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(shí)，培養(yǎng)我們的實(shí)際動(dòng)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(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)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?cè)诶碚撝笇?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(dòng)、切換、復(fù)位按鈕。按下啟動(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)亮，則可以利用與門將高位的輸出信號(hào)與低位的輸入信號(hào)相與來作為低位的輸出信號(hào)，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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的真值表：

根據(jù)真值表畫出卡諾圖

并化簡(jiǎn)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(hào)才是亮的信號(hào)，所以在前面接個(gè)反相器，然后與一個(gè)控制信號(hào)相與，得到了最終輸出到燈泡的信號(hào)，而控制信號(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)，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(hào)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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，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(jiǎn)單的門電路接到對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)發(fā)送到下面的計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)信號(hào)，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(cè)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(huì)說明。點(diǎn)擊切換按鈕，將信號(hào)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(huì)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(huì)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?hào)時(shí)間太短不計(jì)數(shù)的情況，即這樣

，這種情況下，我們?cè)?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(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器1、2、3的狀態(tài)，即0狀態(tài)是不對(duì)應(yīng)花型的，也就是說，下面的計(jì)數(shù)器會(huì)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(hào)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(huì)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(cè)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(duì)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(hào)，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(jiǎn)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(hào)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(jí)電路種也分別裝上了小燈泡來觀察，發(fā)現(xiàn)在信號(hào)傳輸過程中，燈泡是可以明顯看出呈逐級(jí)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(hào)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(jiǎn)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(dòng)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(cuò)了也會(huì)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(shí)，不能得過且過。
編輯：hfy