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。

由于锁存器也可以将信号保持输出，只是控制功能不是很灵活，但我们仍可以在锁存器上寻找设计电路功能完成的方法。

经过在原电路上的修改及对锁存器控制端的分析，现得到方案二的电路图如图10所示：
2.5.1方案二电路图
图10 方案二电路图
2.5.2 原理说明
在电路输入信号的处理上，方案二和方案一的电路形式是一样的。

更改的部分是74LS161计数器被两个74HC573锁存器所替代。

编码器四位输出经过四位与门芯片和四位与非门芯片后分别连接至第一个和第二个锁存器芯片的输入使能端LE。

电路功能的实现过程需分成几个电路状态来考虑和分析。

首先，第一个状态是无信号输入的状态（无开关作用），编码器四个输出全为高电平。

此时第一个锁存器的输入使能LE端接收持续的高电平（编码器输出的与），第二个锁存器的输入使能LE端接受持续的低电平（编码器输出的与非）。

由于两个锁存器的输出使能端均接低电平信号，因此此时两个锁存器的状态是，第一个锁存器处在接受信号的状态，而第二个锁存器处在保持输出的状态。

然后，第二个电路状态是有一个开关作用电路的状态。

此时编码器的输出将改变，其四位输出信号的与和与非的值恰好倒转。

因此，两个锁存器的状态也将倒转，即第一个锁存器变成持续输出并屏蔽输入信号的状态，第二个锁存器处在接收信号并直接传送的状态。

在这个状态下，编码器输出的信号经过非门和两个锁存器后，就可以输送到显示译码器并在数码管上呈现数值。

第一个锁存器能够成功接收信号的关键在于在第一个锁存器的LE端口上并联一个电容。

当有按键作用开始时，虽然四位与门芯片的输出变成了低电平，但是电容的储能使得锁存器的LE端口在较短时间内仍然处于高电平状态。

此时第一个锁存器短暂的处在接收信号的状态，按键作用的编码状态就可以被锁存器所接收。

由于电容的储能有限，经过很短的时间锁存器的LE端就转变成了低电平状态。

和前面所述一致。

按键作用消失后，由第二个锁存器保持输入的信号并持续输出。

最后，电路的第三个状态是有两个按键同时作用的情况。

这个状态是由电路的第二个状态过渡而来的。

如前所述，第一个按键作用后，第一个锁存器接受完按键信号的编码后立即转变成了屏蔽输入信号的状态。

此时若第二个按键作用，编码器输出的编码虽然可以改变，但是这个信号通过不了第一个锁存器。

所以数码管一直显示第一个触发信号的数值。

当按键作用都消失后，电路由第二个锁存器继续保持并输出先前的信号，直到新的信号作用。

电路还有两个比较关键的地方。

一个是数值“零”的输入以及TTL非门芯片和CMOS锁存器芯片之间的连接问题。

数值“零”的输入其实和其他数值输入的原理是一样的。

我们知道编码器在无输入状态下输出为“零”，此时只要改变锁存器LE端的输入状态即可以使数码管显示的数值为“零”。

实现方法是使用一个轻触开关控制一个高电平，开关另一端分别并上两个锁存器的LE端，其中，并联连接第一个锁存器的LE端前需经过一个非门电路。

此时应在与门和与非门芯片输出端接上适当大小的电阻，以防止开关作用后出现短路现象。

具体电路图如图11所示。

图11 “零”输入端部分电路图
当此开关作用后，电路将接收并显示数值“零”。

此开关就可以当作控制“零”输出的开关。

由于锁存器是CMOS工艺制作成的，而与它直接相连接的非门芯片属于TTL 电路。

有时候，TTL电路给与COMS电路端口的电流会出现不足的现象，因此无法驱动CMOS电路元件，此时需要在两种电路之间添加上拉电阻，以增大电流。

本次课程设计就遇到了这个问题。

添加的电路如图12所示。

图12 TTL与CMOS元件连接时的上拉电阻
到此为止，电路的所有功能原理已经分析完毕，在理论上完成了课程设计的要求。

下来要做的是电路的仿真和实物的制作。

3.硬件电路的设计与制作及调试
3.1电路仿真
电路原理和电路图都清楚后，可以就所设计的元件进行仿真，数字、模拟电子技术中经常用到的仿真软件有Multisim，PSpice和Proteus。

其中，Multisim软件比较适用于模拟电路或者数模混合电路的仿真。

而Proteus软件是针对单片机数字电路所研发的软件，所以比较适用于数字电路的仿真。

本次课程设计的电路构成为简单数字电路，故选择用Proteus来进行电路的仿真。

3.1.1Proteus软件介绍
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

3.1.2电路仿真过程及分析
打开Proteus仿真软件，首先根据设计好的电路放置重要芯片元件，以及必须的电源，开关和地等元素。

然后连接电路，尽量使元件摆放合理，连线整齐美观。

最终电路的连线情况如图13所示。

图13 仿真电路连接好的状态
电路连接完成后，首先进行电气连接错误的检查。

检查完毕后，如果没有错误就可以开始进行电路的运行和仿真。

电路运行的按钮在软件界面的左下角。

运行后电路的状态如下所示：
电路运行的初始情况如图所示，其中红色的点表示高电平，蓝色的点表示低
电平。

电路开始运行时数码管显示为“零”，这是因为锁存器在没有输入的情况下，默认输出低电平。

电路运行后就可以通过按键的作用来检测电路的正确性，电路的开关按键摆放规则是：左边一竖排从上到下是一到九个数值，右边的按钮为控制“零”输出显示的按键。

下图是检测按键时的电路运行情况，此时按键“一”，作用电路。

图15 仿真“一”输入的电路状态
可以看到，由于第一按钮输入了一个低电平，电路各个芯片的输入输出状态都发生了变化，而且是按照设计的情况变化的，数码管上出现了数字“一”，证明电路在仿真时没有出现错误。

