数字电子技术-9.pptx

数字电子技术数字电子技术4交通灯控制逻辑电路设计1概 述第第9章章综合课程设计综合课程设计2智力竞赛抢答器逻辑电路设计3数字电子钟逻辑电路设计9.1 概概 述述1设计与与计算算阶段段 学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案，并对方案中的单元电路进行选择和设计计算，最后画出总体电路图。2安装与安装与调试阶段段 经指导教师审查通过后，学生即可领取所需元器件进行电路组装和电路调试，通过排除电路故障、调整元器件、修改电路结构等环节，使之达到设计指标要求。3撰写撰写总结报告告阶段段（1）课题名称。（2）课题设计任务和要求。（3）课题方案选择与论证。（4）课题方案设计说明，主要包括以下3个方面。设计原理框图、总体电路结构图、布线图及它们的说明。单元电路设计与计算说明。元器件选择和电路参数计算的说明。（5）电路调试情况，主要是对电路的工作情况进行测试、记录、整理与结果分析，以及调试中出现的问题，原因分析和解决措施等。（6）实验设计后的收获体会、存在问题和进步的改进意见等。9.2 智力竞赛抢答器逻辑智力竞赛抢答器逻辑电路设计电路设计简述简述1 1设计任务及要求设计任务及要求2 2 设计方案提示设计方案提示3 3主要元器件选择主要元器件选择4 4设计原理及参考电路设计原理及参考电路5 59.2.1 简述简述如图9-1所示为智力竞赛抢答器的电路原理组成方框图。图9-1 智力竞赛抢答器原理框图具体要求主要包括以下几点。9.2.2 设计任务及要求设计任务及要求（1）抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。（2）选组电路能迅速、准确地判别抢答者，同时能排除其他组的干扰信号，即闭锁其他各路输入使其再按开关时失去作用，并能对抢中者发出声、光显示和鸣叫指示。（3）计数显示电路为3位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。（4）开始作答时，启动定时灯亮，开始计时；当计时结束时，喇叭发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。根据设计任务和要求，参考智力竞赛抢答器的原理框图，可分以下几部分进行模块化设计。9.2.3 设计方案提示设计方案提示（1）复位和抢答开关输入防抖电路可采用增加吸收电容或RS触发器的方法来实现。（2）判别选组电路可以用触发器和组合逻辑电路完成，也可用一些特殊器件（如MC14599或CD4099八路可寻址输出锁存器）来实现。倒T形电阻网络D/A转换器电路中，S0 S3为模拟开关，由输入数码Di 控制；R 和2R 组成电阻解码网络，呈倒T形；运算放大器A构成求和电路。（1）当 时，Si 接运放反相输入端（“虚地”），Ii 流入求和电路。（2）当 时，Si 将电阻2R接地。无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接“地”（地或虚地）。这样流经 2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。（3）计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示；加/减计数既可以由8421码拨码开关实现，也可由加/减计数器（如74LS193）来组成；译码、显示可以用共阴或共阳组件，也可用CL002译码显示器。（4）启动定时电路时，定时计数器按减计数或加计数方式进行工作，并使指示灯亮；定时结束时，输出一脉冲，驱动音响电路工作，并使指示灯灭。智力竞赛抢答器的主要元器件如下。9.2.4 主要元器件选择主要元器件选择（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）集成电路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及门电路。（4）显示器：LCD5011-11、CL002、发光二极管。（5）拨码开关（8421码）。（6）阻容元件、电位器。（7）喇叭、开关等。如图9-2所示为智力竞赛抢答器的逻辑电路参考图。9.2.5 设计原理设计原理及参考电路及参考电路图9-2 智力竞赛抢答器的逻辑电路参考图1计分部分分部分 每组均由8421码拨码开关KS-1，完成分数的增和减，每组为三位，个、十、百位，每位可以单独进行加减。例如，100分加10分变为110分，只需按动拨码开关十位“”号一次；若加“20”分，只要按动“+”号两次。若减分，方法相同，即按动“”号就能完成减数计分。另外，计分电路也可以用电子开关或集成加、减法计数器来组合完成。2判判组电路路 判组电路由RS触发器完成，CD4043为三态RS锁存触发器，当S1 按下时，Q1 为1，这时或非门74LS25为低电平，封锁了其他组的输入。Q1为1，使发光管D1发亮，同时也驱动音响电路鸣叫，实现声、光的指示。输入端采用了阻容方法，以防止开关抖动。3定定时电路路 当进行抢答或必答时，主持人按动单次脉冲启动开关，使定时数据置入计数器，同时使JK触发器74LS112翻转（），定时器进行减计数定时，定时开始，定时指示灯亮。当定时时间到，即减法计数器为“00”时，为“1”，定时结束，控制音响电路鸣叫，并灭掉指示灯（JK触发器的，）。