闪光灯逻辑【控制专区】电路的设计与制作

课题四闪光灯逻辑控制电路的设计与制作闪光灯逻辑控制电路是电子游戏、广告制作、舞台演出中最常用的逻辑控制电路,和前三个课题不同的是电路采用纯数字电路器件来实现。

数字电路能用的器件有通用的中,小规模集成电路和专用的数字集成电路两种,器件的选择余地更大,设计方案较多。

数字电路的设计思路与模拟电路有着根本的差别,而且只要电路逻辑设计正确,调试的工作量较小。

希望通过本课题的设计与制作,使初学者能熟悉数字电路的一般设计方法。

1.设计内容和要求设计并制作一个闪光灯控制逻辑电路,设计要求:①红(R、黄(A、绿(G三种颜色的闪光灯在时钟信号作用下按表3—5规定的逻辑顺序转换。

表中“1”表示灯亮,“0”表示灯灭。

要求电路能自启动。

②状态转换时间间隔为0.5s,设计并制作一个CP脉冲源。

表3-5闪光灯转换顺序表2. 设计方案的选择(1逻辑分析三个闪光灯R、A、G作为三个输出变量,灯亮为“1”,灯灭为“0”,在时钟CP的作用下,共8个状态,其状态转换图如图3-4-1所示。

图3-4-1状态转换图由状态转换图可知,本电路可以自启动。

设计思路:能否用一个八进制计数器,再设计一个状态转换电路,将计数器的8个输出状态依次转化为灯光控制电路的规定状态,状态转换的真值表如表3-6所示。

表3-6状态转换真值表由真值表可得输出变量的函数表达式为 R=012012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q ++ A=012012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q ++G=012012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q ++ (2 设计方案的比较与选择由上分析,,本课题总的设计方案是先设计一个八进制同步加法计数器为闪光灯逻辑控制电路提供输入变量,再设计一个状态转换电路保证闪光灯按规定顺序工作。

八进制计数器根据器件来源,可以选用三片小规模集成触发器如D 触发器,JK 触发器等,也可采用中规模集成计数器如74LS160,74LS161等构成,转换电路的设计方案更多,可采用门电路,也可采用数据选择器,3线8线译码器,甚至只读存储器ROM 来实现。

不同的器件对逻辑函数的处理方式不同。

本课题首先确定八进制计数器由十进制同步加法计数器74LS160来实现,只是转换电路选用不同的器件,介绍三种设计方案供选择比较。

3.单元电路的设计(1八进制计数器的设计图3-4-2电路的状态转换图图3-4-2用74LS160接成八进制计数器电路如图3-4-2所示,采用预置数法,令D0D1D2D3均为零,当计数器输出端Q3Q2Q1Q0=0111时LD=0,再来一个CP的上升沿,计数器状态变为0000,实现八进制计数,其状态转换图如图3-4-3所示。

由图可知,电路可以实现自启动。

G1为3输入与非门,选用三3输入与非门74LS10,只用其中一组。

74LS160的功能表如表3-7所示,各管脚排列见附录三之三。

74LS160的功能表(2转换电路的设计设计方案1:转换电路选用SSI (小规模集成电路由式3-4-1 经化简变换成与非——与非形式得:R=2012012Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q ∙∙=++A=02010201Q Q Q Q Q Q Q Q ∙=+ G=0121201212Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q ∙=+画出状态转换电路的逻辑图如图3-4-3所示。

图3-4-3 方案1的状态转换电路逻辑图由上图知,该方案使用的与非门太多,除非片源只有与非门时才使用该方案。

设计方案2 :转换电路选用双4选1数据选择器74LS153数据选择器74LS153片内由两个4选1数据选择器组成,以A 1、A 0作为地址代码,A 0、A 1的4种状态可选择4个数据中的一个。

使能控制电路的工作状态,输出逻辑式为:Y 1=[D 10(01A A +D 11(01A A +D 12(A 10A +D 13(A 1A 0]S 1 Y 2=[D 20(01A A +D 21(01A A +D 22(A 10A +D 23(A 1A 0]S 2由上,令A 1为Q 1,A 0为Q 0, Y 1=R, Y 2=A ,G 端用另1片的Y 1。

片(1D10=Q 2、D 11=2Q 、D 12=0、D 13=Q 2、D 20=Q 2、D 21=D 23=0、D 22=1 片(2D 10=D 11=Q2、D 12=0、D13=2Q , 则逻辑表达式为:R=Q 2(01Q Q +((0(01201012Q Q Q Q Q Q Q Q +⋅+ A=Q 2(01Q Q +0 .(01Q Q +1(Q10Q +001(Q Q ⋅ G=Q 2((0((0120102201Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q +⋅++式(3-4-2中,0——接地,1——接+5V ,画出状态转换电路的逻辑图如图3-4-4所示。

