1 ?設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求

1.1????設(shè)計(jì)目的：

1. ? 此次課程設(shè)計(jì)的目的是一方面使我們能夠進(jìn)一步理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法，增加集成電路應(yīng)用知識，培養(yǎng)我們的實(shí)際動手能力以及分析、解決問題的能力。另一方面也使我們更好地鞏固和加深對基礎(chǔ)知識的理解，學(xué)會設(shè)計(jì)中小型數(shù)字系統(tǒng)的方法，獨(dú)立完成調(diào)試過程，增強(qiáng)我們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高電路分析和設(shè)計(jì)能力，通過實(shí)踐引導(dǎo)我們在理論指導(dǎo)下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和日后工程實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2?設(shè)計(jì)要求：

10路彩燈分別用10個(gè)發(fā)光二極管L0、L1…..L9模擬，發(fā)光二極管L0、L1…..L9從左到右排列。

要求顯示三種不同的花型：

（1）10路彩燈按照L0、L1…..L9的順序依次點(diǎn)亮至全亮，再按照L9、L8…..L0的順序依次熄滅至全滅。

（2）10路彩燈按照L0L1亮、L1?L2亮、L2L3亮、…L8L9亮、L9L0亮的順序輪流點(diǎn)亮。

（3）10路彩燈按照L0L9、L1L8、L2L7、L3L6、L4L5的順序依次點(diǎn)亮，然后按相反的

順序依次滅掉。

控制電路設(shè)有啟動、切換、復(fù)位按鈕。按下啟動按鈕，進(jìn)入花型（1）并反復(fù)循環(huán)運(yùn)行。按下切換按鈕，進(jìn)入花型（2）并反復(fù)循環(huán)運(yùn)行；再次按下切換按鈕，進(jìn)入花型（3）并反復(fù)循環(huán)運(yùn)行；再次按下切換按鈕，則三個(gè)花型順序運(yùn)行并反復(fù)循環(huán)；若再次按下切換按鈕，則又進(jìn)入花型（1）并反復(fù)循環(huán)；不斷按下切換按鈕，則按上面順序進(jìn)行花型切換。任何時(shí)候按下復(fù)位按鈕，全部燈滅。

2 ?模塊及其原理介紹

2.1 計(jì)數(shù)電路單元

該電路單元由兩片74192計(jì)數(shù)器組成。74192計(jì)數(shù)器是雙時(shí)鐘十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。本電路用一片74192來實(shí)現(xiàn)0到9，即0000到1001的十進(jìn)制計(jì)數(shù)，同時(shí)用另外一個(gè)74192的來對第一片芯片進(jìn)位進(jìn)行計(jì)數(shù)，第二個(gè)芯片計(jì)數(shù)到2時(shí)同時(shí)對兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清0操作，構(gòu)成一個(gè)二十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。其電路圖如下圖所示。

2.2 編碼電路單元

總編碼電路圖：

從上圖我們可以明顯的看出來，按縱列排序，從右到左分別是花型1第一部分、花型1第二部分、花型2和花型3的實(shí)現(xiàn)的門電路。

花型1：

下面是花型1 的真值表，由于在高位燈泡亮的時(shí)候，低位燈泡一定會亮，則可以利用與門將高位的輸出信號與低位的輸入信號相與來作為低位的輸出信號，依次類推。

花型2：

下面是花型2的真值表，在將花型1解決之后，花型2的連接也就順手拈來了。按照真值表連接即可。

花型3:

下面是花型3的真值表，這里可以從中往兩邊看，即在4之前，高位亮低位必亮，在5之后，低位亮高位必亮，所以也可以套用花型1的化簡辦法，4之前高位的輸出與低位的輸入相與，5之后低位的輸出與高位的輸入相與，稍作調(diào)整，即可得到化簡后的連接方式，即如我總編碼圖最左側(cè)所連接的方式。

2.3 花型控制電路單元

列出對應(yīng)的真值表：

根據(jù)真值表畫出卡諾圖

并化簡得到邏輯函數(shù)。

2.4 彩燈顯示電路單元

由于前面輸送過來的是低電平信號才是亮的信號，所以在前面接個(gè)反相器，然后與一個(gè)控制信號相與，得到了最終輸出到燈泡的信號，而控制信號則作為復(fù)位鍵。

