四路彩灯显示系统逻辑电路设计

数字逻辑综合性实验设计报告课程名称数字逻辑实验题目名称四路彩灯显示系统逻辑电路设计班级学号学生姓名同组班级同组学号同组姓名指导教师武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬2013年06月-1-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：1)第一路彩灯先点亮，然后依次点亮第二路、第三路、第四路；2)第四路先灭，然后第三路、第二路、第一路依次灭；3)四路彩灯均亮0.5s灭0.5s，共四次；4)从1)开始循环。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；-2-目录目录1需求分析............................................................................................-3-1.1基本功能要求........................................................................-3-1.2创新拓展功能........................................................................-3-1.3设计原理................................................................................-3-2.1系统逻辑结构设计.................................................................-5-2.1.1循环控制电路.................................................................-5-2.1.2四路彩灯状态显示.........................................................-7-2.2系统物理结构设计...............................................................-10-2.2.1循环控制电路物理结构...............................................-10-2.2.2状态显示电路物理结构...............................................-11-2.2.3完整系统电路物理结构.............................................-12-3系统实现..........................................................................................-13-3.1系统实现过程.......................................................................-13-3.2系统测试...............................................................................-13-3.3系统最终电路图...................................................................-14-3.4系统团队分工........................................................................-15-4总结..................................................................................................-16-参考文献..............................................................................................-17--3-1需求分析1.1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：1)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。2)程序由三个节拍组成：a)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；b)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；c)第三节拍时，Q1~Q4输出同时为1态0.5s，然后同时为0态0.5s，使四路彩灯同时点亮0.5s，然后同时灭0.5s，共进行4次。每个节拍费事为4s，执行一次程序共需12s。3)用发光二极管显示彩灯系统的各节拍。1.2创新拓展功能对四路彩灯所在扩展如下：1)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；2)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。1.3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。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𝐶𝐿𝑅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，而且要以相同频率控制CLR。可以用一个十六进制计数器产生脉冲信号，一路送-4-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1.3表示:1s4s1s图1.3四路彩灯显示系统图显示电路节拍程序执行器节拍控制器启动分频器脉冲器-5-2.1系统逻辑结构设计2.1.1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，考虑使用同步集成计数器74LS161，因其是M=16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CLR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QD𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴的状态，表2.1.1为自然态序12进制计数器的状态表。表2.1.1自然态序十二进制计数器状态表计数N输出𝑸𝑫𝑸𝑪𝑸𝑩𝑸𝑨00000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011无效状态1100110111101111由表2.1.1可知，应用反馈复位法，可在QD,𝑄𝐶,𝑄𝐵,𝑄𝐴为1100时，使CLR置零，从而达到异步清零的功能，跳过下面四个无效状态，则可得:CLR=𝑄𝐴𝑄𝐵𝑄𝐶𝑄𝐷另外，LOAD、ENT、ENP接高电平，CLK接脉冲。-6-图2.1.1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2.1.1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QB的频率是QC的二倍，则用QC为十二进制计数器提供脉冲，QB经逻辑电路为74LS194提供脉冲。-7-2.1.2四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QD𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴作为输入，输出为两片显示译码器的A1𝐵1𝐶1𝐷1𝐴2𝐵2𝐶2𝐷2的输入，可列真值表2.1.2。表2.1.2彩灯显示状态真值表输入输出数码管1数码管0𝐐𝐃𝐐𝐂𝐐𝐁𝐐𝐀数码管1数码管0𝐃𝟏𝐂𝟏𝐁𝟏𝐀𝟏𝐃𝟎𝐂𝟎𝐁𝟎𝐀𝟎000000000000000001010000000100100200000010001103000000110100040000010001010500000101011006000001100111070000011110000800001000100109000010011010100001000010111100010001根据真值表可写出各个输出的逻辑表达式：D1=0C1=0𝐵1=0A1=𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴D0=𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴-8-C0=𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴B0=QD𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+QD𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴𝐴0=𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴+𝑄𝐷𝑄𝐶𝑄𝐵𝑄𝐴用卡诺图化简逻辑函数，可得与或最简式:由于D1𝐶1𝐵1已经最简，不需化简，即D1=0、C1=0、𝐵1=0；其他逻辑函数的化简如下：1）A1卡诺图：可得A1=𝑄𝐷𝑄𝐵2)D0卡诺图：可得D0=QD𝑄𝐵QD𝑄𝐶QB𝑄𝐴0001111000000001000011dddd100011QD𝑄𝐶QB𝑄𝐴0001111000000001000011dddd101100-9-3)C0卡诺图可得C0=𝑄𝐶4)B0卡诺图可得B0=𝑄𝐷𝑄𝐵5)A0卡诺图可得A0=𝑄𝐴QD𝑄𝐶QB𝑄𝐴0001111000000001111111dddd100000QD𝑄𝐶QB𝑄𝐴0001111000001101001111dddd100000QD𝑄𝐶QB𝑄𝐴0001111000011001011011dddd100110-10-用与门和非门实现此逻辑函数的逻辑图，如图2.1.2所示:图2.1.2四路彩灯状态显示逻辑电路2.2系统物理结构设计2.2.1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，CLR=𝑄𝐴𝑄𝐵𝑄𝐶𝑄𝐷，所以需要74LS20一片，74LS04一片。由分析可得所用器材表如下：表2.2.1循环控制电路器材表器材数量74LS1612片74LS201片74LS041片-11-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2.2.1是74LS161的功能真值表。表2.2.274161功能真值表输入输出CLK𝐂𝐋𝐑𝐋𝐎𝐀𝐃ENPENTABCD𝐐𝐀𝐐𝐁𝐐𝐂𝐐𝐃x0xxxxxxx0000↑10xxABCDABCDx110xxxxx保持x11x0xxxx保持↑1111xxxx计数2.2.2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：D1=0、C1=0、𝐵1=0、A1=𝑄𝐷𝑄𝐵、D0=QD𝑄𝐵、C0=𝑄𝐶、B0=