数字电路应用课题设计实验.docx

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数字电路应用课题设计实验

7.1汽车尾灯控制器设计

7.1.1设计原理

由于汽车左转弯、右转弯、刹车、正常行车时，所有灯点亮的次序和是否点亮是不同的，需要用计数器（如74LS160）对输入的信号进行计数，再通过译码器（如74LS138）控制不同信号输出，译码器输出为高电平时再经过处理就可点亮不同的尾灯，从而控制尾灯按要求点亮。

由此得出在每种运行状态下，各指示灯与给定条件间的关系，即逻辑功能表7.1.1所示。

汽车尾灯控制电路设计总体框图如图7.1.1所示。

表7.1.1汽车尾灯和汽车运行状态

开关控制

汽车运行状态

右转尾灯

左转尾灯

K1k2

R1R2R3

L1L2L3

正常运行

灯灭

左转弯

灯灭

按L1L2L3顺序循环点亮

右转弯

按R1R2R3顺序循环点亮

灯灭

临时刹车

右转尾灯R1R2R3、左转尾灯L1L2L3都同时闪烁

图7.1.1汽车尾灯控制电路设计总体框图

实现的主要功能是通过开关控制从而实现汽车尾灯的点亮方式。

根据表7.1.1具体实现如下：

当k1k2=00时汽车正常行驶，尾灯完全处于熄灭状态，具体实现是74160的输出“00”通过74138译码后为“111111”做与非门处理为“000000”

当k1k2=10时候汽车左转，所以汽车尾灯的左面3个灯按照L1→L2→L3→全灭→L1……顺序循环点亮，具体实现是通过在脉冲的作用下，74160的输出“00—01—10”顺序循环和在左转送入“0”，通过74138译码后为“100—010—001”做与非门处理顺序循环点亮而实现汽车左转。

当k1k2=01时汽车右转，所以汽车尾灯右面3个灯按照R1→R2→R3→全灭→R1……顺序循环点亮，具体实现是通过在脉冲CP的作用下，74160的输出“00—01—10”顺序循环和在右转送入“0”，通过74138译码后为“100—010—001”做与非门处理顺序循环点亮而实现汽车右转。

当k1k2=11时候汽车处于刹车状态，汽车的尾灯都同时闪烁，具体实现是所有的尾灯随脉冲CP同时闪烁

7.1.2设计任务和要求

用中小规模集成电路设计十翻二运算逻辑电路，具体要求如下：

汽车正向行驶时左右两侧的指示灯全部处于熄灭状态.

