數字電路彩燈控制器的Multisim仿真設計 NE555+74芯片

ID:786648 · 發表于 2020-7-2 17:23

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

彩燈控制電路可使彩燈（例如霓虹燈）按一定規律不斷改變狀態，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數碼管顯示不同數字作為教學練習的主要內容。

彩燈控制器的設計課題是為強化我們所學的電子技術，結合書本理論知識，結合實際操作。這是一個理論結合實踐的過程。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，控制彩燈的各種序列的變換。通過結合觸發器的選擇，使用555產生時鐘頻率并對時鐘進行分頻，從而改變數字的顯示時間間隔的時間。

數字電子技術在我們生活中的應用非常之廣泛，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計，都無可避免的要運用它。并且鑒于以理論推動實踐及理論實踐相結合為指導思想，特此用我們所學的理論知識來實踐這次設計。

1、設計要求與設計說明

一．題目

彩燈控制器

二．設計要求

設計并制作一個彩燈控制器，要求如下：

以LED作為數碼管作為控制器的顯示元件，它自動地依次顯示出數字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數列），1、3、5、7、9（奇數列），0、2、4、6、8（偶數列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數列），然后又依次顯示出自然數列、奇數列、偶數列和音樂符號數列……如此周而復始，不斷循環。
打開電源時控制器可自動清零，從接通電源時刻起，數碼管最先顯示出自然數列的0，再顯示出1，然后按上述規律變化。
3）每個數字顯示的時間（從數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秒內可調。
4）畫出總電路圖并列出元件清單。

三．安裝調試要求

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，并檢驗它的功能。
3）完成計數器電路接線，并用發光管檢驗計數狀態。
4）完成譯碼器、顯示電路、安裝、調試。
5）整機聯調并記錄數據，使之滿足設計要求。

四．分析、整理實驗結果，寫出數據總結報告。

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、計數器和譯碼顯示電路組成。
圖1 彩燈控制器原理

脈沖源：用來產生計數脈沖，要求周期為0.5~2s連續可調（本課題設置為1s）。
控制電路：用以控制計數器按四種方式計數。
計數電路：用來對脈沖計數，共有4種計數方式，依次循環進行。
譯碼顯示電路：對計數器輸出進行譯碼顯示。
3、方案論證

方案一：NE555構成多諧振蕩器產生脈沖，T'觸發器對555產生的脈沖進行2分頻，一片74ls160接1秒脈沖源作為自然數和音樂數輸出、另一片74LS160接0.5秒作為奇偶數輸出，利用兩個JK觸發器構成4進制計數器（00-01-10-11）結合74ls139或138（139所接線路更少）譯碼器作為模式選擇控制器，4進制計數器（00-01-10-11）時鐘信號為4種狀態的進位信號（如自然數列到9后160的進位端ROC會產生進位信號，奇偶數同理（第二片160的進位信號），音樂數模式下進位信號則通過0111與音樂數模式選擇信號共同產生），再結合適當的門電路即可實現功能。

此電路的特點在于：分兩種模式控制，容易理解，但電路復雜。

方案二：NE555構成多諧振蕩器產生脈沖，T'觸發器對555產生的脈沖進行2分頻，一片74ls160作為計數輸出，利用兩個JK觸發器或一個計數器（160/161/190/191，十六進制為佳。無需反饋、無需置數與清零，接線少）構成4進制計數器（00-01-10-11）結合74ls139或138（139所接線路更少）譯碼器作為模式選擇控制器，4進制計數器兩個輸出經一個異或門結合反向器與三態輸出緩存器構成時鐘頻率選擇器，4進制計數器（00-01-10-11）時鐘信號為160進位端ROC，音樂數模式下0111與音樂數模式選擇信號共同產生），再結合適當的門電路即可實現功能。

此電路的特點在于：計數芯片只用了一個，通過三態門電路選擇時鐘頻率，電路發雜程度適中。

方案三：NE555構成多諧振蕩器產生脈沖，T'觸發器對555產生的脈沖進行2分頻，兩片計數器（160/161/190/191）構成27進制計數器，利用兩個JK觸發器或一個計數器（160/161/190/191）構成4進制計數器（00-01-10-11）。4進制計數器（00-01-10-11）時鐘信號為27進制計數器的9、14、19、27。

