循環彩燈控制電路的Multisim仿真設計

ID:371663 · 發表于 2018-7-14 20:57

名稱數字邏輯設計

設計題目循環彩燈控制電路的設計

設計的內容及要求：

一、設計說明與技術指標

設計一個自動循環顯示的彩燈控制電路，技術指標如下：

1．有十只LED燈，L0……L9

2．顯示方式：

① 上電后，首先全亮，停留n秒后奇數燈依次滅；

② 再偶數燈依次滅；

③ 間隔n秒后，再次所有的燈全亮，然后由L0到L9依次滅；

④ 再次所有燈全亮，依次循環。

3．顯示間隔時間n秒可自定。

二、設計要求

1．在選擇器件時，應考慮成本。

2．根據技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數。

3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規范化）。

三、實驗要求

1．根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用multisim軟件仿真。

2．進行實驗數據處理和分析。

四、推薦參考資料

1、沈任元主編. 數字電子技術基礎[M]. 北京：機械工業出版社.2010

2、康華光主編．電子技術基礎（模擬部分）（第四版）[M]．北京：高等教育出版社， 1999

五、按照要求撰寫設計報告

成績評定表：

序號	評定項目	評分成績
1	設計方案正確，具有可行性，創新性（15分）
2	設計結果可信（例如：系統分析、仿真結果）（15分）
3	態度認真，遵守紀律（15分）
4	設計報告的規范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）
5	答辯（30分）
總分
最終評定成績（以優、良、中、及格、不及格評定）

指導簽字：

一、概述

近年來，隨著人們生活水平的較大提高，人們對于物質生活的要求也在逐漸提高，不光是對各種各樣的生活電器的需要，也開始在環境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光燈已經不能滿足于我們的需要，彩燈的運用已經遍布于人們的生活中，從歌舞廳到卡拉OK包房，從節日的祝賀到日常生活中的點綴。這些不緊說明了我們對生活的要求有了質的飛躍，也說明科技在現實運用中有了較大的發展。在這一設計中我們將涉及有關彩燈控制器的設計，從原理上使我們對這一設計有所了解。將其確實的與我們相聯系起來。

循環彩燈的電路很多，循環方式更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈集成電路。絕大多數的彩燈控制電路都是用數字電路來實現的，例如，用中規模集成電路實現的彩燈控制電路主要用計數器，分頻器和移位寄存器等集成。

本次課設可以用做廣告牌邊框燈光設計，如果用條形光柱代替彩燈，還可以作為廣告牌的背景閃爍燈光使用，增強廣告的感染力。

二、方案論證

方案一：

這一種方案是利用了門電路實現的，自行組裝一個5線-32位的譯碼器和一個16進制的計數器，用以實現循環至少20種狀態的循環，10次的奇偶循環和10次的依次循環再加上另外的停留的n秒時間。用該種方案時,首先需要用兩片74ls160芯片或者兩片74ls161芯片連成一個22進制的用異步置零或同步預置功能的計數器,主要用來實現計數和循環的功能。然后對應22種循環狀態,設置10個輸出,來對應10個LED燈,最后運用門電路對0-22種狀態進行10中與非門的編碼。由敘述及實際的操作可以發現該種方案雖然思路較簡單,但在連接電路時用到的芯片較多,及連接電路時的復雜度較高。再加上應該考慮到成本的因素。此種方法雖不失為一種普遍且能用于的場合多,適應性強的方法,但在本次設計中,卻不是一種較為簡單的方法。方案一的原理框圖如圖1所示。

圖1 方案一的原理框圖

方案二:

前面說明了方案一的優缺點,進而在思路上加以改進。可以在用到555計時器構成的多諧振蕩器的基礎上運用移位寄存器。移位寄存器需要兩個,一個實現奇偶熄滅,一個實現依次熄滅。我們可以用74ls194(是一個四位的移位寄存器)來自行組裝一個十位的1移位寄存器。當按奇偶熄滅的移位寄存器工作時,按依次熄滅的移位器要保持輸出高電平,不要進行移位滅零輸出。同理,按依次熄滅的移位寄存器工作時,另一個按奇偶熄滅的移位寄存器要封鎖狀態,不能處于工作狀態。這樣工作時,兩個移位寄存器交互依次工作,成互不干擾之狀。移位寄存器的引腳與LED燈的連接如圖2所示。

