数字电路逻辑设计
实
验
报
告
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设计课题：四路彩灯显示系统设计
1.设计任务和要求
设计一个四路彩灯控制器,设计要求如下：
（1）接通电源后，彩灯可以自动按预先设置的程序循环闪烁。
（2）设置的彩灯花型由三个节拍组成：
第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮，灯亮时间1s，共用4s；
第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭，也需4s；
第三节拍：四路彩灯同时亮0.5s,然后同时变暗,进行4次,所需时间也
为4s。
（3）三个节拍完成一个循环，一共需要12s。
一次循环之后重复进行闪烁。
2. 设计分析
四路彩灯既有四路输出，设依次为d Q、c Q、b Q、a Q，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表1所示的输出显示。
表1 四路彩灯输出显示
由上表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s 一个节拍，3个节拍共12s 后反复循环。
一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。
分频及节拍控制可以用一个模12计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。
同时亮0.5s 、同时灭0.5s 可考虑把1Hz 的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。
综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。
记第一，二，三节拍分别为012Y YY 有效时间应为4秒，0Y 结束1Y 马上开始，1
Y 后2Y 马上开始，如此循环不断。
为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。
由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。
应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即012Y YY 节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。
为实现0Y 功能要求器件具有右移功能，为实现1Y 功能要求器件有左移功能；而且左、右移输入可为“0”也可为“1”；为实现2Y 功能，要求器件同时具有并行置数功能。
因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。
74LS194具有并行输入端A 、B 、C 、D ，并行输出端A Q 、B Q 、C Q 、D Q ，右移输入端SR ，左移输入端SL 和模式控制输入端0S ，1S 以及一个无条件直接清除端CLR 。
模式控制输入0S ，1S 有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即禁止、右移、左移和并行置数。
为了使当
012Y YY =100时，01S S =01（右移），012Y YY =010时，01S S =10（左移），当012Y YY =001时01S S =11（并行置数）。
74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端01S S 的状态被确
定下来，即 012Y YY
=100时，01S S =01 右移串行数据输入端 SR 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，
当012Y YY
=010 01S S =10 左移串行数据输入端 SL 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒，012Y YY
=001 01S S =11 并行数据输入端 A 、B 、C 、D 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP 脉冲。
3. 设计方案
分析以上设计任务，该控制系统完成如图3-4所示的控制流程，系统结构框图如图3-5所示。
其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz 的时钟信号；分频器将1Hz 的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz （即4S ）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。
系统控制流程图及控制系统结构框图如下图所示：
图1：四路彩灯控制流程图
图2：四路彩灯控制系统结构框图
4. 设计实现
下图为四路彩灯显示的一种简易实现电路。
该电路选用同步十六进制计数器74161实现模12分频及节拍控制，用4位双向移位寄存器74191实现彩灯的渐亮、渐灭功能。
图3：四路彩灯显示系统的一种实现电路
四路彩灯显示系统的工作过程如表2所示。
74161的输出为0123Q QQ Q ；74194的输出为A B C D Q Q Q Q ；四路彩灯的输出为a b c d Q Q Q Q 。
74194的工作方式控制端
132M Q Q =+，032M Q Q =+。
在第一节拍中，1001M M =，74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把1SR D =逐次移进；在第二节拍中，1010M M =，74194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把0SR D =逐次反方向移进。
由于前两个节拍中30Q =，门G 关闭，输出为0，因此四路彩灯的输出a b c d A B C D Q Q Q Q Q Q Q Q =。
在第三节拍中，1010M M =，74194仍然左移，A B C D Q Q Q Q 一直保持为0000。
此时
31Q =，门G 打开，时钟脉冲CP 同时加到四个输出端a b c d Q Q Q Q ，由于CP 是1Hz 秒脉冲，在1s 时间内高电平和低电平持续时间均为0.5s ，因此a b c d Q Q Q Q 实现同时
亮0.5s、同时灭0.5s，在4s内共进行4次。
第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复，实现四路彩灯循环显示。
表2 四路彩灯工作过程
5. 四路彩灯系统程序表
6. 设计说明
利用74LS02N 节拍控制器、74LS74D 组成的四分频电路，74LS194D 左右双向移位。
下面是它们的引脚图：
7. 所需器件
74LS74D 5个、74LS194D 1个、74LS02N 2个、74LS05N 2个、开关 1个、时钟源10000 HZ 5V 1个、5V 电压源 1个、探灯4个、导线若干条。
8. EDA仿真电路图
通过EDA仿真，该电路可以实现实验要求的四路彩灯显示系统及其循环。
9. 设计实现功能
系统启动后按开关两次, 自动从初始状态按照规定程序完成3个节拍的循环演示。
第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮。
第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭。
第三节拍：四路彩灯同时亮,然后同时变暗。
10. 实际电路的连接和调试
按照仿真的电路图和上面芯片的引脚图在面包板上连好线路，经检查无误后，接通电源可看到四个二极管都亮，拔动开关，调好脉冲，观察二极管的变化，可以看到电路和仿真的一样。
11. 设计应用
该设计制作成饰灯,增加彩灯的数量可现实所需要的图形输出，作闪烁灯光使用可应用于商业广告或者霓虹灯和家居装饰品。
12. 参考文献
白静.数字电路与逻辑设计西安电子科技大学出版社，2009.
13. 经验总结
通过本学期对数字电路逻辑设计一书的学习，课程结束后完成了本次课程设计。
在此次课程设计实验中，通过查找资料和网上搜索相关资料，我学会了寄存器的使用方法，熟悉了寄存器的一般应用，基本掌握了数字系统设计和调试的方法。
在这个数字电路中我们可以观测到，当输入“12”个脉冲以后，输出数据回到起始值，12个脉冲构成一组循环，因此，可以把该电路作为一个“12”进制的计数器。
通过本课程设计我基本掌握了数字系统的仿真与设计方法。
使我认识到在实际电路的连接时，要注意每一个引脚的接法，在选双开关时，面板上没有，要引线接双开关。
通过脉冲的调节可观察二极管的变化。
由于实物的连接和电路仿真软件有差别，要经过多次调试才能实现其功能的演示。
通过本次课程设计的学习，更加熟悉电路仿真软件的应用和实现电路的仿真，是一次难得的学习机会。