时序电路设计实验

一、设计任务与要求

1. 彩灯电路，循环速度肉眼可辨。

2. 可实现2灯循环，3灯循环，…，8灯循环。最少6灯，可扩展成可逆循环。 3. 要求有功能扩展。

二、总体电路设计

1．原理框图

2. 整体设计电路图

数字显示电路

VCCR2100kΩ100%Key=ARSTVCCA1VCCOUTRPACK 8R4180 Ω LED9R1100kΩC20.1µFDISTHRTRICONJ3AKey = A GNDLED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8J5C10.01µF555_VIRTUALKey = SpaceR3VCC1011121312345D0D1D2D3D4D5D6D7EIU5A0A1A2GSEO9761415123645ABCU2Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715141312111097345672910111ABCDSLSRS0S1~CLRCLKU1QAQBQCQD15141312345672910111ABCDSLSRS0S1~CLRCLKU3QAQBQCQD15141312RPACK 8G1~G2A~G2B300 Ω J15VCC74LS148N74LS138N74LS194NJ13VCC5VR12100kΩ74LS194NVCC74LS04NJ1U4AU6151109111454ABCD~LOADCLRUPDOWNQAQBQCQD~BO~CO32671312Key = SpaceJ12Key = SpaceJ2VCCKey = SpaceJ14C30.33µFKey = Space74LS193NKey = Space

3.电路整体分析

本电路大体可分为四部分：时钟信号部分、编译码部分、移位寄存器和彩灯显示部分。555芯片及74LS193产生移位所需时钟并通过分频控制彩灯移动速度，编译码部分控制循环彩灯的个数，移位寄存器74LS194控制彩灯的循环移动，最终通过彩灯显示。

功能实现说明：

（1）通过电位器和频率选择开关J12、J13、J14控制彩灯循环移动速度 （2）J1、J2分别接高电平和与非门输出，并把J5与LED8连通，循环右

移，拨码开关低（断开）有效，从D0到D7依次实现1-8灯循环，并且多灯的优先级高于少灯优先级。

（3）J1、J2分别接通与非门输出和高电平，并把J5与LED0连通，循环

左移，拨码开关低（断开）有效，从D7到D0依次实现1-8灯循环 并且少灯的优先级高于多灯优先级。

（4）J1、J2都接高电平时置位显示开关状态

（5）J1、J2都接反相器输出时状态保持，相当于暂停循环

各部分电路具体的功能实现将在下面讲解。 4. 元件清单

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数字显示电路

 拨码开关×1、拨动开关×6、按键开关×1  八位300Ω排阻×2  555芯片×1

 8—3线优先编码器74LS148×1  3-8译码器74LS138×1  16进制计数器74LS193×1  反相器74LS04×1  LED彩灯×16

 电阻100k×2、电位器100k×1  电容0.1uF 0.33uF 0.01uF各一  导线等若干

三、单元电路分析

1. 时钟信号部分

（1）555电路构成的多谐振荡器

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数字显示电路

本部分是555电路构成多谐振荡器，用于产生电路所需的时钟信号，由5伏直流电源通过本部分电路直接产生频率可控的交流信号。其输出波形如图

多谐振荡器的波形决定于电容的充电和放电时间，的充、放电时间常数: TPH≈0.7(R1+R2)C2 TPL≈0.7R2C2 周期：T = TPH +TPL ≈0.7(R2+2R1) C2

考虑到人眼能分辨的短频闪周期约为40mS，本电路还有后续的分频电路，因此设计当电位器接入电路从0开始波动时，输出脉冲的周期变化范围是14mS-21mS，这样经过74LS193的2、4、8、16分频后仍然能看清LED的闪烁。

（2）分频器部分

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数字显示电路

当up端接入时钟后，在时钟上升沿来临时，计数器从0开始计数QA端依次输出0101010...，QB端依次输出00110011…，QC端依次输出0000111100001111…QD端依次输出0000 0000 1111 1111.从而分别实现对输入时钟的2分频、四分频、八分频、16分频。各端时序如图所示 CP QA QB QC QD

从输出的波形可以看到，四个端口分别实现了四种分频输出

2.编译码部分

总电路如图所示，该部分包括300Ω电阻排、拨码开关、编码译码芯片

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数字显示电路

通过编码译码使最终的输出只有一个端口为低电平，其他都为高电平，与低电平相连的LED彩灯发光。

拨码开关实现高低电平转换输入电路：

开关打开时输出高电平，开关闭合时输出接地为低电平，这种接法省去了单刀双掷开关简化了电路焊。3.移位寄存器部分

U1345672ABCDSLSRS0S1~CLRCLKQAQBQCQD15141312345672910111ABCDSLSRS0S1~CLRCLK

U3QAQBQCQD1514131274LS04NU4AVCC5VR12100kΩ910111J174LS194NC30.33µF74LS194NKey = SpaceJ2Key = Space

两个四位双向移位寄存器连接实现八位双向移位功能，方向由单刀双掷开关控制S0 S1分别为10时右移，01时左移。每次循环的末尾反相器输入低电平，输出高电平，从而使寄存器重新置位，开始下次循环。

74LS194在时钟上升沿来临时状态翻转，应该在电源接通时清零以实现自启动。这个过程发生在时钟的第一个上升沿来临之后，因此启动电路的时间常数必须大于最大时钟周期的二分之一。

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数字显示电路

4.LED显示部分

LED工作电流为十几毫安到几十毫安，压降为0.7v，TTL最大输出电流为20毫安，因此选取300Ω左右电阻，工作电流约为15毫安，LED正常发光。

LED工作电流为十几毫安到几十毫安，压降为1.7v，TTL最大输出电流为20毫安，因此选取300Ω左右电阻，工作电流约为15毫安，LED正常发光。

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