数字按键显示电路

目录摘要 (1)1.设计内容及要求 (2)1.1设计的基础要求 (2)1.2设计的具体要求 (2)2.电路方案的设计及论证 (2)2.1电路设计过程分析 (2)2.2电路的原理框图: (3)2.3元器件和芯片选择及芯片原理说明 (3)2.3.1 编码器 (3)2.3.2 与非门芯片 (4)2.3.3 与门芯片 (5)2.3.4 非门芯片 (6)2.3.5 信号锁存芯片 (7)2.3.6 译码显示芯片 (9)2.4 设计电路方案一 (9)2.4.1 方案一电路图 (10)2.4.2 原理说明 (10)2.5设计电路方案二 (11)2.5.1方案二电路图 (12)2.5.2 原理说明 (12)3.硬件电路的设计与制作及调试 (15)3.1电路仿真 (15)3.1.1Proteus软件介绍 (15)3.1.2电路仿真过程及分析 (15)3.2 电路实物的制作与调试 (19)3.2.1 电路连接前的注意事项 (19)3.2.2 电路连接过程 (20)3.2.3 电路的测试和纠错 (20)4.设计总结 (21)5.收获和体会 (22)参考文献 (23)附录元件表 (24)摘要数字电子技术的应用现在已经渗透到了人们日常生活的各个方面中，了解并运用基础的数字电路知识和技能应当成为当代大学生应掌握的能力之一，同时这也是紧跟时代科技步伐，培养与时俱进精神的一个要求。

本文对一个简单的数字逻辑功能电路进行设计，从最开始的电路功能分析，到电路方案的设计再到电路原理的说明，以及后续的硬件电路的仿真、制作和调试。

全面的对所学电工电子技术知识进行一次整合和运用。

其中对电路的功能原理和电路的仿真及硬件制作会有重点的介绍，在此基础上介绍仿真所需要的软件、硬件制作时的具体元件的选取等内容。

文章最后就本次电工电子课程设计的过程进行总结，并谈谈得到的收获及感想。

关键字: 按键扫描仿真电路制作按键状态扫描显示电路的设计与制作1.设计内容及要求1.1设计的基础要求为考察之前数字电路知识的掌握程度，电路设计原则是只能使用数字电路的中的比较基础的芯片，包括中规模集成芯片和简单的触发器类芯片。

而类似于单片机等功能较为丰富的芯片则不宜使用。

电路实物的连接可用面包板进行，也可自己动手焊接电路。

所制作电路必须功能完备，芯片的数量尽量要少，外形整齐，焊板电路应注重焊接的要求，以求美观。

1.2设计的具体要求本次课程设计的题目为按键状态扫描显示电路的设计与制作。

具体内容及要求为：0~9十个数符标识十个按键，每个按键控制一个数字码；当有按键按下时，显示其对应数字，直到新的按键作用；若多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。

2.电路方案的设计及论证2.1电路设计过程分析此次课程设计的题目控制变量为十端信号高低电平的输入，最终输出为数码管的数字显示。

首先，为获得输入信号的真值情况，而由于输入信号过多，应使用编码电路作为信号的接收端。

其次，由于电路应具有只响应第一个信号的功能要求，因此电路设计中必须具有信号控制屏蔽后续信号的子功能电路，接着应设计一个输出信号保持电路以保证输出显示的连续性，最后是连接数码管的译码显示电路。

2.2电路的原理框图:图1 电路原理框图电路一共由五大功能块组成，根据实际的芯片供应情况以及芯片选择的原则，现为各个功能块选择合适的芯片，并适当的将芯片功能加以解释。

2.3元器件和芯片选择及芯片原理说明2.3.1 编码器十位电平信号可以由十个轻触开关分别接通电源和地实现高电平和低电平的输入。

编码电路功能可由编码器完成。

常用的九线四线（九输入四输出）优先编码器有74LS147，74LS148（TTL）等，这里就选用74LS147作为本次课程设计的编码器芯片。

74LS147芯片的引脚图和真值功能表如图2和表1所示：表1 74LS147真值表图2 74LS147引脚图74LS147芯片采用标准的十六管脚封装，除了输入输出端和电源及地端外，还有第15管脚的NC端，含义为NO CONNECT，即无连接端。

