1 ?設(shè)計任務(wù)目的與要求

1.1????設(shè)計目的：

1. ? 此次課程設(shè)計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)計和調(diào)試的方法，增加集成電路應(yīng)用知識，培養(yǎng)我們的實際動手能力以及分析、解決問題的能力。另一方面也使我們更好地鞏固和加深對基礎(chǔ)知識的理解，學(xué)會設(shè)計中小型數(shù)字系統(tǒng)的方法，獨立完成調(diào)試過程，增強(qiáng)我們理論聯(lián)系實際的能力，提高電路分析和設(shè)計能力，通過實踐引導(dǎo)我們在理論指導(dǎo)下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和日后工程實踐奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.2?設(shè)計要求：

10路彩燈分別用10個發(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亮的順序輪流點亮。

（3）10路彩燈按照L0L9、L1L8、L2L7、L3L6、L4L5的順序依次點亮，然后按相反的

順序依次滅掉。

控制電路設(shè)有啟動、切換、復(fù)位按鈕。按下啟動按鈕，進(jìn)入花型（1）并反復(fù)循環(huán)運行。按下切換按鈕，進(jìn)入花型（2）并反復(fù)循環(huán)運行；再次按下切換按鈕，進(jìn)入花型（3）并反復(fù)循環(huán)運行；再次按下切換按鈕，則三個花型順序運行并反復(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。任何時候按下復(fù)位按鈕，全部燈滅。

2 ?模塊及其原理介紹

2.1 計數(shù)電路單元

該電路單元由兩片74192計數(shù)器組成。74192計數(shù)器是雙時鐘十進(jìn)制計數(shù)器。本電路用一片74192來實現(xiàn)0到9，即0000到1001的十進(jìn)制計數(shù)，同時用另外一個74192的來對第一片芯片進(jìn)位進(jìn)行計數(shù)，第二個芯片計數(shù)到2時同時對兩個計數(shù)器進(jìn)行清0操作，構(gòu)成一個二十進(jìn)制的計數(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候，低位燈泡一定會亮，則可以利用與門將高位的輸出信號與低位的輸入信號相與來作為低位的輸出信號，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

列出對應(yīng)的真值表：

根據(jù)真值表畫出卡諾圖

并化簡得到邏輯函數(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才是亮的信號，所以在前面接個反相器，然后與一個控制信號相與，得到了最終輸出到燈泡的信號，而控制信號則作為復(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擊構(gòu)成計數(shù)器的計數(shù)信號，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數(shù)來切換花型。而在這之中最為重要的則是第二片計數(shù)器，這片計數(shù)器是用于單獨控制三花型循環(huán)的，即在第一片計數(shù)器計數(shù)到第四個狀態(tài)，即3的時候，第二片計數(shù)器同步進(jìn)入計數(shù)，要完成這點則需要將第二片計數(shù)器的計數(shù)信號也與切換鍵關(guān)聯(lián)起來，這樣才能夠與第一片計數(shù)器同時獲得計數(shù)的信號，作為開始計數(shù)的標(biāo)志，在獲得第一次開始計算的信號后，第二片計數(shù)器進(jìn)入狀態(tài)1，這時我們要求他應(yīng)在1到3之間循環(huán)，對應(yīng)三個花型的循環(huán)，根據(jù)需求，我就直接寫出第二片計數(shù)器的計數(shù)信號的邏輯函數(shù)了，如下圖所示。

3 ?設(shè)計方案

3.1????設(shè)計思路

根據(jù)老師給出的設(shè)計要求，彩燈循環(huán)控制器主要是完成10個燈泡按照不同排列組合的亮滅。由此可想到用74192計數(shù)器從0-9計數(shù)，分別對應(yīng)十個燈泡的亮滅情況。而其中花型1較為特殊，因其完成循環(huán)需要的是20次計數(shù)，需要計數(shù)兩輪才能完成花型的展示。然后由于74192芯片的輸出對應(yīng)的是8421編碼，可以用7442譯碼器將計數(shù)的值轉(zhuǎn)化成十路對應(yīng)0到9的輸出。又因為需要完成的一共有三種花型，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)計框圖及原理

