四路彩灯显示系统逻辑电路设计

1 需求分析
基本功能要求
用小规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统的要求如下： 开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示。 程序由三个节拍组成： 第一节拍时，四路输出 Q1~Q4 依次为 1，使第一路彩灯先点亮，接着第二路、 第三路、第四路彩灯依次点亮； 第二节拍时，Q4~Q1 依次为 0，使第四路先灭，然后第三路、第二路、第一路彩 灯依次灭； 第三节拍时，Q1~Q4 输出同时为 1 态，然后同时为 0 态，使四路彩灯同时点亮， 然后同时灭，共进行 4 次。 每个节拍费事为 4s，执行一次程序共需 12s。 用发光二极管显示彩灯系统的各节拍。
至移位寄存器，所以需要两片 74LS161；由于一片 74LS161 需采用反馈复位法构
成十二进制计数器，
，所以需要 74LS20 一片，74LS04 一片。
由分析可得所用器材表如下：
表 循环控制电路器材表
器材
数量
74LS161
2片
74LS20
1片
74LS04
1片
集成芯片 74LS161 是同步的可预置的 4 位二进制计数器，并具有异步清零功 能。表 是 74LS161 的功能真值表。
步集成计数器 74LS161，因其是
的计数器，并且有异步清零的功能，因此
采用反馈复位信号使清零输入端 为零的方法，可以使计数器在按自然态序计 数的过程中，跳过无效状态，构成 12 进制的计数器。
为完成要求，列出十二进制计数器的状态表，寻找清零是 态，表 为自然态序 12 进制计数器的状态表。
计数 N
1
移
1 1 0 ↑0 x xxxx
0
保 持1
0 0 ↑x x x xxx
3 系统实现
系统实现过程
实现方法与步骤: 进行电路原理分析，给出预期功能与实现，利用真值表，状态图等方法对逻辑电 路进行设计，合理选用芯片； 在 MultiSim 上对所设计电路进行仿真模拟，排查逻辑错误，进一步完善设计；
按照所设计电路在实验箱上进行线路连接，实际操作并检查电路；
是否正常变化，如不正常，则检查
转换 74LS161 输出有 74LS194 输入的逻辑电路是否正确； 如果 2 正常，显示不正常，则检查 74LS194 芯片是否完好，功能是否正常； 检查扩展部分的逻辑电路连接是否完好，芯片功能是否正常。
系统最终电路图
最终电路图如图 所示：
图 最终电路图 整个电路利用左下 74161(以 U2 代替 )将脉冲分为两个频率，其中 的输出频率 是 的一倍，由左上 74161(以 U1 代替)利用反馈复位法构成十二进制计数器产
同时利用 U1 的输出
经逻辑电路处理控制数码管的显示，完成对十
二个状态的显示。 利用与门和开关控制脉冲的通断，以及利用八位锁存器保存两片 74161 的输出状 态，可以暂停电路并恢复状态，另其继续工作。
系统团队分工
自然态序十二进制计数器(两片 74LS161 的改装设计)、四路彩灯的状态显示 功能以及最终完成的电路图的制作由我完成。
00 01 11 10 00 0 1 1 0 01 0 1 1 0 11 d d d d 10 0 1 1 0
可得 可得
用与门和非门实现此逻辑函数的逻辑图，如图 所示:
图 四路彩灯状态显示逻辑电路
系统物理结构设计
循环控制电路物理结构 由于需要产生两路控制频率，一路送至十二进制计数器，一路经逻辑电路送
CLK x0 x 10 x1 1 x1 1 11
表 74161 功能真值表 输入
输出
ENP ENT A B C D
x x xxxx0000
x x ABCDA B C D
0 x xxxx
保持
x 0 xxxx
保持
1 1 xxxx
计数
状态显示电路物理结构
由显示电路的输入输出及逻辑函数：
、
、
、
、
、
、
、
，可知其物理电路需要两个数码管，
创新拓展功能
对四路彩灯所在扩展如下： 增加暂停功能，即在四路彩灯显示系统工作时，可从任意状态暂停，之后可以恢 复暂停时的状态，并继续工作； 增加数字显示，用两位十进制数 00~11 随着彩灯的变化显示 12 个状态。
设计原理