汽车右转弯行驶时，右侧的3个指示灯按右循环顺序点亮。

汽车左转弯行驶时，左侧的3个指示灯按左循环顺序点亮

汽车临时刹车时，左右两侧的指示灯同时处于闪烁状态。

控制电路的结构框图如图7.1.2所示。

K1、K2控制变量定义如表7.1.2所示。

表7.1.2K1、K2控制变量定义

K1、K2

汽车运行状态

正向行驶

右转弯行驶

左转弯行驶

临时刹车

图7.1.2控制电路结构框图

尾灯与汽车运行的真值表如表7.1.3所示。

表7.1.2尾灯与汽车运行的真值表

注：

这里开关断开认为是“0”状态；闭合认为是“1”状态。

尾灯的灭认为是“0”状态；闪烁认为是“1”状态。

真值表的说明：

真值表中的k1代表左转向灯开关（Left）；

真值表中的k2代表右转向灯开关（Right）；

真值表中的R1，R2，R3汽车右边三个灯；

真值表中的L1，L2，L3汽车左边三个灯；

7.1.3可选用器材

1.数字逻辑实验箱

2.+5v直流电源

3．74LS002片

74LS201片

74LS861片

74LS1381片

74LS1611片

74LS041片

7.1.4设计方案提示

1、主电路的仿真：

（1）汽车左转弯仿真

电路图如图7.1.4所示，波形图如图7.1.5所示。

图7.1.4左转弯仿真电路图

R1的波形：

R2的波形：

R3的波形：

图7.1.5左转弯仿真波形图

仿真波形分析：

如图7.1.5，当k1k2=10的时候，R3R2R1的变化顺序为：

001—010—100，由于输出为高电平时灯亮，所以尾灯的点亮方式为：

R1—R2—R3—R1……

（2）汽车右转弯仿真

电路图如图7.1.6所示，波形图如图7.1.7所示。

图7.1.6右转弯仿真电路图

L1的波形图：

L2的波形图：

L3的波形图：

图7.1.7右转波形仿真图

仿真波形分析：

如图7.1.7所示当k1k2=01的时候，L3L2L1变化顺序为：

001—010—100，由于输出为高电平时灯亮，所以尾灯的点亮方式为：

L1—L2—L3—L1……

⑶.汽车刹车和停车仿真

电路图如图7.1.8所示，波形图如图7.1.9所示。

图7.1.8刹车和停车仿真电路图

刹车波形图：

停车波形图：

图7.1.9刹车和停车仿真波形图

仿真波形分析：

图7.1.9所示当k1k2=11的时候，R1R2R3L1L2L3尾灯都同时闪烁当K1K2=00的时候，R1R2R3L1L2L3尾灯都处于熄灭状态。

经过分析与实际相符合，所以仿真正确

②总体设计原理图：

经过以上

（1）

（2）（3）的调试过程和结果分析，得出所设计的电路图完全符合设计任务书的要求，汽车尾灯的功能便可完全实现。

7.1.5参考电路

整机逻辑电路图如图7.1.10所示。

图7.1.10参考电路

7.1.6电路扩展提示

汽车灯分为信号灯和照明灯，信号灯又包括位置灯、制动灯、转向信号灯、后雾灯、示廓灯，照明灯包括前照灯、雾灯、倒车灯、牌照灯、顶灯、仪表灯、行李箱灯和工具灯等，可通过观察汽车灯的实际控制规程，模拟实现一个贴近实用的汽车灯控制电路，还可以通过5伏供电的灯泡更加直观逼真地模仿汽车灯的控制和运行状态。

7.2鉴向倍频逻辑电路设计

7.2.1设计原理

鉴向倍频逻辑线路由两部分组成：

倍频电路和鉴向电路。

倍频电路

倍频电路的倍频系数因设计要求不同而异。

不言而喻，倍频系数越高，其电路越复杂。

为简便起见，此处仅介绍四倍频电路的设计方法。

四倍频的含义即：

输入信号变化一个周期使输出信号变化四个周期，输出信号频率提高为输入信号频率的四倍。

该电路的输入信号是两个相差为90o的方波信号，分别表示为A和B，如图7.2.1所示。

显然，在方波信号变化的一个周期内，A、B两信号共有四个“沿”，四倍频电路的设计关键，就在于检出这四个“沿”，实现四倍频。

输出信号如图7.2.1所示，分别用M1、M2、M3、M4表示。

鉴向电路

由于输入信号A、B之间相位关系发生变化而使鉴向电路的输出发生变化。

这种线路设计方法一般有两种，一种是在电路中设计两路输出，一路输出脉冲信号，另一路输出方向信号；另一种则是在电路中设计两路输出，一路输出正向脉冲，如A超前B时该路有脉冲输出，另一路输出反向脉冲，如A滞后B时，该路有脉冲输出。

A、B两相信号经四倍频及鉴向电路处理后，便可获得能鉴别A、B两信号的相位关系（超前或滞后）的四倍频脉冲信号。

7.2.2设计任务和要求

用中小规模集成电路设计鉴向倍频逻辑电路，具体要求如下：

采用正、负脉冲输出方法设计鉴向倍频电路。

用JK触发器构成分相电路，利用标准信号发生器发出的时钟信号产生A、B两个信号，并用双向开关控制A、B相位的超前及滞后关系。

用2位BCD码计数器、译码器及数码管构成计数、译码显示电路，用此电路对鉴向输出脉冲计数及显示，并通过双向开关改变A、B相位的超前、滞后关系，观察显示数值的变化。

改变CP脉冲的频率，观察有关信号的波形，以分析确定CP脉冲频率与A（B）信号频率的关系。

7.2.3可选用器材

1.数字逻辑实验箱1台

2.+5v直流电源

3．74LS1122片

74LS742片

74LS1531片

74LS1932片

74LS081片

7.2.4设计方案提示

倍频电路设计

在图7.2.1中，若取输出脉冲M1～M4的宽度为CP，那么可以考虑M1、M2通过A信号驱动，CP脉冲触发的相差为CP的两个信号进行相应组合获得；M3、M4同样可以通过由B信号驱动，CP脉冲触发的两信号进行相应组合获得，波形图如图7.2.2所示，通过对波形的分析可以得出：

