数码管显示控制器的设计与实现

数码管显示控制器的设计与实现初始条件：555定时器、74LS160计数器、74LS161计数器、74LS153数据选择器、74LS48译码器、74LS04非门与数码管、电阻、电容等相关元件。要求完成的主要任务:1、设计任务根据已知条件，完成对数码管显示控制器的设计、装配与调试。2、设计要求（1）、能自动一次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9(奇数列)，0、2、4、6、8（偶数列），0、1、0、1、2、3、4、5、6、7(音乐符号序列)；然后再从头循环；（2）、打开电源自动复位，从自然数列开始显示。该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已，因此我们这个方案采用一个最简易的方案：一个74LS160一个74LS161和两个74LS153，一个555作脉冲产生之用，一片74LS48译码，一个七段数码管作显示。2.2方案原理首先，用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生0—9的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。74LS160每循环0—9一次就会产生进位输出为74LS161提供一个脉冲，使其计数一次，74LS161在此处做为一个四进制的计数器。在脉冲作用下，74LS161的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经74LS48译码最终使数码管按要求依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。经以上的论证我们可知，这个方案在理论上分析是完全可行的，经我们仿真之后验证，此方案是完全可行的。3.电路的设计与分析3.1电路的总体设计由设计要求依次显示自然数列1、2、3、4、5、6、7、8、9，奇数列1、3、5、7、9，偶数列0、2、4、6、8，音乐数列0、1、0、1、2、3、4、5、6、7，列出下列关系：自然数列奇数列偶数列音乐数列000000010000000000010011001000010010010101000000001101110110000101001001100000100101001101100100011101011000011010010111通过上面的数列可发现如下规律：奇数列最末位都为1；偶数列最末位都为0,音乐数列的最高位都为0.因此该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已。用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生0—9的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。74LS160每循环0—9一次就会产生进位输出为74LS161提供一个脉冲，使其计数一次，74LS161在此处做为一个四进制的计数器。在脉冲作用下，74LS161的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经74LS48译码最终使数码管按要求依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。3.2电路的原理框图3.3.2计数电路的设计与分析该设计用到了74LS160和74LS161两个计数器，其中74LS160用来产生0～9的十进制数作为数据选择器的输入，74LS161的输出低两位作为数据选择器的地址选择其实是将其作为了一个四进制的计数器，循环产生00、01、10、11进而控制了数据选择器的输出，终使数码管按要求产生循环数列。下面是最74LS160的介绍：异步清零端/MR1为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿555脉冲电路计数器计数器数据选择器数据选择器译码电路数码管作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。对于74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。图3-274LS160外部引脚图图3-374LS153外部引脚图160外部管脚引出端符号：TC进位输出端CEP计数控制端Q0-Q3输出端CET计数控制端CP时钟输入端（上升沿有效）/MR异步清除输入端（低电平有效）/PE同步并行输入置数端（低电平有效）74LS153逻辑功能表表3-174LS153逻辑功能表输入输出BAC0C1C2C3GY10000000010101000011011000010101110001110174LS160逻辑功能表表3-274LS160逻辑功能表计数顺序电路状态等效十进制进位输出Q3Q2Q1Q0C00000001000110200102030011304010040501015060110607011170810008091001913.3.3译码显示电路的设计与分析数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。计数器用来产生十进制计数，其输出端信号加到译码器输入端，经译码后可以在输出端产生所需的控制信号。本电路计数器译码器采用74LS48，译码驱动电路如图3-4。它们分别为可预置4位二进制同步可逆计数器和八选一数据选择器。电路的工作原理是不规则时钟脉冲信号加到计数器74LS160的计数向上引脚，计数器控自然忘序递增计数，其输出端Qd,Qc,Qa,Qb按自然忘序递增到1000时，由于清除和Qd相连接当Qd为1时计数器清等然后又重复递增计数，不断循环进行。而计数器的输出瑞Qc,Qb,Qa接到74LS153的输入端，在Qc，Qb，Qa的作用下价它们的每一种组合方式对应于输出端的一个引脚状态.在任意时刻只有一个端口为高电平其余喘口全为低电平.而且这种变化同样是按照自然递增的顺序循环进行。根据这种结果，可以把每一路输出用以控制半导体数码管从而可以达到循环显示数字的目的。7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。7448的LRBI、BI/RBO,简要说明如下：灭灯输入BI/RBO：BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。试灯输入LT：当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查74IS48本身及显示器的好坏。当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。图3-574IS48的引脚图图3-6译码驱动电路图4-3总电路仿真4.3运行结果分析接通电源后数码管可以按要求依次循环显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。并且打开电源自动复位，从自然数列开始显示。实现了预期的设计要求参考文献[1]阎石主编：《数字电子技术基础5版》，高等教育出版社，2006出版。[2]康华光主编：《电子技术基础数字部分4版》，北京高等教育出版社，2000出版。[3]刘泉主编：《数字信号处理原理与实现》，电子工业出版社，2005出版。[4]夏路易主编：《电路原理图与电路板设计教程》，兵器工业出版社.，2002出版。