图3-4-4方案2的逻辑电路图图中74LS153的管脚图见附录三之三。

由图,由于采用了中规模集成电路,电路结构及连线比方案1要简单得多。

设计方案3:状态转换电路采用3线——8线译码器74LS138来完成74LS138有3个输入变量端,正好对应红、黄、绿三种颜色的灯,输出有8个端口,将三个输入变量的全部最小项译码输出,根据式(3-4-1的逻辑关系进行适当的组合。

由式(3-4-1:7412012m m m m m m Q Q Q Q Q Q Q Q Q R ⋅⋅=++=++= 642642012012012mmmm m m QQ Q QQ Q QQ Q A ⋅⋅=++=++=5412012m mm m m m Q Q Q QQ Q Q Q Q G ⋅⋅=++=++=设计方案3的状态转换电路如图3-4-5所示。

图 3-4-5 方案 3 的状态转换逻辑电路图由图知，此方案比方案 1 要简单得多，与方案 2 相比各有特点，但接线比方案 2 相对简单，且少用一片集成块。

（3）时钟电路的设计对时钟电路的要求是周期为 0.5s，脉冲幅值3v≤Um≤5v,前沿要陡直，且稳定性要好，实现上述要求的电路形式很多，如用两片集成反向器构成对称式或非对称式多谐振荡器，或用一片施密特反相器、一个电阻、一个电容可构成多谐振荡器，也可用 555 定时器组成多谐振荡器，结构简单，调整方便。

①设计方案的选择选用 555 定时器构成多谐振荡器作为时钟电路，电路如图 3-4-6 所示。

参数计算如下: 由 T=（R1+2R2）C1 ㏑ 2=0.5S R1+2R2= 取 C1=10uF 则R1+2R2= 则有 0 .5 0.69 × C1 0 .5 × 10 5 = 72.5 KΩ 0.69 取R1=12K Ω, R 2 = 30 KΩ 调整 R2，使周期为 0.5s，频率为 2Hz。

C2 取 0.01uF。

图 3-4-6 时钟信号发生电路 4. 总电路图（1）选用数据选择器 74LS153 的总电路图图 3-4-7 闪光灯逻辑控制电路之一图中，因 74LS160 的 Q3 不接，本身即为八进制计数器，故图 3-4-2 中 G 实际无用，省去。

(2 采用 74LS138 作为状态转换电路的总电路图图 3-4-8 闪光灯逻辑控制电路之二图中 74LS160 的 Q3 端不用，故省去 G1、G2、G3、G4 可选用 1 片三 3 输入与非门 74LS10 即可，各片的管脚功能图参见附录三之三。

5. 实验与调试数字电子电路的安装与调试方式和模拟电子电路基本相同，可以采取一次安装逐级调试，也可以逐级安装与调试，与模拟电路相比，调试工作量较小，只要逻辑关系正确，一般结果不会出现大的问题，但由于引线较多，故障率较高，在安装调试时应合理布线，便于检查。

（1）时钟电路的安装于调试按图 3-4-6 电路及参数安装后通电，示波器接 555 定时器的③脚，测量是否有脉冲波输出。

若没有，应检查电路连接是否有错，直至波形正常输出，测出幅值是否>=3V，周期一般要经过仔细调整 R1 或 R2，直至达到 0.5 为止。

（2）八进制计数器的安装与调试按图 3-4-7 或图 3-4-8 安装计数器部分的八进制计数器，接通+5V 电源，并从 CP 端输入时钟电路的输出时钟脉冲，分别用示波器观察Q0、Q1、Q2 的波形，应如图 3-4-9 所示。

图 3-4-9 八进制计数器各输出端波形图（3）状态转换电路的安装与调试按图 3-4-7 或图 3-4-8 中状态转换电路组装电路，检查无误，并在 R、A、G 端分别接上红、黄、绿发光二极管。

通电后观察闪光灯的亮灭规律是否满足表 3-5 的要求。

6.元器件清单（按图 3-4-8 方案列出）序号 1 2 3 4 5 6 7 7.设计任务名称电阻电阻电容电容计数器 3 线 8 线译码器三3 输入与非门序号 R1 R2 C1 C2 规格型号0.125W 12K Ω 0.125W 30K Ω 10uF 16V 0.01uF 74LS160 74LSA138 数量 1 1 1 1 1 1 1 G2、G3、G4 74LS10 ①分析电路的设计内容，说明对于同一个设计课题，如何选择设计方案。

②选择其中一个设计方案，进行单元电路设计，安装与调试，得到实验数据及成果，并对电路工作情况进行分析。

③总结设计电路的优特点及方案的优缺点，提出改进意见。

④写出收获与体会。

8.思考题①为什么说图 3-4-2 中与非门是 G1 是多余的？②图 3-4-4 方案 2 中用 3 两片 4 选 1 数据选择器，能否用 1 片 8 选 1 数据选择器来代替？为什么？③为什么该数字电路系统的调试比模拟电路要简单？数字电路的安装与调试应注意哪些问题？。