圖2 移位寄存器的引腳與LED燈的連接

從上圖可以看出,同樣一個LED燈由兩個移位寄存器的不同引腳控制,而這兩個引腳應用與門連接進而實現分別控制。

三、電路設計

1.74ls194 芯片各引腳如圖3所示。

圖3 74ls94芯片各引腳圖

寄存器在數字電路中，用來存放二進制數據或代碼的電路稱為寄存器。

寄存器是由具有存儲功能的觸發器組合起來構成的。一個觸發器可以存儲一位二進制代碼，存放N位二進制代碼的寄存器，需用n個觸發器來構成。

按功能可分為：基本寄存器和移位寄存器。

移位寄存器移位寄存器中的數據可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移，數據既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。

1、74LS194移位寄存器的控制輸入端S1和S0是用來進行移位方向控制的，S0為高電平時，移位寄存器處于向左移位的工作狀態，二進制數碼在CP脈沖的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以實現串行輸入；在S1為低電平時，移位寄存器處于向右移位的工作狀態，二進制數碼在CP脈沖的控制下逐位移出寄存器(低位在前，高位在后)。

2、在串行輸入、并行輸出的轉換中，若將四位二進制數碼全部送入寄存器內（四位寄存器）。由于每個CP脈沖移位寄存器只移一位，四位二進制數碼需要四個CP脈沖。在上圖中,D(0123),為并行輸入端,Q(0123)為并行輸出端s1和s0,是用來控制移位寄存器的工作狀態。當s1=s0=0時,保持原有狀態,當是s1=s0=1時,保持并行輸入狀態。

2.555計時器構成的多諧振蕩器

圖4 555計時器構成的多諧振蕩器

用555計時器構成的多諧振蕩器如圖4所示。多諧振蕩器是一種能產生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發生器。“多諧”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩態，只有兩個暫穩態。在工作時，電路的狀態在這兩個暫穩態之間自動地交替變換，由此產生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號集成電路555定時器與RC組成的多諧振蕩器構成。需要的芯片有集成電路555定時器，還有電阻和電容。選擇555定時器構成的多諧振蕩器，其中電容C1為100微法，C2為0.01微法，兩個電阻R1=R2=50歐姆。此時在電路的輸出端就得到了一個周期性的矩形波

3.分頻器(實現不同的波形輸入)

計數器是數字系統中一種用得最多的時序邏輯部件，他的基本功能是記錄輸入脈沖的個數，可用于分頻、定時、產生順序脈沖和序列碼以及數值運算等。分頻器是加法計數器和減法計數器的統稱。所謂“分頻”，就是把輸入信號的頻率變成成倍數地低于輸入頻率的輸出信號。分頻是一個大的概念，它可以用加法計數器實現，也可以用減法計數器實現。但通常人們習慣于用加法計數器實現分頻。某些文獻資料上所謂用計數器的方法做“分頻器”的方法，只是眾多方法中的一種。它的原理是：把輸入的信號作為計數脈沖，由于計數器的輸出端口是按一定規律輸出脈沖的，所以對不同的端口輸出的信號脈沖，就可以看作是對輸入信號的幾次分頻的實現。從電路結構來看，分頻器本質上是由電容器和電感線圈構成的LC濾波網絡，從電路結構來看，分頻器本質上是由電容器和電感線圈構成的LC濾波網絡。利用單穩態電路的計數功能實現分頻的電路，又稱為數字分頻器。在這種分頻器中，輸入信號脈沖為計數器的計數信號。若計數器的計數模為N，則從其進位輸出端可獲得N次分頻的脈沖信號。從各觸發器輸出端可獲得分頻比小于或等于N的脈沖信號。偶數分頻最為簡單，很容易用模為N的計數器實現50%占空比的時鐘信號，即每次計數滿N（計到N-1）時輸出時鐘信號翻轉。使用模為2N+1的計數器，讓輸出時鐘在X-1（X在0到2N-1之間）和2N時各翻轉一次，則可得到奇數分頻器，但是占空比并不是50%（應為 X/(2N+1)）.得到占空比為50%的奇數分頻器的基本思想是：將得到的上升沿觸發計數的奇數分頻輸出信號CLK1，和得到的下降沿觸發計數的相同(時鐘翻轉值相同)奇數分頻輸出信號CLK2，最后將CLK1和CLK2相或之后輸出，就可以得到占空比為50%的奇數分頻器用輸入脈沖控制多諧振蕩器，使它的狀態翻轉時刻與經過若干個周期的輸入脈沖相同步，就能輸出整數分頻比的脈沖信號。此類分頻器可以在不改變電路結構的情況下借助定時元件參數的調整來改變分頻比，因而又稱為任意分頻器。

