数字显示电路

数字电子技术综合实验一 数字显示电路 组员： 目录 ● 一、实验目的  …………………………………………………….    3 ● 二、要求  ……………………………………………..    4 ● 三、各模块设计 …………………………………….    5 ● 四、电路的焊接成型及工作检测  ………………..    14 ● 五、实验感想及问题  ………………………..………….   14 ● 六、元件清单及制作费用………………………………………………..21 一、实验目的   数字显示电路实验将传统的4个分离的基本实验，即基本门电路实验，编码器、显示译码器、7段显示器实验，加法器实验和比较器实验综合为‘—个完整的设计型的组合电路综合实验。通过本实验，要求我们熟悉各种常用MSI组合逻辑电路的功能与使用方法，学会组装和调试各种MSI组合逻辑电路，掌握多片MSI、SSI组合逻辑电路的级联、功能扩展及综合设计技术，使我们具有数字系统外围电路、接口电路方面的综合设计能力。    本次实验的目的为： 1、掌握基本门电路的应用，了解用简单门电路实现控制逻辑。 2、掌握编码、译码和显示电路的设计方法。 3、掌握用全加器、比较器设计电路的方法。 二、设计要求 操作面板左侧有16个按键，编号为0到15，另正面板右侧配2个共阳7段显示器，操作面板图如图1所示。 图1：显示电路面板示意图 设计一个电路：当按下小于10的按键后，右侧低位7段显示器显示数字，左侧7段显示器显示0；当按下大于9的按键后，右侧低位7段显示器显示个位数字，左侧7段显示器显示l。若同时按下几个按键，优先级别的顺序是15到0。现配备1个4位二进制加法器74LS283，2个8线-3线优先编码器74LSl48，2个四2输入与非门74LS00，一个非门7404，2个显示译码器74LS47。 三、各模块设计方案 该数字显示电路为组合逻辑电路，可分为编码、译码和显示电路以及基本门电路、全加器电路。实验采用的主要器件有1个4位二进制加法器74LS283，2个8线-3线优先编码器74LSl48，2个四2输入与非门74LS00，一个非门7404，2个显示译码器74LS47。 1.各种芯片的功能介绍如下： ① 8—3线优先编码器74LSl48简介 在数字系统中，常采用多位二进制数码的组合对具有某种特定含义的信号进行编码。完成编码功能的逻辑部件称为编码器。编码器有若干个输入，对于每一个有效的输入信号，给与电平信号的形式表示的特定对象，产生惟一的一组二进制代码与之对应。 按照编码信号的特点和要求，编码器分为3类。即二进制编码器，可用与非门构成4-2线、8-3线编码器。二—十进制编码器，将0~9十进制数变成BCD码，如74LS147、优先编码器。 图2：74LSl48外引线排列图 74LS148是一种常用的8—3线优先编码器，其功能真值如表一所示。 74LS148功能表 输入 输出 1 × × × × × × × × 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 × × × × × × × 0 0 0 0 0 1 0 × × × × × × 0 1 0 0 1 0 1 0 × × × × × 0 1 1 0 1 0 0 1 0 × × × × 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 × × × 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 × × 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 × 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 芯片工作原理 74LS148是8-3线优先编码器，其外引线排列如图2所示。~为8个信号输入，低电平有效。为３位代码输出（反码输出）。为选通输入端，当=0时允许编码；当=1时输出和被封锁，编码被禁止。是选通输出端，级联应用时，高位片的端与低位片的端相连接，可以扩展优先编码功能。为优先扩展输出端，级联应用时可作为输出位的扩展端。 ②3—8线二进制显示译码器74LS47简介 译码是编码的逆过程，以码器的功能与编码器相反，它将具有特定含义的不同二进制代码辨别出来，翻译成对应的输出信号。 译码器也分成3类，二进制译码器如3—8线译码器74LS138。二—十进制译码器可实现各种代码之间的转换，例如74LS145。显示译码器，用来驱动各种数字显示器，如共阳极数码驱动器74LS47。 图3：74LS47译码器/驱动器外引线排列 芯片工作原理    74LS47是驱动共阳极数码管的译码驱动器。