設(shè)計框圖如下

設(shè)計原理：

該彩燈循環(huán)控制器的原理是：由方波信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為計時基準(zhǔn)。用兩個十進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成二十進(jìn)制的計數(shù)器來實現(xiàn)電路計數(shù)，花型一需要20個狀態(tài)來展示彩燈，故需要二十進(jìn)制的計數(shù)器，而花型二和三則只需要十進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)花型，故無需考慮第二個計數(shù)器的狀態(tài)。將第一片計數(shù)器接到譯碼器上編譯，按照各花型的要求通過簡單的門電路接到對應(yīng)的多路選擇器的4個輸入端中。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計數(shù)器來實現(xiàn)對應(yīng)花型的計數(shù)，再結(jié)合前面計數(shù)電路的第二個芯片的輸出值進(jìn)行邏輯電路的連接完成選擇器控制端相對應(yīng)的值。由于74153有兩個輸出值，故本次一共需要5個多路選擇器輸出到對應(yīng)的彩燈顯示電路。

3.3?流程圖

3.4?總電路圖

4 ?實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1?實驗現(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，計數(shù)器開始計數(shù)，上面那個計數(shù)器做正常的十進(jìn)制計數(shù)，并將進(jìn)位信號發(fā)送到下面的計數(shù)器作為計數(shù)信號，下面的計數(shù)器做二進(jìn)制計數(shù)，即整體為二十進(jìn)制計數(shù)器。無異常現(xiàn)象。

再來做切換按鈕的測試，

圖中用空格鍵控制的為切換按鍵，用C控制的為清零鍵，作用在接下來會說明。點擊切換按鈕，將信號傳入兩個計數(shù)器，使其計數(shù)，注意點擊的時間需久一點（約1秒），最好能觀察到數(shù)碼管顯示計數(shù)器已經(jīng)計數(shù)再松開按鈕，否則會出現(xiàn)點擊了按鈕卻并沒有切換花型的問題。當(dāng)上面的計數(shù)器處于2的計數(shù)狀態(tài)時，也就是下一個計數(shù)狀態(tài)為3，進(jìn)入花型循環(huán)，即如圖

。如果按鍵按的時間不夠久，則會出現(xiàn)上面計數(shù)器進(jìn)入3，而下面計數(shù)器因為信號時間太短不計數(shù)的情況，即這樣

，這種情況下，我們原本3花型循環(huán)狀態(tài)是通過下面的計數(shù)器實現(xiàn)的，而三個花型狀態(tài)分別對應(yīng)計數(shù)器1、2、3的狀態(tài)，即0狀態(tài)是不對應(yīng)花型的，也就是說，下面的計數(shù)器會卡在0狀態(tài)不進(jìn)行計數(shù)循環(huán)。導(dǎo)致花型切換失敗，

由U70的進(jìn)位信號的邏輯函數(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候會有些許問題。這個問題將在總結(jié)的時候討論。

5 ?結(jié)論與問題討論

5.1?結(jié)論與問題討論

在上一部分的測試中，可以看出在設(shè)計要求上我的完成度很高，基本完美滿足了設(shè)計的要求。在整個設(shè)計二點過程中，我遇到的最大的問題應(yīng)該是花型切換按鍵的設(shè)計部分了吧，一開始我的方案是想著用4個計數(shù)器和4個譯碼器分別對應(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計數(shù)器供應(yīng)時鐘信號，但由于復(fù)雜程度的原因而不得不放棄這個想法，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。第一次看到這個思路的時候我也不禁感嘆這思路的清晰與簡潔。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，我在前面各級電路種也分別裝上了小燈泡來觀察，發(fā)現(xiàn)在信號傳輸過程中，燈泡是可以明顯看出呈逐級亮（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可能：由于各電路器件的搭配問題而產(chǎn)生的信號延遲。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)計簡化電路、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)了實際動手能力，并且明白了做事必須謹(jǐn)慎的道理，哪怕有一條線接錯了也會導(dǎo)致整個電路的失敗，使其不能正常運行從而達(dá)到我們的要求。這次的課程設(shè)計也讓我知道了必須掌握大量的相關(guān)知識，不能得過且過。
編輯：hfy