数电课程设计

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1摘要 ................................................................. 1 2设计内容及要求 ....................................................... 1

2.1设计目的 ........................................................ 1 2.2设计要求 ........................................................ 1 2.3设计思想 ........................................................ 2 3仿真软件介绍 ......................................................... 2

3.1 Multisim 仿真软件的介绍 ........................................ 2 3.2 Multisim11.0 仿真软件的优点 .................................... 2 4方案确定及整体电路工作原理 ........................................... 4

4.1方案设计与分析 .................................................. 4 4.2汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系 ............................ 4 4.3汽车尾灯控制器功能描述 .......................................... 5 4.4汽车尾灯控制器电路的工作原理 .................................... 6 5电路单元模块设计 ..................................................... 6

5.1秒脉冲电路的设计 ................................................ 6 5.2开关控制电路的设计 .............................................. 8 5.3三进制计数器电路的设计 .......................................... 9 5.4译码与显示驱动电路的设计 ....................................... 10 5.5尾灯状态显示电路的设计 ......................................... 12 6 电路仿真与分析 ...................................................... 13

6.1 电路仿真总电路图 .............................................. 13 6.2参数计算与器件选择 ............................................. 13 7仿真分析 ............................................................ 13 8元器件清单 .......................................................... 14 心得体会 .............................................................. 16 参考文献 .............................................................. 18

武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书

1摘要

课程设计作为数字电子技术和模拟电子技术课程的重要组成部分，目的是一方面使我们能够进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力以及分析,解决问题的能力。

本文介绍了一种通过TTL系列产品设计模拟汽车尾灯工作情况电路的方法。主要阐述了如何通过555系列来制作脉冲产生器，如何利用J-K触发器改制三进制的计数器和译码器的使用等一系列方法。实验通过发光二极管模拟汽车尾灯来实现了汽车在行驶时候的四种情况：正常行驶，左拐弯，右拐弯，临时刹车。

在设计的过程中应该本着元件通用化，成品化，以满足大规模生产的要求，以便在日后产品的更新维护能够更好的方便的进行。同时也要尽量减少设计过程中竞争冒险现象出先的概率。使产品在使用过程中能够稳定的运行，达到良好的无故障率。二者必须达到一定的标准，才能在工厂进行量产。

关键字：汽车尾灯，脉冲，计数器，译码器，行驶情况

2设计内容及要求

2.1设计目的

设计一个汽车尾灯控制器，实现对汽车尾灯状态的控制。

2.2设计要求

在汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（假定用发光二极管模拟），根据汽车运行的状况，指示灯需具有四种不同的状态：1)汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯处于熄灭状态； 2）汽车向右转弯行驶时，右侧的三个指示灯按右循环顺序点亮； 3）汽车向左转弯行驶时，左侧的三个指示灯按左循环顺序点亮； 4）汽车临时刹车时，左右两侧指示灯处于同时闪烁状态。

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2.3设计思想

通过555系列来制作脉冲产生器，利用J-K触发器改制三进制计数器和译码器的使用等一系列方法。实验通过发光二极管模拟汽车尾灯来实现了汽车在行驶时候的四种情况：正常行驶，左拐弯，右拐弯，临时刹车。随后运用软件中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。待所有模块的功能正确之后，运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求，最后做成实物，进行验证。

3仿真软件介绍

3.1 Multisim 仿真软件的介绍

1) 通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路； 2) 通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为； 3) 借助高级电路分析,理解基本设计特征；

4) 通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试； 5) 通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。

Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

3.2 Multisim11.0 仿真软件的优点

1)直观的图形界面

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。

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2)丰富的元器件

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

3)强大的仿真能力

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、FR仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

4)丰富的测试仪器

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量，这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。

5)完备的分析手段 6)独特的射频(RF)模块

提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。

7)强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

8)完善的后处理

对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。

9)详细的报告

能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告。

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10)兼容性好的信息转换

提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）。

4方案确定及整体电路工作原理

4.1方案设计与分析

方案一：该方案通过74LS160或74LS161计数器构成能产生00、01、10三种状态循环的信号。

方案二：通过双 J-K 触发器 74LS76来产生00、01、10的三种状态信号。方案三：通过D触发器产生00、01、10的三种状态信号。方案四：通过T触发器产生00、01、100的三种状态信号。

第一种方案非常简单，但是该方案在模拟时发现，由于计数器竞争冒险的存在，使得尾灯在闪烁时总会出现不自然的中间过程，所以不推荐使用。相对的是第二种方案，效果是最好的，电路结构简单，成本低，所以选用此方案。第三种方案，由于电路结构较之上一方案有点复杂，而且需要芯片比较多，成本较高，因此不采用此方案。

4.2汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系

为了区分汽车尾灯的4种不同的显示模式，需设置2个状态控制变量。假定用开关K1和K0进行显示模式控制，可列出汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系，如表2.1所示。

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表4.1 汽车尾灯和汽车运行状态

开关控制 K1 K0 0 0 1 1 0 1 0 1 汽车运行状态正常运行右转弯左转弯临时刹车左转尾灯 D1 D2 D3 灯灭按D3、D2、D1顺序循环点亮灯灭右转尾灯 D4 D5 D6 灯灭灯灭按D4、D5、D6顺序循环点亮所有尾灯同时闪烁 4.3汽车尾灯控制器功能描述在汽车左右转弯行驶时由于3 个指示灯被循环顺序点亮，所以可用一个三进制计数器的状态控制译码器电路顺序输出高电平，按要求顺序点亮3个指示灯。设三进制计数器的状态用Q1和Q0表示，可得出描述指示灯D1、D2、D3、D4、D5、D6与开关控制变量K1、K0，计数器的状态Q1、Q0以及时钟脉冲CP之间关系的功能表如表2.2所示（表中指示灯的状态“1”表示点亮，“0”表示熄灭）。表4.2 汽车尾灯控制状态显示开关控制 0 0 1 1 0 1