M1=Q1·/Q2M2=/Q1·Q2M3=Q3·/Q4M4=/Q3·Q4

其中：

Q1、Q2可以由A信号驱动的两个D触发器输出端获得；Q3、Q4可以由B信号驱动的两个D触发器输出端获得。

鉴向电路设计

采用正、反脉冲两路输出的设计方法，其主要思路为：

当A信号超前B信号时，A、B经过四倍频后产生的M1～M4四个脉冲信号由正脉冲输出端输出，当B信号超前A信号时，M1～M4四个脉冲信号由负脉冲输出端输出。

假设：

A超前B时，M1～M4由Y1端输出，波形如图7.2.3所示，根据波形图可以得到：

Y1=A·/B·M1+/A·B·M2+A·B·M3+/A·/B·M4（1—1）

A滞后B时，M1～M4由Y2端输出，波形如图7.15.4所示．同理可得：

Y2=A·B·M1+/A·/B·M2+/A·B·M3+A·/B·M4（1—2）

显然，用“双4选1”线路很容易实现式（1—1）、式（1—2）所表达的逻辑关系。

最简单的方法是采用74LS153“双4选1”芯片。

此外，为调试需要，还应设计分相电路，以获得A、B两个相差为90o的信号；另外,还应设计计数译码显示电路，以观察设计结果。

7.2.5参考电路

根据题目的具体要求，鉴向倍频参考逻辑电路图如图7.2.5所示。

分相电路

它由FF-1、FF-2、FF-3三个JK触发器组成，FF-1为一个二分频器，利用其Q与/Q控制FF-2及FF-3，使之输出的两个信号正交即相差90o。

K1拨至下方，A超前B90o，K1拨至上方；A滞后B90o。

C接至FF-2的J，保证了不论初始状态如何，S端波形落后于C波形90o。

波形图如图7.2.6所示。

四倍频电路

工作波形图如图7.2.2所示。

该电路由FF-4、FF-5、FF-6和FF-7四个D触发器及四个与门组成。

由于FF-4和FF-5触发状态变化时间相差一个CP周期，因此其输出Q1和Q2相位亦相差一个CP，通过与门1和与门2组合输出A信号的两个“沿”脉冲M1和M2。

同样，FF-6、FF-7和与门3、与门4完成B信号的两个“沿”脉冲M3和M4的输出。

鉴向电路

它由74LS153。

双4选1”芯片构成，其功能表如表7.2.1所示。

根据真值表可得输出方程为：

Y=/ENB·/ENA·C0+/ENB·ENA·C1+ENB·/ENA·C2+ENB·ENA·C3

计数译码显示电路

它由74LS193—1、74LS193—2两个计数器，74LS248—1、74LS248—2两个译码驱动器及LC5011—11共阴极七段数码管和清零电路组成，两位数码管显示最大值为99。

在参考原理图中，各芯片的电源和地以及管脚未引出和标注，实验时查阅有关手册即可。

7.2.6电路扩展提示

鉴向倍频电路被广泛运用于通信系统及其他电子系统里。

在调频发射系统里使用倍频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。

对振荡器的输出进行倍频，可以得到更高的所需振荡频率，降低了主振的振荡频率，有利于提高频率稳定度。

在频率合成器里，倍频电路也是不可缺少的组成部分。

可扩展设计成多输出鉴向倍频电路，且可按需输出指定方向和倍频的信号。

7.3拔河游戏机

7.3.1设计原理

　　电子拔河游戏机是一种能容纳甲乙双方参赛或甲乙双方加裁判的三人游戏电路。

由一排LED发光二极管表示拔河的“电子绳”。

游戏双方各拥有一个比赛时使用的单脉冲按钮,参与者按动一次按钮就产生一个脉冲,谁按的频率快产生的脉冲就多,由发光的LED灯的左右偏移模拟拔河过程，LED灯的偏移方向和位移由比赛双方所给出的脉冲数实时决定，该功能需要用计数电路通过加减计数来实现。

当移动到某方的最后一个LED灯时，则该方获胜，连续比赛多局以定胜负。

甲乙通过输入单脉冲，用可逆计数器实现加减，通过七段数码管实时显示双方胜利局数，用开关设计的裁判可以实现电路的复位功能。

7.3.2设计任务和要求

用中小规模集成电路设计拔河游戏机逻辑电路，具体要求如下：

比赛开始时，由裁判下达命令后，甲乙双方才能输入信号，否则，由于电路具有自锁功能，使输入信号无效。

“电子绳”至少由9个LED管构成，裁判下达“开始比赛”的命令后，位于“电子绳”中点的LED点亮。

甲乙双方通过按键输入信号，使发亮的LED管向自己一方移动，并阻止其向对方移动。

当一方终点的LED管点亮时，表示比赛结束。

这时，电路自锁，保持当前状态不变，除非由裁判使电路复位。

要求可通过设置实现多局定胜负，并实时显示双方当前胜利局数。

7.3.3可选用器材

1.数字逻辑实验箱1台

2.+5v直流电源

3．74LS1541片

74LS1931片

74LS904片

74LS081片

74ls001片

74ls861片

74LS041片

74LS321片

7.3.4设计方案提示

输入：

甲，乙和裁判的脉冲

输出：

9个LED发光二极管；甲的赢局数（4位二进制）；乙的赢局数（4位二进制）；

该课题的核心是如何实现两个脉冲分别控制一个可逆计数器的加减记数，同时裁判脉冲能对计数器进行重置，以及重置之前的自锁功能。

可逆计数器原始状态输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管发亮。

当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，由于控制电路作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。

如按到复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。

将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至两个二－十进制计数器的加计数端，当任一方取胜，该方终端二极管发亮，产生一个下降沿使其对应的计数器计数。