2.5 切換電路單元

在切換電路中，主要思想是由切換鍵的點(diǎn)擊構(gòu)成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，然后將花型與數(shù)字狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來，這樣便能做到通過計(jì)數(shù)來切換花型。而在這之中最為重要的則是第二片計(jì)數(shù)器，這片計(jì)數(shù)器是用于單獨(dú)控制三花型循環(huán)的，即在第一片計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到第四個(gè)狀態(tài)，即3的時(shí)候，第二片計(jì)數(shù)器同步進(jìn)入計(jì)數(shù)，要完成這點(diǎn)則需要將第二片計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號也與切換鍵關(guān)聯(lián)起來，這樣才能夠與第一片計(jì)數(shù)器同時(shí)獲得計(jì)數(shù)的信號，作為開始計(jì)數(shù)的標(biāo)志，在獲得第一次開始計(jì)算的信號后，第二片計(jì)數(shù)器進(jìn)入狀態(tài)1，這時(shí)我們要求他應(yīng)在1到3之間循環(huán)，對應(yīng)三個(gè)花型的循環(huán)，根據(jù)需求，我就直接寫出第二片計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號的邏輯函數(shù)了，如下圖所示。

3 ?設(shè)計(jì)方案

3.1????設(shè)計(jì)思路

根據(jù)老師給出的設(shè)計(jì)要求，彩燈循環(huán)控制器主要是完成10個(gè)燈泡按照不同排列組合的亮滅。由此可想到用74192計(jì)數(shù)器從0-9計(jì)數(shù)，分別對應(yīng)十個(gè)燈泡的亮滅情況。而其中花型1較為特殊，因其完成循環(huán)需要的是20次計(jì)數(shù)，需要計(jì)數(shù)兩輪才能完成花型的展示。然后由于74192芯片的輸出對應(yīng)的是8421編碼，可以用7442譯碼器將計(jì)數(shù)的值轉(zhuǎn)化成十路對應(yīng)0到9的輸出。又因?yàn)樾枰瓿傻囊还灿腥N花型，四種狀態(tài)（花型1可分為正序和倒序的兩種狀態(tài)），可以通過四選一多路選擇器，即74153多路選擇器來控制花型的切換。

3.2?設(shè)計(jì)框圖及原理

設(shè)計(jì)框圖如下

設(shè)計(jì)原理：

該彩燈循環(huán)控制器的原理是：由方波信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。用兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成二十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)電路計(jì)數(shù)，花型一需要20個(gè)狀態(tài)來展示彩燈，故需要二十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，而花型二和三則只需要十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)花型，故無需考慮第二個(gè)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。將第一片計(jì)數(shù)器接到譯碼器上編譯，按照各花型的要求通過簡單的門電路接到對應(yīng)的多路選擇器的4個(gè)輸入端中。多路選擇器的控制端由花型控制電路來控制，花型控制電路主要由兩個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)花型的計(jì)數(shù)，再結(jié)合前面計(jì)數(shù)電路的第二個(gè)芯片的輸出值進(jìn)行邏輯電路的連接完成選擇器控制端相對應(yīng)的值。由于74153有兩個(gè)輸出值，故本次一共需要5個(gè)多路選擇器輸出到對應(yīng)的彩燈顯示電路。

3.3?流程圖

3.4?總電路圖

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

首先將開關(guān)撥到如圖所示

，此為關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)碼管顯示皆為0，而后將開關(guān)撥到與地相連，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，上面那個(gè)計(jì)數(shù)器做正常的十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并將進(jìn)位信號發(fā)送到下面的計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)信號，下面的計(jì)數(shù)器做二進(jìn)制計(jì)數(shù)，即整體為二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。無異常現(xiàn)象。