由逻辑真值表可以看出，147芯片的输出端的编码电平为负值输出，使用时应稍加注意。

优先编码器的输入端为低电平有效，而且高位的低电平可以阻值低位低电平信号的输入。

实现“优先”功能。

2.3.2 与非门芯片数字电路设计中常用的与非门芯片有许多种，根据通常根据输入信号个数的不同而设置不同的型号。

本次课程设计需要的是一个四输入与非门芯片。

常用的四输入与非门芯片为74LS20（TTL），本次课程设计就采用这个芯片。

74LS20芯片的引脚图和真值功能表如图3和表2所示。

图3 74LS20引脚图表2 74LS20真值表2.3.3 与门芯片为了更好的实现电路输入信号的控制功能，此次课程设计还需要逻辑与门芯片。

常用的与门芯片为74LS08(TTL)。

实际上，电路需要的是四输入与门芯片，而市场上没有提供这类型的芯片。

所以只好用四二输入的与门芯片74LS08来替代实现。

74LS08芯片的引脚图以及真值表如图4和表3所示。

表3 74LS08真值表74LS08采用十四管脚封装，除电源和地脚外，其他管脚均为输入输出管脚。

由芯片的真值表可以看出，只有当输入信号均为高电平时，输出才为高电平，完成“与”的逻辑计算。

由四二输入与门实现四输入与门的方法很简单。

只需将任意两个与门的输出端连接至第三个与门电路的输入端，以第三个与门电路的输出为总输出即可。

2.3.4 非门芯片我们知道，优先编码器是将输入信号的数值编成其BCD码的取反状态。

为了得到输入数值正确的BCD编码，则需要对编码的输出信号进行非操作。

中规模数字电路中常用的非门芯片为74LS05(TTL)。

74LS05芯片的引脚图和真值表图5和表4所示。

图5 74LS05引脚图表4 74LS05真值表74LS05采用十四引脚的封装，除电源和地引脚外，其余为六个非门电路的输入输出。

由真值表可以看出，电路的输出状态总是于输入相反，从而实现“非”的计算。

2.3.5 信号锁存芯片电路信号最终的输出要具有保持的能力，那就必须借助锁存芯片的信号处理功能。

锁存芯片具有将输出信号锁住的功能，通过功能引脚的设置可以在保持输出及数据修改两个功能状态间转换。

常用的锁存器芯片为74LS573（TTL ）和74HC573(CMOS)，两者功能完全相同，只是制作工艺和材料不一样。

74XX573芯片的引脚图和逻辑功能真值表如图6和表5所示：表5 74LS573真值表图6 74XX573引脚图芯片采用的是二十引脚的封装。

输入输出时能端控制着锁存器的工作状态。

当输入使能端LE 为高电平而输出使能端OE 为低电平时，锁存器对于输入信号来说相当于一个通路，输出信号随着输入信号的改变而立即改变。

当输入使能和输出使能均为低电平时，锁存器芯片就保持最后的输出状态不变，同时阻止信号的输入，实现保持输出的功能。

当输出时能端OE为高电平时，芯片处于非工作状态，输出端为高阻状态。

在设计过程中发现某些计数器芯片也具有信号设置和保持功能，在设计电路时可以将其考虑在内。

具有数据预置和保持输出功能的计数芯片为74LS161。

此芯片的标准描述为四位二进制同步加法计数器，其主要功能还是进行计数。

74LS161芯片的引脚图和逻辑功能真值表如图7和表6所示：图7 74LS161引脚图表6 74LS161真值表芯片的保持功能前面已经有所解释。

至于芯片的置数功能也很简单，只需给置数信号端PE一个有效的低电平，然后输入要求预置的逻辑信号电平，就可以完成置数这一步骤。

这个功能对于本次课程设计题目的解决有较大的启发帮助作用。

2.3.6 译码显示芯片最终输出的结果是驱动数码管显示输入的数值，故需要用一个显示译码器来翻译四位BCD码，并驱动数码管完成显示任务。

显示译码器可以看作一般的译码器来看待，只不过其输出的七位编码适用于数码管的数字显示。

常用的显示译码器型号为74LS48。

74LS48的引脚图如图8所示。

图8 74LS48引脚图74LS48的真值表涉及到数码管驱动显示的数值组合方式，此处相对来说较为复杂，就不列出。

记住其功能为四位BCD码输入，然后连接共阴极数码管就可对应显示数值即可。

2.4 设计电路方案一经过比较和分析，首先提出用计数器作为电路的核心功能元件来完成电路。

经过对各个芯片输入输出情况的分析及现掌握的芯片资料，针对课程设计中所提出来的电路功能要求，现将方案一的电路图提出。

方案一的设计电路图如图9所示。

2.4.1 方案一电路图图9 方案一电路图2.4.2 原理说明这个电路运用了前文所提到的九线四线编码器74LS147、非门芯片74LS05、与门芯片74LS08、与非门芯片74LS20以及计数器芯片74LS161。

同时额外需要一个计数器芯片的时钟脉冲信号CP。

脉冲信号可由实验室提供。

首先，轻触开关连接的是低电平信号，编码器无影响状态下输入的是高电平，编码器输入端的上拉电阻及电源未表示出，已省略。

由编码器的真值表可知，当输入全为高电平时，其四位输出也全为高电平。

编码器四位输出信号的经过四位与门芯片后送给计数器的置数信号端PE。

在编码器无信号输入的情况下（无开关按下），计数器的置数信号端PE持续接受高电平信号状态，而计数信号端始终有一端接地，故计数器在此状态下一直为保持输出状态。

当有开关作用后，编码器四信号输出的与逻辑必为低电平，所以此时计数器的置数状态被开启，接收来至编码器的信号（经过非门），当CP信号上升沿到来时，编码器的信号就可以被计数器所接收。

当开关断开后，整个电路回到起始状态，但是此时电路输出已经改变成某个输入的数值，并能持续保持到下一个触发信号的到来。

至于“零”信号的输入，可以通过直接触发计数器的置零信号端完成，通过一个开关使计数器的清零端连接至低电平，若想让数码管显示“零”，则作用该开关即可。

电路的译码显示电路已经整合成了一个四输入的数码管，实际上这个四输入数码管是由七段译码显示芯片74LS48和七段（八段）数码管构成。

这个电路存在的一个问题是关于设计的第三个要求。

设计要求电路只响应第一个触发的信号。

但通过分析可以知道，此电路在第一个开关触发后，若同时按下其他的开关，只要CP脉冲信号合适，电路将会响应后一个按键的状态。

但是如果第二个按键按下的时间过短，可能会由于没有CP信号的触发而不能被计数器响应，此时电路仍然保持第一个按键的状态。

因此，就总体来说，此电路已经可以完成设计的大部分要求，只是在按键同时作用的处理上还不够完善，需待改进。

通过进一步的思考，电路的计数器功能可由锁存器来代替，由此提出了设计电路的第二种方案。

2.5设计电路方案二第一个方案的计数器虽然可以较为简单明了的完成设计电路的大部分功能，但是由于按键共同作用的问题解决的不是很好，并且如果将CP信号制作作为设计的一部分，则电路又过于复杂。