下面检测两个按键同时作用时电路的运行情况：
图16 仿真两个按键同时作用的电路状态
上图所示是第一和第八个按键同时作用的情况（由蓝色的点可看出），其中，第八个键首先作用，第一个键后作用。

电路显示为“八”，是正确的结果，证明了所设计的电路具有按键同时作用时只接收第一个输入信号的功能。

检测“零”按键的作用情况：
图17 “零”信号输入的电路仿真状态
此时，只有右边按键作用电路，数码管显示为“零”，仿真结果符合预测。

证明这样的“零”输入设计是合理的、可行的。

还有一个仿真内容是检测零输入和其他输入的先后作用对电路的影响，经测试，无论是零输入先于其他输入作用还是其他输入先于零输入作用，电路响应的均是第一个作用的信号，由于内容重复类似，仿真的图就不再此显示了。

至此为止，课程设计所要求的电路功能均已仿真成功，并取得的良好的仿真效果。

但是仿真的条件是理想化的，只有真正将电路实物完成并实现相应的功能才是最大的考验。

3.2 电路实物的制作与调试
3.2.1 电路连接前的注意事项
前面所有的设计和仿真过程均是为电路的硬件制作提供理论基础和可信度而进行的。

此次课程设计最重要的还是电路实物的制作过程，在这个过程中，我们可以亲手编排元件，连接电路以及检测电路的运行情况，排除故障。

可以说，这是本次课程设计最有意义的一个环节。

为了用简单方式完成电路，此次课程设计可以用面包板进行实物电路的制作，相对于需要焊接的电路板来说，使用面包板来连接电路最大的好处就是可以随时更改电路芯片的连接状态，这就极大的方便了电路的查错和纠正工作的进行。

有了面包板，在拥有了原理图的情况相下，电路的连接很快就可以完成。

所要注意的是芯片的缺口端，连接电路时仔细比对每个引脚的功能。

有些芯片的输入输出排布是很不规则的，这就更要注意。

开始连接电线的时候首先应认真理解好面包板内部连接的特性，这样才能使连接的电路达到简洁的要求。

而且应先用万用表检测所用连接导线的好坏，否则电路连接完毕后就很难检测到这个问题。

3.2.2 电路连接过程
首先在面包板上安放全部芯片，根据面包板的大小以及芯片引脚的情况排好布局。

从开关开始按顺序连接电路，连接的第一个芯片是编码器，将九个开关与编码器连接起来后，给编码器加电源和地，用万用表测试其编码功能是否正常。

同时也可以确保开关的安放是正确可用的。

以此类推，每安放完一个芯片后，先为其接通电源，测试芯片的功能是否正常。

同时检测所连接的电路是否符合预期的结果。

用这样一个方法将所有的芯片连接好。

最后是数码管的连接，数码管的七（八）个LED灯有时候是共阴极连接，有时候是共阳极连接。

检测的方法为，直流电源的正极和负极分别接至LED灯的公共段，若公共段接电源正极，其他端口接电源负极时数码管亮了。

表明数码管是共阴极的。

反之则为共阳极数码管。

确认数码管连接正确后。

把芯片所有的电源连接到一起，连接至电源正极。

再把所有的地连接到一起，连接至电源的负极。

芯片某些管脚固定为高低电平的也分别连接至电源和地。

3.2.3 电路的测试和纠错
连接好电路接通电源后，给电路上电。

发现数码管未亮起。

按键按下后数码管无反应，检查发现与门芯片和与非门芯片输出电平异常，确认好这两个芯片不存在问题后，检查编码器的输出，发现在无输入的情况下，编码器的输出并非全为高电平，与仿真的结果不一致。

此时意识到要将编码器的输入在默认情况下设置为高电平，这样在没有按键作用的情况下编码器的输出才全为高电平。

仿真软件中把输入端的这个要求给省略了。

于是，为每个开关并联上一个阻止为1k的电阻，同时连接电源。

再测试时，编码器的输出已符合设计要求。

此时数码管的变化仍然未能按照按键开关的控制来进行。

经检测，编码器的输出的信号到达第一个锁存器后，无法通过锁存器到达输出端。

在检查完锁存器的输入控制端LE无误后，猜想应该是否是LE端并联的电容过小，使得锁存器锁存过快。

于是更换一个数值较大的电容。

经过修改后，数码管就可以根据按键的不同作用而正常显示了。

实物电路到此已经基本制作完成。