分頻器中,最重要的是保持周期的相對應,即clk周期最短,保持較小即可,s0周期分頻保持是clk的20倍,且占空比是50%,s1保持clk的40倍,且占空比是75%。這就是所設計的分頻器的主要功能。

在本次課設中我用74ls160和74ls08將多諧振蕩器產生的clk波形分別擴大周期至原周期的20倍、40倍，很好地實現了分頻功能。分頻部分如圖5所示。

圖5 利用74160和74ls08構成的分頻器

如圖5所示,我設計了一個四十進制的計數器,clk信號已由555多諧振蕩器產生,那么接下來的就是波形的分頻包括周期的變換和占空比的變換。我分別需要一個經過10個clk信號就翻轉一次的占空比50%的脈沖和占空比為75%且周期是40倍的clk周期的兩個信號。

4.組合移位寄存器

將移位寄存器的s1和s0按照指定波形變化,即先按輸入高電平,使LED燈全亮且保持n秒,再使按奇偶熄滅的寄存器s1=0,s0=1,使依次熄滅的寄存器的s1=s0=1,使其奇偶熄滅,然后輸入高電平,全亮。最后使依次熄滅的寄存器s1=0,s0=1使按奇偶熄滅的寄存器s1=s0=1,實現依次熄滅。以按奇偶熄滅的移位寄存器的原理構圖如圖6所示。

圖6 按奇偶熄滅移位寄存器框圖

將從分頻器得出來的各已分頻的波形接到以圖6為代表的移位寄存器的s1,s0的控制端,便可以實現對LED燈有規律的熄滅,s1,s0端波形如圖7所示。

圖7 移位寄存器的輸入s端波形

四、性能的測試

1.555計時器的輸出信號測試參數如表1所示

表1 555計時器測試參數

R1	R2	C1	C2
50	50	0.01uF	100uF

運用Multisim測出clk的波形如圖8所示,測得四十倍clk周期如圖9所示,測得二十倍clk周期如圖10所示。

圖8 clk波形測試

555計時器的周期為0.007s,這是最為原始的波形,另外的兩個波形技術就是根據該波形利用74ls160分頻變換而來。同時,占空比是clk信號的可忽略因素,任意值均可。

2.分頻器的波形測試

圖9 四十倍clk周期測試

圖10 二十倍clk周期測試

上圖第一張圖的周期是793.12ms,第二張圖的周期是396.581ms.兩者之間理論上根據分頻器四十進制與為二十進制關系是前者周期是后者周期的2倍,占空比分別為50%和75%。從圖上可以看出是實際與理論計算結果相符合。

五、結論與感悟

在本次課設中,基本思路就是通過對移位寄存器給出低電平,而低電平的移位要同過3個矩形波實現.通過矩形波的分頻,給出s1.s0的變化規律,進而控制按奇偶熄滅和按依次熄滅。溫故而知新。設計發端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學習不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統而全面進行了梳理，遇到難處先是上網找資料再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的靈感。思路即出路。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。