再來做切換按鈕的測試，

圖中用空格鍵控制的為切換按鍵，用C控制的為清零鍵，作用在接下來會說明。點(diǎn)擊切換按鈕，將信號傳入兩個(gè)計(jì)數(shù)器，使其計(jì)數(shù)，注意點(diǎn)擊的時(shí)間需久一點(diǎn)（約1秒），最好能觀察到數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器已經(jīng)計(jì)數(shù)再松開按鈕，否則會出現(xiàn)點(diǎn)擊了按鈕卻并沒有切換花型的問題。當(dāng)上面的計(jì)數(shù)器處于2的計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，也就是下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)為3，進(jìn)入花型循環(huán)，即如圖

。如果按鍵按的時(shí)間不夠久，則會出現(xiàn)上面計(jì)數(shù)器進(jìn)入3，而下面計(jì)數(shù)器因?yàn)樾盘枙r(shí)間太短不計(jì)數(shù)的情況，即這樣

，這種情況下，我們原本3花型循環(huán)狀態(tài)是通過下面的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，而三個(gè)花型狀態(tài)分別對應(yīng)計(jì)數(shù)器1、2、3的狀態(tài)，即0狀態(tài)是不對應(yīng)花型的，也就是說，下面的計(jì)數(shù)器會卡在0狀態(tài)不進(jìn)行計(jì)數(shù)循環(huán)。導(dǎo)致花型切換失敗，

由U70的進(jìn)位信號的邏輯函數(shù)可以看的出來，從0到1 的跳變是需要開關(guān)控制的，如果由于按鍵時(shí)間過短導(dǎo)致無法進(jìn)入到如圖的正常狀態(tài)

，則需要用到清零鍵，重新開始進(jìn)行花型切換。

再看彩燈結(jié)果

，也是可以按照要求呈現(xiàn)的。只是在花型切換的時(shí)候會有些許問題。這個(gè)問題將在總結(jié)的時(shí)候討論。

5 ?結(jié)論與問題討論

5.1?結(jié)論與問題討論

在上一部分的測試中，可以看出在設(shè)計(jì)要求上我的完成度很高，基本完美滿足了設(shè)計(jì)的要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)二點(diǎn)過程中，我遇到的最大的問題應(yīng)該是花型切換按鍵的設(shè)計(jì)部分了吧，一開始我的方案是想著用4個(gè)計(jì)數(shù)器和4個(gè)譯碼器分別對應(yīng)4種花型的（花型1占兩種），然后通過門電路來選擇給哪個(gè)計(jì)數(shù)器供應(yīng)時(shí)鐘信號，但由于復(fù)雜程度的原因而不得不放棄這個(gè)想法，在查閱了一系列資料之后，終于在網(wǎng)絡(luò)上找到了一篇前人的設(shè)計(jì)思路，是通過多路選擇器來選擇輸出的花型的想法。第一次看到這個(gè)思路的時(shí)候我也不禁感嘆這思路的清晰與簡潔。然而美中不足的是，這套方案在切換花型的那一刻的信號輸出并不連續(xù)，導(dǎo)致花型切換的不夠連貫。為了弄清楚這是如何導(dǎo)致的，我在前面各級電路種也分別裝上了小燈泡來觀察，發(fā)現(xiàn)在信號傳輸過程中，燈泡是可以明顯看出呈逐級亮（滅）的狀態(tài)的，我也因此斷定花型切換問題是由于電路延遲導(dǎo)致切換不連貫的，遂將之說與老師，與老師討論一番之后，老師也提出了另一個(gè)可能：由于各電路器件的搭配問題而產(chǎn)生的信號延遲。從這兩種可能出發(fā)，我也嘗試做出補(bǔ)救，像是更換器件、在電路中增加電阻增大電路、重新設(shè)計(jì)簡化電路、或是并聯(lián)上小電容等，效果并不甚佳。

在使用軟件的過程中，我學(xué)習(xí)并掌握了該軟件的使用方法，加強(qiáng)了實(shí)際動手能力，并且明白了做事必須謹(jǐn)慎的道理，哪怕有一條線接錯了也會導(dǎo)致整個(gè)電路的失敗，使其不能正常運(yùn)行從而達(dá)到我們的要求。這次的課程設(shè)計(jì)也讓我知道了必須掌握大量的相關(guān)知識，不能得過且過。
編輯：hfy