为保证四路彩灯系统开机后可从初始状态按规定程序进行循环演示，循环控 制电路可用 74LS161 和 74LS20 实现。彩灯花型显示分为 3 个节拍，彩灯的三个 节拍可以用移位寄存器 74LS194 实现。彩灯有亮、灭两个状态，此外，还需要设 计时钟脉冲产生电路、循环控制电路和彩灯花样输出电路。
可得
00 01 11 10 00 0 0 0 0 01 0 0 0 0 11 d d d d 10 1 1 0 0
3) 卡诺图
可得
00 01 11 10 00 0 0 0 0
01 1 1 1 1 11 d d d d 10 0 0 0 0
可得
4) 卡诺图
00 01 11 10 00 0 0 1 1 01 0 0 1 1 11 d d d d 10 0 0 0 0 5) 卡诺图
由设计要求出发可知彩灯的 3 个节拍可以用移位寄存器 74LS194 实现，通过
控制 S0 和 S1 实现 1 右移、0 左移、送数和通过控制 控制清零。第一节拍为
1 右移，第二节拍为 0 左移，第三节拍全亮为置数 1，全灭为清零。 由于程序循环一次要 12s，故需要一个 12 进制的计数器控制循环。第三节拍时 要求 1s 内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，
00000000000000
00010100000001
00100200000010
00110300000011
01000400000100
01010500000101
01100600000110
01110700000111
10000800001000
10010900001001
10101000010000
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
无效状态
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
完整系统电路物理结构
完整系统所用器材表如下：
表 完整系统电路器材表
器材
数量
数据逻辑实验箱
1台
74LS161
2片
74LS20
1片
74LS04
2片
74LS08
2片
74LS194
1片
74LS373
1片
74LS32
1片
74LS194 用于控制彩灯显示，74LS194 是典型的移位寄存器，它是四位双向通
以及非门 74LS04 一片，与门 74LS08 一片。
由分析可的器材表如下：
表 状态显示电路器材表
器材
数量
数码管
2
74LS04
1片
74LS08
1片
数码管显示状态表如下：
表 数码管显示状态
D
C
B
A
显示
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0Hale Waihona Puke Baidu
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
0
0
0
8
1
0
0
1
9
系统测试
在整个电路完成之后，进行的测试有： 进行仿真测试，检查电路逻辑是否存在问题，如存在问题，则修改；
将构成十二进制计数器的 74LS161(电路中 U1)的输出
连接实验箱上
的显示灯，检测输出是否为自然态序的十二进制计数，且正确循环，如不正常， 则重新检查反馈复位逻辑电路是否接错；
如 1 正常，将 74LS194 的输入
使用 74LS194 来控制四路彩灯的基本功能实现以及对电路进行的暂停保持和 继续功能由我的合作者宋浩宇完成。
实物连线由我们共同完成，图 为系统实物图。
图 系统实物照片
4 总结
通过四路彩灯电路的设计与实现，使我对芯片功能、一般组合逻辑电路和时 序逻辑的设计有了更深的认识，巩固了在此之前已在课堂和书本上学到有关知 识。
四路彩灯状态显示 四路彩灯共有十二个状态，使用实验箱上的显示译码器可以显示 0~11 来表
示状态，由于一片 74LS161 为十二进制计数器，可以采用 74LS161 的输出
作为输入，输出为两片显示译码器的 入，可列真值表 。
的输
表 彩灯显示状态真值表
输入
数码管 1
输出
数码管 0
数码 数码 管1 管0
本次实验采用中小规模集成电路进行彩灯显示系统的设计，具体使用 74LS161 作为循环控制电路，74LS194 控制彩灯花型显示，并用若干基本与门、 非门、与非门等芯片基本逻辑电路。