如图9-3所示为音响电路的音频时序波形图，其中f1 和f2 为两种不同的音响频率。当某组抢答时，应为多音，其时序应为间断音频输出；当定时到，应为单音，其时序应为单音频输出。4音响音响电路路图9-3 音频时序波形图9.3 数字电子钟逻辑电路数字电子钟逻辑电路设计设计简述简述1 1设计任务及要求设计任务及要求2 2 设计方案提示设计方案提示3 3主要元器件选择主要元器件选择4 4设计原理及参考电路设计原理及参考电路5 59.3.1 简述述如图9-4所示为数字电子钟的电路原理组成方框图。图9-4 数字电子钟原理框图（1）由晶振电路产生1 Hz标准秒信号。（2）秒、分为0059六十进制计数器。（3）时为0023二十四进制计数器。（4）周显示从1日为七进制计数器。9.3.2 设计任任务及要求及要求 用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟，具体要求主要包括以下几点。（5）可手动校时：能分别进行秒、分、时、日的校时，即只要将开关置于手动位置，就可分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。（6）整点报时：要求电路在每个整点前鸣叫五次低音（500 Hz），整点时再鸣叫一次高音（1 000 Hz）。9.3.3 设计方案提示方案提示如图9-5所示为秒脉冲发生器的电路结构。图9-5 秒脉冲发生器的电路结构1秒脉冲秒脉冲发生器生器2计数数译码显示示 以“日”计数译码显示为例，设计七进制计数器时，应根据译码显示器的状态表进行（日用数字8代替），如表9-1所示。表9-1 “日”计数译码显示状态表3校校时电路路 在刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以需要进行调整，即将计数开关置为手动状态，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。当时计数器在每次计到整点前6 s时，需要报时，可用译码电路来解决，即当分为59时，则秒在计数计到54时，输出一延时高电平打开低音与门，使报时声按500 Hz频率鸣叫5声，直至秒计数器计到58时，结束高电平脉冲；当秒计数到59时，驱动1 kHz频率高音输出而鸣叫1声。4整点整点报时电路路9.3.4 主要元器件主要元器件选择数字电子钟的主要元器件如下。（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）集成电路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及门电路。（4）晶振：32 768 Hz。（5）电容：100 F/16 V、22 pF、322 pF之间。（6）电阻：200、10 k、22 M。（7）电位器：2.2 k或4.7 k。（8）数显：共阴显示器LC5011-11。（9）开关：单次按键。（10）三极管：8050。9.3.5 设计原理及原理及参考参考电路路 如图9-6所示为数字电子钟的逻辑电路参考图。图9-6 数字电子钟的逻辑电路参考图1秒脉冲秒脉冲电路路 由晶振32 768 Hz经14分频器分频为2 Hz，再经一次分频，即得1 Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。2单次脉冲和次脉冲和连续脉冲脉冲电路路 单次、连续脉冲均由门电路构成，主要用于手动校时。若开关K1打在单次端，要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次，K2在手动，则此时按动单次脉冲键，使日计数器从星期“1”到星期“日”计数。若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。3秒、分、秒、分、时、日、日计数器数器电路路 这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。对于日计数器电路，它是由四个D触发器组成的（也可以用JK触发器），其逻辑功能为当计数器计到6后，再来一个脉冲，用7的瞬态将 Q3，Q2，Q1，Q0 置数，即为“1000”，从而显示“日”。译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。当计数到整点的前6秒钟，此时应该准备报时。当分计到59分时，将分触发器QH置1，而等到秒计数到54秒时，将秒触发器QL置1，然后通过QL与QH相与后再和1 s标准秒信号相与而去控制低音喇叭鸣叫，直至59秒时，产生一个复位信号，使QL清0，停止低音鸣叫，同时59秒信号的反相又和QH相与后去控制高音喇叭鸣叫。当计到分、秒从59:5900:00时，鸣叫结束，完成整点报时。5整点整点报时电路路4译码、显示示电路路 鸣叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管，带动喇叭鸣叫。1 kHz和500 Hz从晶振分频器近似获得。图9-6中CD4060分频器输出端Q3的输出频率为1 024 Hz，Q6的输出频率为512 Hz。6鸣叫叫电路路9.4 交通灯控制交通灯控制逻辑电路路设计5.设计原理设计原理及参考电路及参考电路3.设计方案设计方案提示提示2.设计任务设计任务及要求及要求1.简述简述4.主要元器主要元器件选择件选择9.4.1 简述述如图9-7所示为交通灯控制器的电路原理组成方框图。