲信号用软件提供的脉冲发生器代替，在后面的仿真部分会详细介绍555定时器构成多谐振荡器的输出波形。

14

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图11 整体电路图

15

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

5．电路仿真

5.1脉冲电路仿真

电路原理前面已经介绍，不再赘述。其仿真电路如图12。

图12 脉冲发生电路仿真图

其仿真波形如图13所示。

16

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图13 脉冲电路仿真

从图中可以看出，两根参考线的位置分别为405.884ms和408.226ms。两者之差为2.341ms。与计算值2.1ms稍大，说明电路中存在延迟。而波形的占空比为二分之一，与原理分析一致。

5.2二分频电路仿真

分频电路仿真图如图14。示波器A通道接的是分频后的输出，B通道接原

始脉冲信号。

图14 二分频电路仿真

其波形如图15所示

17

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图15 二分频电路输出波形

从波形图中可以清楚地看出分频后脉冲周期是原始输入脉冲信号的周期的两倍。即脉冲的频率变为原来的二分之一，实现了二分频的功能。

5.3整体电路仿真

通过对脉冲信号仿真验证了它的功能，可以用脉冲发生器代替，所以可以用图10对整体电路进行仿真。Multisim的发光二极管可以模拟真实二极管的发光，如图16所示，图中LED8处于模拟发光状态。通过观察发现电路完成了课设要求，即它能自动地依次完成0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后由依次显示出自然数列、奇数列、偶数序列，音乐符号序列...... 如此周而复始，不断循环。如此只能用语言叙述，无法将电路动态变化过程反映到纸质报告上。

图16 发光二级管显示示意图

18

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

6．实物的制作

6.1实物的焊接

按照电路图的连线关系连接，由于条件有限，没有焊接555定时器构成的多谐振荡器。直接在实验室接入脉冲来对电路进行测试。电路焊接后电路板如图17所示。

图17 整体电路板

6.2电路的调试

将电源端接5v高电平，接地端接低电平。CP端接1Hz的脉冲信号，如图

18所示。开始调试时发现二极管都没有亮，检查发现74ls42的接地端没有连接。修正错误后，二极管开始循环发光，但发现并没有按照设计要求中的依次发光，只能完成部分奇数序列发光功能，之后检查多次未果。分析原因应该在于线路问题。由于时间限制等问题，电路功能没有最终实现，这是本课设的一个遗憾之处。

19

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

图18 电路调试

20

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

7．心得体会

本次数电课设耗时两个多星期，期间我学到了很多东西。对Multisim 的学习时第一个收获，Multisim软件方便易学，是同类型电路中较简单的一个，便于入门。其次加深了我对数电知识的掌握，尤其是时序电路知识。还让我接触到了数字电路的焊接，了解了部分芯片的引脚规律。

在课程设计的过程中我遇到了许多挫折,如实物电路一直不能调试出来,但我认为挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。

在制作课设的这两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，如电路焊接不够熟练，线路布置不清晰等，以及其中很多功能应用还未有深刻理解，要通过不断的实用和查找资料来完善自己此方面的能力。

此设计由于我们的学业不精和时间等客观问题，未能使设计达到完善，还有很多缺点和错误，如电路功能没有最终实现等。希望老师能提出改进意见，谢谢老师对我们的辛勤栽培。

21

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

参考文献

1.康华光主编，电子技术基础（数电部分），高等教育出版社，2006 2.伍时和主编，数字电子基础，清华大学出版社，2009 3．阎石主编，数字电子基础，高等教育出版社，2006

4．高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社，2005.2 5.Victor p. Nelson 主编.DIGITAL LOGIC CIRCUIT ANALYSIS & DESIGN 数字逻辑电路分析与设计.北京：清华大学出版社，2003

6. 陈明义主编.数字电子技术基础（电类）.中南大学出版社 2004.1

22

武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

附录

表4 元件清单

数量 描述 5 74LS, 74LS90D 1 74LS, 74LS139D CMOS_5V, 3 4072BD_5V 1 74LS, 74LS42D 1 74LS, 74LS05D 10 LED_red 1 74LS, 74LS112D

23

参考标识 U1, U6, U7, U8, U9 U10 U4, U2, U3 U0 U5 LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8, LED9, LED10 武汉理工大学《电子技术基础 数字部分》 课程设计

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 通信工程 0801 性 别 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zku6.html