1 0 三进制计数 × 0 0 1 0 0 1 × × 0 1 0 0 1 0 × 0 0 0 0 0 0 1 CP 0 0 0 0 0 1 0 CP 0 0 0 0 1 0 0 CP 六个指示灯 0 1 0 0 0 0 0 CP 0 0 1 0 0 0 0 CP 0 0 0 1 0 0 0 CP 5

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根据以上设计分析与功能描述，可以得出汽车尾灯控制器的结构框图，如图所示。

图4.3 汽车尾灯控制器的结构框图

根据以上设计分析与功能描述，可得出汽车尾灯控制器的结构框图。整个电路可由秒脉冲电路、开关控制电路、三进制电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示电路5部分组成。

4.4汽车尾灯控制器电路的工作原理

首先，通过555定时器构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提供给双J-K触发器构成的三进制计数器和开关控制电路中的三输入与非门的输入信号。

其次，J-K触发器构成的三进制计数器用于产生00、01、10的循环信号，此信号提供左转、右转的原始信号。

最后，左转、右转的原始信号通过6个与非门，6个非门以及74LS10提供的高低电位信号，将原始信号分别输出到左、右的3个汽车尾灯上。得到的信号即可输出到发光二极管上，实现所需功能。

5电路单元模块设计

5.1秒脉冲电路的设计

方案一：石英晶体振荡器；

此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的值无关。所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是频率不能调

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节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。

方案二：由555定时器构成的多谐振荡器；

由555定时器构成的多谐振荡器。555定时器的管脚图如图5.1所示。由于555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很小。所以由555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰，因此采用此方案。图5.1是 555定时器的引脚图。

图5.1 555定时器的引脚图

由于本次实验对脉冲的要求不高，同时为了保证二极管的闪烁适宜，可以让脉冲周期设定为一秒左右即可。

由555定时器构成的多谐振荡器时输出频率为： T1?(R1?R2)Cln2 T2?R2Cln2 则电路的震荡周期为

T?T1?T2?(R1?2R2)Cln2 震荡频率为

f?1经过计算，这里选择R1=10KΩ，R2=510KΩ，C=1.4uF，则输

ln2C(R1?2R2)出信号为1HZ（周期为1秒）。

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图5.2 555定时器的电路图

5.2开关控制电路的设计

设译码器与显示驱动电路的使能控制信号为G和F，G与译码器74LS138的使能输入端G相连接，F与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。由总体逻辑功能可知，G和F与开关控制变量，K1、K0以及时钟脉冲CP之间的关系如表5.3所示。表5.3 使能控制信号与开关控制变量、时钟脉冲的关系时钟脉使能控制信冲号电路工作状态 CP G F 汽车正常行驶（此时译码器不工作，译码器输出全× 0 1 部为高，显示驱动电路中的与非门输出均为低，反相器输出均为高，尾灯全部熄灭）汽车右转弯行驶（此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输× 1 1 出，右侧尾灯D1、D2、D3在译码器输出作用下顺序循环点亮）汽车左转弯行驶（此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输× 1 1 出，左侧尾灯D4、D5、D6在译码器输出作用下顺序循环点亮）汽车临时刹车（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，时钟脉冲cp通过显示驱动电路中的与非cp 0 cp 门作用到反相器输出端，使左右两侧的指示灯在时钟脉冲cp作用下同时闪烁） 8 开关控制 K1 0 K0 0 0 1 1 0 1 1 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书

根据G和F的逻辑表达式，可画出开关控制电路。如图5.4所示

图5.4 开关控制电路

5.3三进制计数器电路的设计

表5.5 三进制计数器的状态表

现态 Q1 0 0 1 1 Q0 0 1 0 1 次态 Q1 0 1 0 d Q0 1 0 0 d 9

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由J-K触发器构成的三进制计数器：图5.6为74LS76引脚图，利用74LS76实现三进制计数电路如图5.7所示。

图5.6 74LS76芯片引脚图图5.7 三进制计数器

5.4译码与显示驱动电路的设计

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，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用74LS138、6个与非门和6个反相器构成。译码器74LS138的输入端C、B、A分别接K1、Q1、Q0。

当G=F=1、K1=0,K0=1时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D1、D2、D3对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D1、D2、D3依次顺序点亮，示意汽车右转弯；当图中G=F=1、K1=1，K0=0时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D4、D5、D6对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D4、D5、D6依次顺序点亮，示意汽车左转弯；当G=0，F=1时，译码器输出为全1，使所有指示灯对应的反相器输出全部为高电平，指示灯全部熄灭；当图中G=0，F=cp时，所有指示灯随cp的频率闪烁。实现了4种不同模式下的尾灯状态显示。图5.8为74LS138译码器引脚图,表5.9为74LS138译码器的功能真值表，图5.10为74LS138译码器接法。

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图5.8 74LS138译码器引脚图表5.9 74LS138功能表

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图5.10 74LS138控制译码显示电路

5.5尾灯状态显示电路的设计

尾灯状态显示电路可由6个发光二极管和6个电阻组成，图5.11中，当6个反相器的输出为低电平时，相应发光二极管被点亮。

图5.11 二极管发光电位

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6 电路仿真与分析

6.1 电路仿真总电路图

6.2参数计算与器件选择

电阻: R1=10KΩ，R2=510KΩ，C=1.4μF,Cf=100pF,其他电阻可选为1kΩ。发光二极管上拉电阻：由于红色发光二极管的压降为2V左右，而电源电压才5V,为了使二极管发光强度达到要求，上拉电阻不能太大，大约15Ω左右。