数电综合实验

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1、数电综合实验彩灯控制器的设计与调试一、 实验目的1. 学会分析、设计和测试用 555 定时器构成的多谐振荡器。2. 熟悉移位寄存器和中规模集成计数器的工作原理。3. 利用移位寄存器和计数器设计彩灯控制电路，实现不同的闪烁效果。二、彩灯控制器设计简介利用移位寄存器和计数器等设计一彩灯控制电路，改变电路的不同工作状态，控制彩 灯变幻出不同的闪烁效果。电路实用，也可以通过计算机仿真直观地看到循环彩灯的控制 效果，综合运用所学数字电路知识，学会设计和调试方法， 从而产生浓厚兴趣。如果稍微改动控制电路，可以更加完善，完成基于移位寄存器的彩灯 控制器设计。在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感

2、观，起到广告宣传的作用， 又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果，利用控制 电路可使彩灯（例如霓虹灯）按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效 果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。因此，彩灯控制电路应用越来越丰富我 们的生活，成为我们生活不可缺少的一部分。本课题是利用四位双向移位寄存器为核心元 件实现彩灯的循环控制。2.1设计思路首先，利用 555 定时器与外部的阻容元件构成脉冲产生电路，再由计数器 74160 实 现计时的功能，为脉冲分配器做好准备。再由移位寄存器 74LS194 构成编码发生电路，由 于移位寄存器 74LS194 上升沿有效

3、，通过对输入端置数，加上脉冲的驱动来控制彩灯的闪 烁，从而使彩灯按照我们的要求变化。整个流程是由控制电路，编码发生电路和输出电路 等组成。此综合实验讲述了芯片计数器74LS160, 555定时器，移位寄存器74LS194的基 本原理及应用。2.2 基本工作原理脉冲产生与整形电路 555 定时器产生脉冲驱动，再由十进制同步计数器 74LS160， 编码发生电路 74LS194 控制彩灯变化。因此，通过控制 74LS194 的输出就可以实现我们 想要的彩灯循环变化。图 1 工作原理框图2.4 相关芯片及硬件电路设计2.4.1 74160 十进制同步计数器芯片TC 进位输出端CEP 计数控制端P0-

4、P3数据输入端Q0Q3输出端CET 计数控制端 /PE置入控制端/R清零端CP时钟脉冲74LS160 是一个十进制同步计数器，不仅可以对时钟脉冲进行计数，还可以用在定 时、分频和信号产生等逻辑电路。160 的清除端是异步的，当清除端为低电平时，不管时 钟脉冲端 CP 状态如何，即可完成清除工作V(x TG Q0 斶 如 殆 CET PE74LS160|2| |3| |4| | |6|7 fl*R CP P0 P P2 P3 CEP GND图2 74LS160引脚图160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出 端 Q0Q3 与数据输入端 P0P3 一致。 160

5、的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触 发器上而实现的。 当 CEP、CET 为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化， 从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。74160电路的状态转换表亠计数帧序Q电路状态Q等效的十进制数a进位输出TOQd Qc Qe Qa0 0 0 020 0 0 0 1*2沖0 0 12沖20 0 1220 10 2*20 10 1*20 11220 112210 0 2210 0 1*2120 0 0 01202.4.2 四位双向移位寄存器 74LS194 移位寄存器是指寄存器中的所存的代码能够在移位脉冲的作用下左移或右移。既能 左移又能右移的寄存器叫做

6、双向移位寄存器。只需改变左、右移的控制信号便可以实现双 向移位。可串行输入也可以并行输入，可串行输出也可以并行输出，同时具有保持和异步 清零功能，其引脚如图 3。vcc Q( Qi Q2 Qs CP 朋 Sc)74LS194CR SRD.巧 D2 D3 SL GNDD0、D、D2、D3为并行输入端，Q、Q2、Q3.、Q4 位并行输出端。SR为右移串行输入端，SL为左移串 行输入端,S、S0为操作模式控制端。CR-为异步清零端，cp为时钟脉冲端。74LS194移位寄存器功能表图3 74LS194四位双向移位寄存器管脚把移位寄存器的输出反馈到其串行输入端，就可进行循环移位，如图2.3把输出端Q3和

7、右移串行输入端SR相连，设初始状态Q3Q2 Q1 Q0 =0001，则在时钟脉冲作用下，Q3Q2 Q1 Q0将依次变为1000-0100-0010-0001-，可见，它是一个具有四个有效状态的计数器，这种类型的计数器通常称为环形计数器。Qg 4Qi Qq注4位右移寄存器cp % Sq图4右移循环2.4.3 脉冲输出及驱动电路1 555定时器图5 555定时器内部框图GMD18TRIGGER2L L L7：D 0 D口OUTPUT30RESET45VccDISCHARGETHRESHOLDCONTROL VOLTAGE图6 555定时器引脚图图8 74LS194编码发生电路图图9 节拍控制脉冲产

8、生电路三、工作原理3.1. 编码发生器编码发生器根据花形的要求，按CP脉冲送出4位状态编码信号，以控制彩灯按规律 亮或灭。因为彩灯路数少，花形要求不多，可选用移位寄存器输出4路数字信号，控制彩 灯的发光。编码发生器采用四位通用移位寄存器74LS194来实现。节拍脉冲花型11000201003001040001移位寄存器的 4个输入信号通过驱动电路控制彩灯，编码发生器中数据输入端和控制端的接法由有花型决定。花型按照一定的顺序依次闪亮或熄灭。3.2 控制电路 控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。控制电路的 功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需要的各

9、种驱动。节拍控制脉冲的产生，按照上面分析可知，花形每四拍一循环。节拍控制脉冲产生电 路由555和74LS160计数器组成。图 10 彩灯控制器电路总体电路图四、彩灯控制器调试步骤1. 脉冲信号产生电路调试：用555时基电路组成多谐振荡器，调整电路参数，测试振荡频率范围，记录数据，表格自拟。屮2. 74LS194移位寄存器功能测试，74LS194有于种不同操作模式：并行送数寄存；右移（方向由QrQj,左移（方向由Q旷保持及清零。亠3. 编码发生电路及控制电路连接及测试。屮4. 整体电路连接测试。将站和S1同时接高电平或Vcc）亠录预置74LS194的初始并行输入数据DCBA为0001,并行输出Q

10、D“QA为0001,减小脉冲输岀频率，74LS160进位输岀端RCO接控制开关，输岀接四组共16个LED C四 个一组并联，从左到右依次为QqQ皿QJ观察观察花样变化规律，注意记录 一组输出状态（比如按十进制计数右移9次，左移1次）。屮6.改变分别接到QAH3D,观察花样变化规律。屮7总结彩灯控制器的设计方法和调试歩骤及收获。屮实验器材：74194、74160、 CD4069、 555时基电路各1片， 可变电阻 1M固定电阻100K、0.01微法及1微法电容及导线若干。实验补充说明：1. 流水灯的移动方向由74194的SI、SO端决定，详见194的功能表，当SI、S2同时为1 时置数0001，故实验开始时应先置数，但160此时不一定从0000开始计数，故应选取参 考点观察，如当流水灯逆时针旋转一次后160中的状态为0000,到下一次逆时针旋转时 正好为 9 次。2. 该实验可以产生多种花样，可以通过控制194的S1、S0端控制其移动方向，也可以根 据自己的喜好自己控制连线。3. 综合实验项目中用到的线较多，约 5060 根，接线前务必测试导线，接触保证良好， 电路可靠，否则检查很难检查。特别注意：两个区的共地问题！555多谐振荡器数据记录参数fmin(Hz)Tmax (S)输出波形计算值R1=100K,R12=1M ,C1=1UFT= T1+ T2=(R1+2R2)C1ln2