这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。

1.计数器

可逆计数器要有两个输入端，四个输出端，要进行加/减计数，因此可选用74LS193双时钟二进制同步加/减计数器来完成。

2.整形电路

74LS193是可逆计数器，控制加减的CP脉冲分别加至up脚和dn脚，此时当电路要求进行加法计数时，减法输入端dn须为高电平；减法计数时，加法输入up也必须为高电平，若直接由A、B键产生的脉冲加到up脚或dn脚，那么就有很多时间在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器不能计数，双方按键均失去作用，拔河赛不能正常进行。

加一整形电路，使A、B键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每一次键都能进行有效的计数。

整形电路是由两个与门和8个与非门来实现其相应功能。

3.译码电路　　

可选用4线－16线74LS154译码器。

译码器的输出Q0~Q4、Q12~Q15分接9个发光二极管，这样，当信号输出为高电平时发光二极管点亮。

比赛准备，译码器输入为0000，Q0输出为0，中心处二极管首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。

4.控制电路

为指示出谁胜谁负，需用一个控制电路。

当亮点移到任何一方的终端时，判该方为胜，此时双方的按键均宣告无效。

此时电路可用一个异或门和一个与非门来实现。

将双方终端二极管的正极接至异或门的两个输入端，负极接至与非门的两个端口，当获胜一方为“1”，而另一方则为“0”，异或门输出为“1”，经非门产生低电平“0”，再送到计数器的置数端，再将计数器的输出端接到输入端，于是计数器停止计数，处于预置状态，使计数器对输入脉冲不起作用。

5.胜负显示

将双方终端二极管正极经与非门后的输出端分别接到两个74LS90计数器的A端，74LS90的四组4位BCD码分别接到实验装置的四组译码显示器的A、B、C、D插入口。

当一方取胜时，该方终端二极管发亮，同时相应的数码管进行加一计数，于是就实现了双方取胜次数的显示。

6.复位

为能进行多次比赛，需要进行复位操作，使亮点返回中心点，可用一个开关控制74LS193的清零端即可。

胜负显示器的复位也应用一个开关来控制胜负计数器的清零端R,使其重新计数。

7.3.5参考电路

整机逻辑电路图如图7.3.1所示。

7.3.6电路扩展提示

拔河游戏是模仿实际拔河的过程，其和实际的拔河有所不同，可以考虑通过倍频电路来实现单脉冲信号的“加速”，通过“秘技”的形式来“保赢”，而且“加速”过程可控（可取消）。

另外，还可对双方拔河队员的操控闲置时间进行控制，超过一定时间，报警并使游戏锁定或者复位。

7.4交通灯控制逻辑电路设计

7.4.1设计原理

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。

其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

交通灯控制器的系统框图如图7.4.1所示。

7.4.2设计任务和要求

用中小规模集成电路设计交通灯控制逻辑电路，具体要求如下：

满足如图7.4.2顺序工作流程。

图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。

它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。

应满足两个方向的工作时序：

即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。

时序工作流程图如图7.4.3所示。

图7.4.3中，假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。

其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

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。

例如：

当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数。

当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显的值应为3，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。

可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。

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。

1）设某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；由于主干道车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间，可选定为次干道绿灯亮的时间2倍或3倍。

2）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，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。

7.4.3可选用器材

1.数字逻辑实验箱1台

2.+5v直流电源

3．74LS741片

74LS1641片

74LS1934片

74LS001片

74LS321片

74LS082片

74LS041片

74LS112片

7.4.4设计方案提示

根据设计任务和要求，参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图7.4.1。

设计方案可以从以下几部分进行考虑。

秒脉冲和分频器

因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:

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。

交通灯控制器

计数器输出

南北方向

东西方向

NSG

NSY

NSR

EWG

EWY

EWR

↑

由图7.4.3波形图可知，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。

扭环形计数器的状态表如表7.4.1所示。

根据状态表，我们不难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：

EWG=Q4·Q5南北方向绿：

NSG=/Q4·/Q5

黄：

EWY=/Q4·Q5（EWY´=EWY·CP1）黄：

NSY=Q4·/Q5（NSY´=NSY·CP1）

红：

EWR=/Q5红：

NSR=Q5

由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。

显示控制部分

显示控制部分，实际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74LS248BCD码七段译码器，显示器用共阴极LED显示器，计数器采用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。

手动／自动控制，夜间控制

可用一选择开关进行，置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯处在某一位置上，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。

汽车模拟运行控制

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7.4.4所示，为南北方向汽车模拟控制电路。

7.4.5参考电路

根据设计任务和要求，交通信号灯控制器参考逻辑电路图如图7.4.5所示。

单次手动及脉冲电路

单次脉冲是由二个与非门组成的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。

控制器部分

它由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。

其中黄灯信号须满足闪

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