图9-7 交通灯控制器原理框图9.4.2 设计任任务及要求及要求设计一个十字路口交通信号灯控制器，具体要求主要有：（1）如图9-8所示为交通灯顺序工作流程图，设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR，EWY，EWG。图9-8 交通灯顺序工作流程图（2）如图9-9所示为交通灯时序工作流程图，两个方向的工作时序应满足：东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和；南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。图9-9 交通灯时序工作流程图（3）十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间，具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。（4）可以手动调整和自动控制，夜间设置为黄灯闪耀。（5）在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，LED发光二极管开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。9.4.3 设计方案提示方案提示1秒脉冲和分秒脉冲和分频器器 因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:1:6，所以，若选4秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。如表9-2所示为扭环形计数器的状态表。2交通灯控制器交通灯控制器表9-2 扭环形计数器的状态表 列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：东西方向：绿：黄：红：绿：黄：红：南北方向：由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1 s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS248 BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。3显示控制部分示控制部分 这可用一选择开关进行。置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。4手手动/自自动控制，夜控制，夜间控制控制 用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。如图9-10所示为南北方向汽车模拟控制电路。5汽汽车模模拟运行控制运行控制图9-10 南北方向汽车模拟控制电路9.4.4 主要元器件主要元器件选择交通灯控制器主要元器件如下。（1）通用实验底板。（2）直流稳压电源。（3）交通信号灯及汽车模拟装置。（4）集成电路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及门电路。（5）显示：LC5011-11，发光二极管。（6）电阻。（7）开关。9.4.5 设计原理原理及参考及参考电路路 如图9-11所示为交通信号灯控制器的逻辑电路参考图。图9-11 交通信号灯控制器参考电路 单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。K2在自动位置时，由秒脉冲电路经分频后（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数1次）。秒脉冲电路可用晶振或RC振荡电路构成。1单次手次手动及脉冲及脉冲电路路 控制器部分由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号。其中，黄灯信号必须满足闪耀，且在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。2控制器部分控制器部分 当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭信号（EWR：0）使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮使另一方向东西方向减法计数器开始工作。3数字数字显示部分示部分4汽汽车模模拟控制控制电路路 图9-10中，当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，则这端为高（H）电平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA（图中74LS164-1），由于绿灯在红灯和黄灯为高电平时，它为低电平，所以74LS164-1QA的信号就不能送到74LS164-2移位寄存器的RI端。这样，就模拟了当黄、红灯亮时汽车停止的功能。而当绿灯亮，黄、红灯灭（）时，74LS164-1、74LS164-2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。这就意味着绿灯亮时汽车向前运行这一功能。Thank You!