关键词： 四路彩灯； 计数器； 移位寄存器；中小规模集成电路；
目录
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用移位寄存器。它的功能如表 所示:
表 74LS194 功能表
功
输入
输出
能
CP
ABCD
清
除0
x x x x x xxxx0
0
0
0
保 持1
x x 0 x x xxxx
送
数1
1 1 ↑x x ABCDA
B
C
D
右1 移
1
0 1 ↑x 1 xxxx 1 0 1 ↑x 0 xxxx 0
左1
1 0 ↑1 x x xxx
基本电路设计完成之后，通过在 MultiSim 上进行仿真设计，重新检查电路并 进行修改，使我熟悉了电路的一般设计方法。
电路的实物连接过程中，通过查询芯片引脚图与功能表，并与实验箱进行连 接，因为整个线路连接之后十分复杂，而且连接完成之后必须对照引脚图才能分 析电路，所以在操作过程中必须小心谨慎。正确的电路设计和接线是整个电路正 常工作的前提，出错之后要保持耐心并认真检查电路。同时我认识到实际芯片引 脚与惯用表示的不同以及实际电路连接的复杂。
10111100010001
根据真值表可写出各个输出的逻辑表达式：
用卡诺图化简逻辑函数，可得与或最简式:
由于
已经最简，不需化简，即
、
、
；
其他逻辑函数的化简如下： 1） 卡诺图：
00 01 11 10 00 0 0 0 0 01 0 0 0 0 11 d d d d 10 0 0 1 1
2) 卡诺图：
亲自实践是很好的学习机会，数字逻辑实验使我能够应用理论知识于实践 中，提高自身能力与知识。完成这次实验对我的提高有很多帮助，希望数字逻辑 实验课程能为学生提供更多机会。
而且要以相同频率控制 。可以用一个十六进制计数器产生脉冲信号，一路送
到控制十二进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。
上述原理可用图 表示:
显示电路
节拍程序执行器
1s
启 动
4s
节拍控制器
脉 冲 器
分频器
1s
图 四路彩灯显示系统图
系统逻辑结构设计
循环控制电路
由于程序循环一次要 12s，故需要十二进制的计数器控制循环，考虑使用同
哈尔滨工程大学
数字逻辑综合性实验设计报告
课程名称 题目名称 班级 学号 学生姓名 同组班级 同组学号 同组姓名
数字逻辑实验 四路彩灯显示系统逻辑电路设计
指导教师 武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬
2013 年 06 月
摘要
四路彩灯常见于节庆场合，按照某种规则点亮或者闪烁彩灯，本次数字逻辑电路 设计实验主要完成四路彩灯的控制流程，控制流程如下： 第一路彩灯先点亮，然后依次点亮第二路、第三路、第四路； 第四路先灭，然后第三路、第二路、第一路依次灭； 四路彩灯均亮灭，共四次； 从 1)开始循环。
生十二个循环的不同状态，和 U2 的 一起经过逻辑电路控制 74194 的
。
在前四个状态， 、 、
同时
，利用 1 右移来完成第一节
拍；接着四个状态， 、 、
同时
，利用 0 作移来完成第
二节拍；最后四个状态， 、 、 和
的频率是之前的二倍，
且 、B = 1、C = 1、D = 1，所以交替清零与置数，完成第三节拍。
置零，
另外，
、ENT、ENP 接高电平，CLK 接脉冲。
图 即为利用反馈复位法设计的十二进制计数器的逻辑电路图。
图 自然态序十二进制计数器
同时需要为 74LS194 产生一个快一倍的脉冲信号，则可以考虑多加一片 74LS161 用来分出两个频率，比如 的频率是 的二倍，则用 为十二进制计 数器提供脉冲， 经逻辑电路为 74LS194 提供脉冲。
表 自然态序十二进制计数器状态表 输出
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
10
1
0
1
0
11
1
0
1
1
1
1
0
0
无效状态 1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
的状
由表 可知，应用反馈复位法，可在
为 1100 时，使
从而达到异步清零的功能，跳过下面四个无效状态，则可得: