武汉理工大学《数字电路》课程设计说明书摘 要本课程设计主要介绍了一种基于集成芯片与逻辑门的汽车尾灯显示控制电路的设计方案，主要阐述了通过555 系列来制作脉冲产生器，任意进制的计数器和译码器的改用等一系列方法，以及显示驱动和模式控制的电路设计设计通过发光二极管模拟汽车尾灯实现了汽车尾灯在汽车不同行驶状态下通过开关对其的控制，主要实现的功能有：汽车正常行驶六个尾灯均不亮，左转弯三个左尾灯依次点亮，右转弯三个右尾灯依次点亮，突然刹车或接受检查六个尾灯闪烁整个设计过程中我运用了有关集成芯片及逻辑门等基本数电知识，先设计出原理图然后进行电脑仿真，仿真无误后做成实物，经调试所做实物能满足设计要求关键词：集成芯片 逻辑门 汽车尾灯 脉冲发生电路1．相关芯片介绍1.1 555定时器相关介绍1.1.1 555定时器的原理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一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。
其电路图1-1所示：图1-1 555定时器电路原理图运算放大器的工作状态如下：（1） 同时输出高电平（6端输入小于2/3Vcc，2端的输入电压大于1/3V），将使基本RS触发器处于保持工作状态，（2） 同时输出低电平(6端输入大于2/3Vcc,2端的输入电压小1/3Vcc)，将使基本RS触发器出器处于不定工作状态这种情况下基本RS触发器的两个输出端同时输出高电平，晶体管截止3） 集成运算放大器的A1输出高电平，A2输出低电平（6端输入小于2/3Vcc，2端得输入电压小于1/3Vcc），将使基本RS触发器处于置“1”工作状态，晶体管截止4） 集成运算放大器的A1输出低电平，A2输出高电平（6端输入大2/3Vcc，2端得输入电压大于1/3Vcc），将使基本RS触发器处于置“0”端，晶体管导通表1-1 555定时器的逻辑功能表1.1.2 555定时器构成施密特触发器门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压 它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号 当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的. 1-2 施密特触发器原理图 图1-3 图1-3 施密特触发器电压传输特性 图1-4 施密特触发器波形图1.1.3 555定时器构成的多些震荡器多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器其工作原理是：接通电源之前，由于555定时器组成的多谐振荡器处于没有工作电源，不能正常工作的状态，其输出为高阻态，不能提供时钟脉冲当接通电源瞬间，C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为零，即出现6端输入电压小于2/3Vcc，2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，集成运算放大器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置“1”工作状态，输出信号Vo为高电平，是晶体管截止，电源Vcc经R1、R2、C2到公共端对电容C2充电这种情况一直维持到C2的两端电压略超过2/3Vcc当C2的两端电压略超过2/3Vcc时，出现6端输入电压大于2/3Vcc，2端输入电压大于1/3Vcc的情况，集成运算放大器A1输出低电平，A2输出高电平，基本RS触发器清零工作状态，输出信号Vo为低电平，使晶体管导通，电容C2经C2、R2、晶体管T到公共端放电这种情况一直维持到C2两端的电压略低于1/3Vcc此后又重新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出经分析可得 输出高电平时间 t1=(R5+R6)C2Ln2=0.7（R5+R6）C2 输出低电平时间 t2=R6C2Ln2=0.7R6C2振荡周期 T=t1+t2输出方波的占空比为 图1-4 555电路组成的多些震荡器原理图图1-5多谐振荡器的工作波形1．2其他相关芯片的介绍（1）74ls16174LS161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。
图1-6 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)表1-2 72LS161功能表输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 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 Q2 Q1 Q0 1 ↑ 1 Ф 0 Ф Ф Ф Ф Q3 Q2 Q1 Q0 1 ↑ 1 1 1 Ф Ф Ф Ф 状态码加1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174LS161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2）74LS13874LS138 为3 线－8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式 其工作原理如下：①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号 ②利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器 ③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器 图1-7 74LS138的引脚图表1-3 74LS138的功能表在本次课程设计中，还要用到非门74LS04，三输入与非门74LS10.，异或门74LS86，二输入与门74LS08，以及二输入与非门74LS00由于此类芯片较为常见，也较为基础，掌握也很简单，在这里就不做介绍2. 单元电路的设计与原理2.1 开关模式控制电路设译码与显示驱动电路的使能控制信号分别为E和F，E与译码器74LS138的使能输入端E1相连接，F与显示驱动电路中与门的一个输入端相连接。
由要求实现的逻辑功能可知，E、F与开关K1，K0以及时钟脉冲CP之间的关系如下表2-1所示：表2-1 E、F、K0、K1、CP与电路逻辑功能的关系逻辑开关K1 K0时钟脉冲CP使能信号E F电路工作状态0 0无0 1汽车处于正常行驶状态，译码器不工作，输出全为高，与门输出为高，6个尾灯全部熄灭 0 1无1 1汽车右转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现右尾灯循环点亮1 0无1 1汽车左转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现左尾灯循环点亮1 1CP0 CP汽车紧急刹车或接受检查，译码器不工作，输出均为高，时钟信号经过与门使6个尾灯全部闪烁控制开关通过一个电阻与Vcc相接，另一端与地相接就可以实现控制输出为0和1的功能整体开关与模式控制电路原理图如下图2-1图2-1开关模式控制电路原理图2.2译码与显示驱动电路译码与显示驱动电路的功能是：在开关控制电路输出和三进制计数器状态的作用下，提供6个尾灯控制信号分别作用于6个尾灯（用发光二极管模拟），当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，响应指示灯点亮。
因此，译码与显示驱动电路可用74LS138、与门和与非门构成发光二极管可通过一端与译码器输出相连，另一端经一个电阻与电源相连，这样便可实现通过译码器的输出来控制发光二极管的亮灭译码与显示驱动电路原理图如图3.4-2所示图2-2 译码与显示驱动电路原理图该电路的工作基本原理如下：当E=F=1、K1=0时，计数器的Q1Q0输出状态分别为00、01、10；则译码器的CBA三个输入端一次分别输入为000、001、010，对应的输出Y0Y1Y2端为低电平其余输出端均为高电平，实现与之相连的三个发光二极管LED1、LED2、LED3（即对应汽车右尾灯R1、R2、R3）依次顺序点亮，即实现汽车在右转弯时其3个右尾灯依次顺序点亮同理，当E=F=1、K1=1时，计数器的Q1Q0输出状态分别为00、01、10；则译码器的CBA三个输入端一次分别输入为100、101、110，对应的输出Y4Y5Y6端为低电平其余输出端均为高电平，实现与之相连的三个发光二极管LED4、LED5、LED6（即对应汽车左尾灯L1、L2、L3）依次顺序点亮，即实现汽车在左转弯时其3个左尾灯依次顺序点亮当E=0、F=1时，译码器不工作，输出均为高电平，使所有发光二极管全熄灭，即实现汽车正常行驶时，所有尾灯处于熄灭状态。
当E=0，、F=CP时，译码器不工作，输出均为高电平，所有发光二极管在CP作用下实现CP高电平时亮CP低电平时灭的闪烁状态，即实现汽车突然刹车或接受检查时，所有尾灯处于闪烁状态2.3 三进制计数电路三进制计数电路可以由JK触发器或D触发器级联构成，也可以由集成计数器加上逻辑门改造而成，由于直接用集成计数器改造的计数器电路简单，所以本课程设计选择用常用的十六进制集成计数器74LS161来改成三进制计数器十六进制集成计数器74LS161的管脚图及功能表分别如下：由上述第一章知识74LS161的功能表可知，当把Q1与Q0作为与非门的输入端，输出端接到CR异步清零端，即可以通过反馈清零的方法构成三进制加法计数器，即Q0与Q1实现00——01——10——00的循环，其电路结构如图3.2-3所示图2-3 由74LS161构成的三进制计数器其工作原理是：将74LS161的脉冲输入端2脚接入由555定时器构成的多谐振荡器的输出，接受由其提供的秒脉冲触发，74LS161开始计数工作，由于四个输入端均接地初始状态为0000，每接收一个CP脉冲，在时钟脉冲的上升沿时递增1输出变成0001，按规律依次递增到地四个CP脉冲的上升沿时，由于输出此时变为0011，二输入与非门74LS00的两个输入端均为1，输出为0送到74LS161的清零端CR对计数器进行清零，使计数器回到初始状态0000，在下一个CP脉冲的上升沿到来时继续按前述过程循环计数。
由于74LS161是异步清零，其清零信号0011维持时间极短，不能算为有效信号，故整个电路实现0000——0001——0010——0000这样的三进制加法循环计数功能2．4 脉冲信号产生电路由于NE555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响小，由555定时器构成的多谐振荡器频率较稳定，不易受干扰；且此控制电路对秒脉冲的精度要求不是很高，所以选用有555构成的多谐振荡器作为脉冲电路，其原理图如下图2-4图2-4 由555定时器构成的多谐振荡器其具体工作原理见第一章555定时器构成多谐振荡器的相关内容3. 总原理图设计与仿真3.1电路总原理图3-1 电路总原理图3.2元件参数的选择由电路原理可知：电容充电过程的初始状态为1/3Vcc，终止状态为2/3Vcc,稳定状态为Vcc，充电的时间常数为τ1=（R7+R8）C2电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2/3Vcc，终止状态为1/3Vcc，稳定状态为0，放电的时间常数为τ2=R8C2根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充放电过程所用的时间。
充电所用时间，即脉冲高电平维持时间为：t1=（R7+R8）C2㏑2=0.7（R1+R2）C2放电所用时间，即脉冲低电平维持时间为：t2= R8C2㏑2=0.7R8C2所以，脉冲周期时间为：t= t1+ t2=0.7（R7+2R8）C2脉冲频率为：F=1/t=1.43/（R7+2R8）C2由于本次设计要求555构成的多谐振荡器输出频率为1赫兹的脉冲，故可选择R7=43KΩ，R5=50KΩ，C2=10nF来保证输出脉冲周期为1秒由于电路中主要选用的是芯片来构成，其附属元件如电阻、电容等用的比较少，而且电阻只是起到实现高低电平的作用对其阻值没有太高要求，不会影响电路的逻辑功能，故电路中其他模块里面的电阻统一选定为阻值330Ω的电阻即可3.3仿真结果（1）发光二极管的仿真结果J1，J2均关闭时，六个发光二极管全灭J1打开，J2关闭，LED1，LED2，LED3依次亮，LED4，LED5，LED6不亮JI关闭，J2打开，LED1，LED2，LED3不亮，LED4，LED5，LED6依次亮J1，J2均打开 ，六个发光二极管都在闪（2）多谐振荡器输出仿真结果图3-2 多谐振荡器仿真结果（3）三进制输出仿真结果 其中1为A的输出波形，2为B的输出波形3-3三进制输出仿真结果3.4仿真分析（1）二极管仿真结果分析开关关闭，则该处输入的为高定平，所以记为“1”，反之，开关打开，输入的为低电平，所以记为“0”。
那么经过分析可以得出：逻辑开关K1 K0时钟脉冲CP使能信号E F电路工作状态0 0无0 1汽车处于正常行驶状态，译码器不工作，输出全为高，与门输出为高，6个尾灯全部熄灭 0 1无1 1汽车右转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现右尾灯循环点亮1 0无1 1汽车左转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现左尾灯循环点亮1 1CP0 CP汽车紧急刹车或接受检查，译码器不工作，输出均为高，时钟信号经过与门使6个尾灯全部闪烁（2）多谐振荡器仿真输出结果分析：由仿真结果可以看出，555定时器所构成的多谐振荡器可以输出矩形方波，其具体原理分析见第一章相关知识3）三进制仿真输出结果分析：由仿真结果可以看出，1和2共同构成了一个三进制循环，器具体原理分析见第二章相关知识4. 心得与体会本次课程设计是我第二次做课程设计，有了上学期得模电课程设计的经验后，这次做得还算比较顺利，基本上能够避免出现第一次由于不熟悉带来的程序运行，报告排版等问题通过本次课设我受益匪浅，尤其是对我的数电的理论知识的巩固与提高，并将所学理论与实际操作和设计结合让我更深刻的理解和贯通了理论知识。
同时，在课程设计的过程中我也发现了很多问题和自己的不足之处，这些都有利于我以后改进和提高，为将来打下牢固的知识基础这次课设不仅使我的动手能力大幅提高，也锻炼我的意志品质，提高了自学能力尤其是在实物的制作和报告的撰写过程中，我学到了很多以前不知道但是很重要的必备知识，更重要的是让我领悟到做事一定要认真仔细的去体会每一个要求，要做到稳扎稳打勤恳务实这才是求学应有的态度本次课设我主要运用到数字电子技术里面的中小型集成芯片即逻辑门的知识，并学习了仿真软件multisim的使用方法，两者互相结合完成了电路的设计与仿真，最后我动手操作自己完成了实物的焊接和调试，对我的动手能力和自己找问题排除困难的能力有很好的锻炼和加强虽然成功达到了设计要求，我自身也收获不少，但在制作和设计过程也出现了一些问题，这证明了我对一些方面的知识还掌握不够，还需要更进一步好好深造，希望下次课程设计能有更大的进步参考文献[1] 《数字电子技术基础》 伍时和 主编 .清华大学出版社，2009.[2] 《数字电子技术》 康华光 主编 .华中理工大学电子学教研室编，高等教育出版社，1999年6月第4版.[3] 《尾灯的原理》 电世界（月刊），第54期.[4]《数字电子技术基础》 阎石 主编 .高等教育出版社，2006.[5]《电子技术基础学习指导》 阎石 主编 .辽宁科技出版社，1985.[6]《Multisim2001电路设计及仿真入门与应用》 郑步生 主编.电子工业出版社，2002. 附录 原件清单555定时器U1NE5551只计数器U274LS1611只译码器U374LS1381只二输入与门U4～U974LS086只二输入与非门U1074LS001只三输入与非门U1174LS101只二输入异或门U1274LS861只非门U1374LS041只电阻R143kΩ1只电阻R250kΩ1只电阻R3330欧米茄8只电容C110uF1只电容C210nF1只发光二极管D1～D3红3只发光二极管D4～D6绿3只开关J1、J22只19。