此電路的特點在于：整體控制時序，容易理解，但電路十分復雜。

方案四：NE555構成多諧振蕩器產生脈沖，T'觸發器對555產生的脈沖進行2分頻，一片74ls160作為計數輸出，一片移位寄存器（74ls194）構成模4的循環移位（Q3Q2Q1Q0 0111-1110-1101-1011-0111）寄存器。每個狀態分別只有一個為低電平，省去了譯碼部分（74ls138、74ls139）。

此電路的特點在于：所用芯片少，巧妙利用上電復位信號對74ls194置數，之后便可進入循環狀態，此方案電路較為簡單，所用芯片總數最少。

方案五：NE555構成多諧振蕩器產生脈沖，T'觸發器對555產生的脈沖進行2分頻，四片74ls160作為計數輸出，每個狀態一種。利用兩個JK觸發器或一個計數器（160/161/190/191）構成4進制計數器（00-01-10-11）。每個狀態選通對應的計數器74ls160，并用兩片74ls153對4片160的輸出進行選擇。

此電路的特點在于：芯片用的多，但門電路基本可以不用，理解方便。

4、方案選擇

方案三過于復雜，直接舍棄！

方案五所用芯片過多，雖然調理比較清晰，但電路很復雜，未采用。

最開始設計的是較為容易理解的方案一，仿真發現自然數到奇數的1時間偏短，偶數到音樂數的1時間也偏短。為了進一步簡化電路并改善時間偏短的現象，在偶數到音樂數的過渡中，不將74ls160置數到1，而是自然跳變為0，再利用74ls48譯碼器的動態滅零功能消除這個時間偏短的結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進制模式、無需另行設計）加74ls139譯碼，計數模塊用74ls160。仿真結果與方案一一致。總體電路復雜程度有所降低。

最后嘗試了方案四，仿真發現顯示過程中會出現一些結果之外的8和9，并且音樂的7到自然數過渡過程模式選擇移位寄存器74ls194會提前向下一個狀態跳變（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7的狀態下，使74ls194 S1 S0為 00 ，從而保持音樂數狀態，但是結果發現音樂數7到自然數的0 被動態滅零了。是因為音樂數狀態的保持造成動態滅零使能有效，并且錯過了移位脈沖，從而使狀態停留在音樂數不變，導致整個系統癱瘓。仿真發現194狀態跳變速度非常快（在進位信號剛來時就跳變了），所以模式進位信號改用音樂數后的8（1000），同時計數器160也用8（1000）進行異步清零，最終實現了功能。但是，系統運行過程中會跳變出短暫的干擾信號，使得數碼管顯示出短暫的8。最后再將194進位信號改成161（160無這個狀態，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雜程度，最后選用了方案四。

二、設計思路與原理

1、系統方框圖
2 、總體設計思路與工作原理

本系統以一片NE555構成的多諧振蕩器為時鐘源，JK觸發器構成T'觸發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。計數器（74ls161）的時鐘頻率通過兩個三態輸出緩沖器選擇，自然數（M0）與音樂數（M3）選擇1/2倍時鐘信號，奇數（M1）和偶數（M2）選擇時鐘源信號。

計數器（74ls161）清零置數法構成10進制計數器（不選160是因為194的狀態跳變過快，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法，從而使系統運行過程中因時序問題導致出現短暫的額外的8顯示）。

本系統難點部分為循環控制部分（74ls194移位寄存器），循環控制部分中的74ls194置為模為四的環形計數器，初始狀態通過上電復位（對該系統十分重要）信號置數Q3Q2Q1Q0為 0111，其狀態有0111-1110-1101-1011-0111循環，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，分別對應自然數列模式（M0）、奇數模式（M1）、偶數模式（M2）、音樂數模式（M3）。

再根據不同模式對計數器（74ls161）輸出的數據進行不同的處理，再接到譯碼器（74ls48）進行譯碼顯示。

仿真發現自然數到奇數的1時間偏短，偶數到音樂數會出現一個短暫的0（采用異步清零的原因）。為了進一步簡化電路并改善時間偏短的現象，在偶數到音樂數的過渡中，利用74ls48譯碼器的動態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觸發器構成T'觸發器）

