数字电路设计霓虹灯

成绩：实践报告
课程名称：数字电路综合设计
实践名称：霓虹灯
姓名：
专业：计算机科学与技术
班级：
学号：
计算机科学与技术学院
2017 年12 月21 日
哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院
实践项目名称：霓虹灯
一、实践目的
（1）掌握霓虹灯的原理。

（2）运用数字电路设计出自己想要的图案
（3）加强数学设计电路的能力。

二、实践内容
现有4只彩灯，红－绿－蓝－黄，运用所学的模拟电路和数字电路等知识，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：摇摆状态0101←→1010，重复6次；暗点循环0111→1011→1101→1110→0111→这样重复循环3次；逐个点亮，逐个熄灭，0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001→0000→这样重复循环2次；霓虹灯控制工作状态按照上述2至4步自动重复循环。

时间间隔为1秒。

三、实践原理及接线
首先，先分别设计出各个图案转换的方案，即能够分别单独的实现摇摆状态、暗点循环和逐个点亮逐个熄灭的状态。

然后再设计一个四十进制，前12秒使摇摆状态进行正常工作，13到24秒使暗点循环正常工作，最后16秒使最后一个状态正常工作。

最后通过逻辑
计时电路：
我们采用74ls161我们将第一片接成四进制，将第二片接成十进制，第二片的时钟脉冲来自与第一片，当第一片计时满四时，向第二片发出一个时钟脉冲，这样就形成了四十进制。

74ls161的工作原理如下：
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，：
74ls161引脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)
输入输出
C R CP L
D EP ET D3D2D1D0Q3 Q2Q1Q0
0 Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф 0 0 0 0
1 ↑ 0 Ф Ф d c b a d c b a
1 ↑ 1 0 Ф Ф Ф Ф Ф Q3 Q2Q1Q0
1 ↑ 1 Ф 0 Ф Ф Ф Ф Q3 Q2Q1Q0
1 ↑ 1 1 1 Ф Ф Ф Ф 状态码加1
74LS161功能表
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。

合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

二进制计数器电路简单，运算也方便，但人们最习惯的是十进制，所以在应用中常使用十进制计数器。

使用较多的十进制计数器是按照8421BCD码进行计数的电路，计数器由“0000”状态开始计数，每10个脉冲一个循环，也就是第10个脉冲到来时，由“1001”变为“0000”，就实现了“逢十进一”，同时产生一个进位信号。

电路图如下：
选通电路：
由于题目要求我们前12秒使摇摆状态进行正常工作，13到24秒使暗点循环正常工作，最后16秒使最后一个状态正常工作。

那么这三个电路的工作时间为3:3:4，所以我可以让第二片74ls161前三秒驱动第一个电路，中间三秒驱动第二电路，最后四秒驱动第三个电路，第二片由上一个状态变化到下一个状态的时间是十秒，这样设计是非符合要求。

设第一个
Q0
Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3Q2Q1Q0Q3Q0Q1Q Q3L3Q0Q1Q2Q3Q0Q Q2Q3Q1Q0Q2Q3Q L +++=++=++=2120123012301231L Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q
摆动电路：
如上图，用74LS161制作一个四进制计数器，将QA、QB分别接A、B，通过74LS139输出，然后将Y0、Y2和Y1、Y3分别接入两个与门后输出，在分别将其输出接到LED1、LED3和LED2、LED4，在脉冲信号作用下，便能实现摇摆功能。

例如：AB输入00时，Y3Y2Y1Y0输出1110，因此灯LED1、LED3灭，LED2、LED4亮。

74LS139引脚图及功能图
暗点循环：
如上图，用74LS161制作一个四进制计数器，Q0、Q1接到A、B上，再将Y0、Y1、Y2、Y3分别接到D1、D2、D3、D4上，在脉冲信号作用下即能实现暗点循环的功能。

逐个点亮逐个熄灭电路：
如上图，用74LS194设计4位扭环形计数器，在脉冲信号作用下，便能够实现逐个点亮逐个熄灭的循环状态。

74LS194的引脚图及功能表：
时钟信号的制作：
秒信号发生器采用555定时器，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器。

555定时器的外引脚排列图和内部电路框图分别如图2-1和图2-2所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS 触发器，一个放电管T 及功率输出级，它提供两个基准电压3CC V 和23CC V 。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器1C 的同相输入端的电压为2CC V ，2C 的反相输入端的电压为CC V 。

若触发输入端TR 的电压小于CC V ，则比较器2C 的输出为0，可使RS 触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH 的电压大于2CC V ，同时TR 端的电压大于3CC V ，则1C 的输出为0，2C 的输出为 1，可将RS 触发器置0，使输出为低电平。

由555定时器组成的多谐振荡器如图所示，其中R1、R2和电容C 为外接元件。

其工作波如图(D)所示。

设电容的初始电压C U ＝0,t=0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端TH V ＝TL V ＝0<CC V ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ2输出为低电平，即_1D R =，_
0D S =（1表示高电位，0表示低电位），R S -触发器置１，定时器输出01u =此时_
0Q =，定时器内部放电三极管截止，电源cc V 经1R ，2R 向电容Ｃ充电，c u 逐渐升高。

当c u 上升到3CC V 时，2A 输出由0翻转为1，这时_
_
1D D R S ==，R S -触发顺保持状态不变。

所以0<t<1t 期间，定时器输出0u 为高电平１。

1t t =时刻，c u 上升到23CC V ，比较器1A 的输出由1变为0，这时_0D R =，_
1D S =，R S
-触发器复0，定时器输出00u =。

12t t t <<期间，_
1Q =，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过2R 放电。

c u 按指数规律下降，
当c u <23CC V 时比较器1A 输出由0变为1，R-S 触发器的_
D R =_
1D S =，Ｑ的状态不变，0u 的状态仍为低电平。

2t t =时刻，c u 下降到3CC V ，比较器2A 输出由1变为0，R S -触发器的_
D R =1，
_
D S =0，触发器处于1，定时器输出01u =。

此时电源再次向电容C 放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出01u =，电容放电时，0u =0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

由图知，振荡周期12T T T =+。

1T 为电容充电时间，2T 为电容放电时间。

充电时间: ()()11212ln 20.7T R R C R R C =+≈+ 放电时间： 222ln 20.7T R C R C =≈ 矩形波的振荡周期： ()12120.7T T T R R C =+≈+ 因此改变1R 、2R 和电容C 的值，便可改变矩形波的周期和频率。

四、实践结果分析
计时电路的仿真。

仿真效果和预期相同，可以实现四十进制。

摆动状态的仿真，符合设计要求。

暗点循环电路的仿真，符合设计要求。

逐个点亮逐个熄灭电路，符合设计要求。

总体仿真电路。