...wd......wd......wd...哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)數(shù)字邏輯綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)題目名稱四路彩燈顯示系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名同組班級(jí)同組學(xué)號(hào)同組姓名指導(dǎo)教師武俊鵬、孟昭林、劉書勇、趙國冬2013年06月摘要四路彩燈常見于節(jié)慶場合，按照某種規(guī)那么點(diǎn)亮或者閃爍彩燈，本次數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要完成四路彩燈的控制流程，控制流程如下：第一路彩燈先點(diǎn)亮，然后依次點(diǎn)亮第二路、第三路、第四路；第四路先滅，然后第三路、第二路、第一路依次滅；四路彩燈均亮0.5s滅0.5s，共四次；從1)開場循環(huán)。本次實(shí)驗(yàn)采用中小規(guī)模集成電路進(jìn)展彩燈顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體使用74LS161作為循環(huán)控制電路，74LS194控制彩燈花型顯示，并用假設(shè)干基本與門、非門、與非門等芯片基本邏輯電路。關(guān)鍵詞：四路彩燈；計(jì)數(shù)器；移位存放器；中小規(guī)模集成電路；目錄目錄1需求分析-3-1.1基本功能要求-3-1.2創(chuàng)新拓展功能-3-1.3設(shè)計(jì)原理-3-2.1系統(tǒng)邏輯構(gòu)造設(shè)計(jì)-5-2.1.1循環(huán)控制電路-5-2.1.2四路彩燈狀態(tài)顯示-7-2.2系統(tǒng)物理構(gòu)造設(shè)計(jì)-10-2.2.1循環(huán)控制電路物理構(gòu)造-10-2.2.2狀態(tài)顯示電路物理構(gòu)造-11-2.2.3完整系統(tǒng)電路物理構(gòu)造-12-3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-13-3.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程-13-3.2系統(tǒng)測試-13-3.3系統(tǒng)最終電路圖-14-3.4系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)分工-15-4總結(jié)-16-參考文獻(xiàn)-17-1需求分析基本功能要求用小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)并制作一個(gè)四路彩燈顯示系統(tǒng)的要求如下：開機(jī)自動(dòng)置入初始狀態(tài)后即能按規(guī)定的程序進(jìn)展循環(huán)顯示。程序由三個(gè)節(jié)拍組成：第一節(jié)拍時(shí)，四路輸出Q1~Q4依次為1，使第一路彩燈先點(diǎn)亮，接著第二路、第三路、第四路彩燈依次點(diǎn)亮；第二節(jié)拍時(shí)，Q4~Q1依次為0，使第四路先滅，然后第三路、第二路、第一路彩燈依次滅；第三節(jié)拍時(shí)，Q1~Q4輸出同時(shí)為1態(tài)0.5s，然后同時(shí)為0態(tài)0.5s，使四路彩燈同時(shí)點(diǎn)亮0.5s，然后同時(shí)滅0.5s，共進(jìn)展4次。每個(gè)節(jié)拍費(fèi)事為4s，執(zhí)行一次程序共需12s。用發(fā)光二極管顯示彩燈系統(tǒng)的各節(jié)拍。創(chuàng)新拓展功能對(duì)四路彩燈所在擴(kuò)展如下：增加暫停功能，即在四路彩燈顯示系統(tǒng)工作時(shí)，可從任意狀態(tài)暫停，之后可以恢復(fù)暫停時(shí)的狀態(tài)，并繼續(xù)工作；增加數(shù)字顯示，用兩位十進(jìn)制數(shù)00~11隨著彩燈的變化顯示12個(gè)狀態(tài)。設(shè)計(jì)原理為保證四路彩燈系統(tǒng)開機(jī)后可從初始狀態(tài)按規(guī)定程序進(jìn)展循環(huán)演示，循環(huán)控制電路可用74LS161和74LS20實(shí)現(xiàn)。彩燈花型顯示分為3個(gè)節(jié)拍，彩燈的三個(gè)節(jié)拍可以用移位存放器74LS194實(shí)現(xiàn)。彩燈有亮、滅兩個(gè)狀態(tài)，此外，還需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、循環(huán)控制電路和彩燈把戲輸出電路。由設(shè)計(jì)要求出發(fā)可知彩燈的3個(gè)節(jié)拍可以用移位存放器74LS194實(shí)現(xiàn)，通過控制S0和S1實(shí)現(xiàn)1右移、0左移、送數(shù)和通過控制CLR控制清零。第一節(jié)拍為1右移，第二節(jié)拍為0左移，第三節(jié)拍全亮為置數(shù)1，全滅為清零。由于程序循環(huán)一次要12s，故需要一個(gè)12進(jìn)制的計(jì)數(shù)器控制循環(huán)。第三節(jié)拍時(shí)要求1s內(nèi)全滅全亮各一次，故脈沖信號(hào)頻率比先前兩節(jié)拍時(shí)脈沖頻率要快一倍，而且要以一樣頻率控制CLR?？梢杂靡粋€(gè)十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，一路送到控制十二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，一路經(jīng)邏輯電路送到移位存放器。上述原理可用圖1.3表示:顯示電路顯示電路脈沖器啟動(dòng)節(jié)拍程序執(zhí)行器1s脈沖器啟動(dòng)節(jié)拍程序執(zhí)行器分頻器節(jié)拍控制器4s1s分頻器節(jié)拍控制器圖1.3四路彩燈顯示系統(tǒng)圖2.1系統(tǒng)邏輯構(gòu)造設(shè)計(jì)2.1.1循環(huán)控制電路由于程序循環(huán)一次要12s，故需要十二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器控制循環(huán)，考慮使用同步集成計(jì)數(shù)器74LS161，因其是M=16的計(jì)數(shù)器，并且有異步清零的功能，因此采用反響復(fù)位信號(hào)使清零輸入端CLR為零的方法，可以使計(jì)數(shù)器在按自然態(tài)序計(jì)數(shù)的過程中，跳過無效狀態(tài)，構(gòu)成12進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。為完成要求，列出十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表，尋找清零是QDQC表2.1.1自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)表計(jì)數(shù)N輸出QQQQ00000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011無效狀態(tài)1100110111101111由表2.1.1可知，應(yīng)用反響復(fù)位法，可在QD,QCLR另外，LOAD、ENT、ENP接高電平，CLK接脈沖。圖2.1.1即為利用反響復(fù)位法設(shè)計(jì)的十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路圖。圖2.1.1自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器同時(shí)需要為74LS194產(chǎn)生一個(gè)快一倍的脈沖信號(hào)，那么可以考慮多加一片74LS161用來分出兩個(gè)頻率，比方QB的頻率是QC的二倍，那么用QC為2.1.2四路彩燈狀態(tài)顯示四路彩燈共有十二個(gè)狀態(tài)，使用實(shí)驗(yàn)箱上的顯示譯碼器可以顯示0~11來表示狀態(tài)，由于一片74LS161為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以采用74LS161的輸出QDQC表2.1.2彩燈顯示狀態(tài)真值表輸入輸出數(shù)碼管1數(shù)碼管0QQQQ數(shù)碼管1數(shù)碼管0DCBADCBA000000000000000001010000000100100200000010001103000000110100040000010001010500000101011006000001100111070000011110000800001000100109000010011010100001000010111100010001根據(jù)真值表可寫出各個(gè)輸出的邏輯表達(dá)式：DCBADCBA用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)，可得與或最簡式:由于D1C1B1其他邏輯函數(shù)的化簡如下：1〕A1QQ0001111000000001000011dddd100011可得A2)D0QQ0001111000000001000011dddd101100可得D3)C0QQ0001111000000001111111dddd100000可得C4)B0QQ0001111000001101001111dddd100000可得B5)A0QQ0001111000011001011011dddd100110可得A用與門和非門實(shí)現(xiàn)此邏輯函數(shù)的邏輯圖，如圖2.1.2所示: 圖2.1.2四路彩燈狀態(tài)顯示邏輯電路2.2系統(tǒng)物理構(gòu)造設(shè)計(jì)2.2.1循環(huán)控制電路物理構(gòu)造由于需要產(chǎn)生兩路控制頻率，一路送至十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一路經(jīng)邏輯電路送至移位存放器，所以需要兩片74LS161；由于一片74LS161需采用反響復(fù)位法構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CLR=由分析可得所用器材表如下：表2.2.1循環(huán)控制電路器材表器材數(shù)量74LS1612片74LS201片74LS041片集成芯片74LS161是同步的可預(yù)置的4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并具有異步清零功能。表2.2.1是74LS161的功能真值表。表2.2.274161功能真值表輸入輸出CLKCLRLOADENPENTABCDQQQQx0xxxxxxx0000↑10xxABCDABCDx110xxxxx保持x11x0xxxx保持↑1111xxxx計(jì)數(shù)2.2.2狀態(tài)顯示電路物理構(gòu)造由顯示電路的輸入輸出及邏輯函數(shù)：D1=0、C1=0、B1=0、A1=Q由分析可的器材表如下：表2.2.3狀態(tài)顯示電路器材表器材數(shù)量數(shù)碼管274LS041片74LS081片數(shù)碼管顯示狀態(tài)表如下：表2.2.4數(shù)碼管顯示狀態(tài)DCBA顯示000000001100102001130100401015011060111710008100191010無效狀態(tài)101111001101111011112.2.3完整系統(tǒng)電路物理構(gòu)造完整系統(tǒng)所用器材表如下：表2.2.3完整系統(tǒng)電路器材表器材數(shù)量數(shù)據(jù)邏輯實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)74LS1612片74LS201片74LS042片74LS082片74LS1941片74LS3731片74LS321片74LS194用于控制彩燈顯示，74LS194是典型的移位存放器，它是四位雙向通用移位存放器。它的功能如表2.2.4所示:表2.2.474LS194功能表功能輸入輸出CLRSSCPSSABCDQQQQ去除0xxxxxxxxx0000保持1xx0xxxxxxQQQQ送數(shù)111↑xxABCDABCD右移101↑x1xxxx1QQQ101↑x0xxxx0QQQ左移110↑1xxxxxQQQ1110↑0xxxxxQQQ0保持100↑xxxxxxQQQQ3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程實(shí)現(xiàn)方法與步驟:進(jìn)展電路原理分析，給出預(yù)期功能與實(shí)現(xiàn)，利用真值表，狀態(tài)圖等方法對(duì)邏輯電路進(jìn)展設(shè)計(jì)，合理選用芯片；在MultiSim上對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)展仿真模擬，排查邏輯錯(cuò)誤，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)；按照所設(shè)計(jì)電路在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)展線路連接，實(shí)際操作并檢查電路；3.2系統(tǒng)測試在整個(gè)電路完成之后，進(jìn)展的測試有：進(jìn)展仿真測試，檢查電路邏輯是否存在問題，如存在問題，那么修改；將構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的74LS161(電路中U1)的輸出QDQC如1正常，將74LS194的輸入S0如果2正常，顯示不正常，那么檢查74LS194芯片是否完好，功能是否正常；檢查擴(kuò)展局部的邏輯電路連接是否完好，芯片功能是否正常。3.3系統(tǒng)最終電路圖最終電路圖如圖3.3所示：圖3.3最終電路圖整個(gè)電路利用左下74161(以U2代替)將脈沖分為兩個(gè)頻率，其中QB的輸出頻率是QD的一倍，由左上74161(以U1代替)利用反響復(fù)位法構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生十二個(gè)循環(huán)的不同狀態(tài)，和U2的QD在前四個(gè)狀態(tài)，S0=1、S1=0、CLR=1同時(shí)SR=1，利用1右移來完成第一節(jié)拍；接著四個(gè)狀態(tài)，S0=0、S1=1、CLR=1同時(shí)SL=0，利用0作移來完成第二節(jié)拍；最后四個(gè)狀態(tài)，同時(shí)利用U1的輸出QD利用與門和開關(guān)控制脈沖的通斷，以及利用八位鎖存器保存兩片74161的輸出狀態(tài)，可以暫停電路并恢復(fù)狀態(tài)，另其繼續(xù)工作。3.4系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)分工自然態(tài)序十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(兩片74L