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觸發器構成的T'觸發器分頻電路圖6 時鐘源（CLK1）（黃）及分頻脈沖（CLK2）

（藍）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，就可以自動地產生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒有穩態，所以又稱為無穩電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩態過渡到另一個暫穩態，其“觸發”信號是由電路內部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關。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觸發器構成，當J端和K端接成高電平時就是一個T'型觸發器。T’觸發器在一個脈沖的下降沿Q端的狀態會變化一次，由這個原理便可以做成0.5倍頻分頻器。

參數計算：

因為需要一個每個數字切換為1S左右，因此根據上述公式，C2=10uf可以計算得出R=R1+2R2=72K。取R1=R2=24K。

2. 循環控制部分（74ls194移位寄存器）與上電復位電路

將74ls194接成模為4的環形計數器，通過上電復位信號控制給74ls194脈沖并同時置數 Q3Q2Q1Q0 為0111。其狀態有0111-1110-1101-1011-0111循環，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，分別對應自然數列模式（M0）、奇數模式（M1）、偶數模式（M2）、音樂數模式（M3）。

如圖 7，當開機時，復位信號（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進入同步置數狀態，將0111置入。之后選通計數電路進位信號（RCO）作為時鐘，S0置0進入移位模式。每來一個脈沖便向下一個狀態跳變。如圖8 ，狀態循環為0111-1110-1101-1011-0111。表現為依次將對應的模式信號置為0。

圖 8 74ls194狀態圖

圖7 復位電路

R D為復位信號，RD1為RD非

圖9 74ls194構成的模4環形計數器

預置數據為0111，復位信號（RD）和復位非信號（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接復位非信號（RD1）為1,194進入同步置數模式，在CLk1激勵下置數，輸出端Q3Q2Q1Q0 為 0111，自然數列模式信號（M0）為低（低有效）。復位信號消失后，194進入右移模式，在計數電路進位信號（RCO）作用下將按圖8所示狀態移位，依次使M0、M1、M2、M3選通。

3. 計數電路

圖10 74ls161 10進制計數器

如圖10，自然數模式信號（M0）、音樂數模式信號（M3）經與門產生 161時鐘頻率選擇信號（CLKC），CLKC作用于兩三態輸出緩沖器（74ls125）對時鐘源信號（CLK1）與1/2時鐘信號（CLK2）進行選擇，奇偶數時選擇CLK1，自然數與音樂數選擇CLK2。

74ls161按清零置數法接成十進制計數器，Q1、Q3經與門得到異步清零信號（RD2），自然數、奇數、偶數模式進位信號均為（RD2）。音樂數進位信號為8（1000），

Q3與M3非經與門得到音樂數進位信號（LOAD）。74ls194時鐘信號（RCO）為LOAD和RD2組成，任意一個為高，則194向下一狀態跳變一次。74ls161de清零信號由復位信號（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門選擇之后，194的狀態會跳的非常快（在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

由圖PS可以看出，

4. 輸出控制電路及譯碼顯示電路

對于自然數列，不需做額外處理。

仿真發現自然數到奇數的1時間偏短，偶數到音樂數的1時間也偏短。為了進一步簡化電路并改善時間偏短的現象，在偶數到音樂數的過渡中，異步清零，再利用74ls48譯碼器的動態滅零功能消除這個時間偏短的0。

對于音樂數列則到了8的的時候就要產生一個進位信號（LOAD）進行異步清零。

對于奇偶數列的處理，可以從輸出四位二進制看出解決問題的方法，奇數列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數列：0000,0010,0100,0110,1000。假如顯示部分不接四位二進制輸出的最低位，最低位接0，則可以得到偶數列的輸出；反之，顯示部分不接四位二進制輸出的最低位，最低位接1，則可以得到奇數列的輸出。對于這個奇偶數列的74LS160，假如和音樂數列、自然數列的74LS160接同一個脈沖，則會出現兩類數字的跳動周期不一樣，那么就可以用0.5倍頻降頻器來實現。