其外引线排列如图3所示。为了直接驱动指示灯，74LS47的输出是低电平作用的，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭。A、B、C、D接收二进制码输入，的输出分别驱动7段一码管的a、b、c、d、e、f和g段。 译码管有4个使能端，灯测试输入、静态灭灯输入，动态灭零输入、动态灭零输出。 74LS47功能表 当接低电平是，译码器各段输出低电平，数码管7段全亮，因此可利用此段输入低电平对数码管进行测试。是动态灭零输入使能端，当=1，=1，=0时，如果输入数码DCBA=0000，译码器各段输出均为高电平，数码管不显示数字（但输入其它数码，数码管仍显示），并且灭零输出为0。利用端，可对无意义的零进行消隐。是静态灭灯输入使能端，它与动态灭零输出共用一个输出端，当=0，不论DCBA为何状态，译码器各段输出均为高电平，显示器各段均不亮，利用可对数码管进行熄灭或工作控制。是动态灭零输出端，当=0、=0，、DCBA=0000时，且=0表示译码器处于灭零状态。端的设置主要用于多个译码器级联时，对无意义的零消隐。 ③集成加法器74LS283功能简介   全加器是实现二进制加运算的功能器件，然而人们更习惯于十进制的运算。用4位二进制加法器构成BCD码加法器，当运算结果（和）小于或等于1001时，BCD码加法与4位二进制加法结果相同；当和数大于1001，由于BCD码是逢十进一，而4位二进制加法是逢十六进一，因此要在组间进位方式上加一个校正电路，即在4位二进制数相加结果大于9时，电路在自动加6。如集成加法器74LS283 图4：74LS283外引线排列图 芯片工作原理 集成加法器74LS283是4位二进制超前进位全加器。外引线排列如图4所示。和分别为加数和被加数，为和数，为低位进位，为本进位。 74LS283逻辑功能表 输入 输出 A B ∑ L L L L L L L H H L L H L H L L H H L H H L L H L H L H L H H H L L H H H H H H 4、集成芯片74LS00功能简介 由于编码器输出的为反码，所以在编码器输出到加法器的中间加入了与非门用与对反码的反相成为原码。与非门芯片74LS00管脚如图三 图5：74LS00外引线排列图 图6中一，二，三，四非门和与非门。因为编码器只能有一片工作，在另一片不工作时其输出端为高电平，因此二，三，四与非门对工作片来说相当非门的作用。 2、电路图设计及原理、功能说明 数字显示电路设计电路图如图6所示： 图6：数字显示电路的组合电路图 电路工作原理 （1）编码、译码和显示电路     16线—4线编码器输入信号为~，低电平有效，而且的优先权最高，的优先权最低。输出、、、为4位二进制反码(即0000~1111)。可用第一片的输入端~。分别接～，第二片的~接~，显然第一片的优先权应高于第二片，只有当～无信号时才允许第二片工作。因此，将第一片的选通输出端和第二片的控制端相连，即可实现上述功能。通过与非门，将、、、取反。 （2）基本门电路、全加器电路 根据系统的要求，显示输入应为8421BCD码，可以采用加6的方法实现。当小于9时，直接输入；当大于9时，将BCD码加6(溢出后相当于减10)且十位进1，如图2—3所示，由74LS74的真值表可知面三引脚置高电平。 （3）实现数字显示无效零灭灯   在完成电路基本功能的基础上，我们探讨了数字显示部分高低位无效零灭灯的功能，将低位74LS148芯片的Ys连接到低位74LS47灭灯端，这样在无输入时Ys为低电平，使得低位数码管灭灯，使低位的无效零消去。因为高位只输出0或1，因此高位7447输入端ABCD中，只有A的输入电平产生变化，BCD均接地，且输出0时，A输入为低电平，输出1时，A输入为高电平，所以利用A进行高位的灭零，将A接入高位74LS47的灭灯端口，这样在应该显示零时，高位均无显示。如此，便达到了通电后高低位均无显示，输入0-9时只有低位显示，10-15时高低位同时显示，达到了灭零。 在74LS47与数码管之间应接有保护电阻。数码管有7个发光二极管组成，发光二极管是一种半导体发光器件，其特性是正向压降为1.6~1.8V，导通电流是5~20mA，当发光二极管接正向电压（且大于正向压降）是发光管导通并且发光，当发光二极管所接正向电压小于正向压降时，发光管不导通，不发光。使用发光二极管时要注意防止过高电压直接加在发光二极管两端形成大电流而烧坏二极管。一般在测量电路中串接限流电阻。在电路中，高电平值为5V，则电阻值为 R== (5-1.8) / 0..20=160 即保护电阻取值在200左右，实验中取220。 电路实现的功能概述 电路用两片74LS148，第一片为高位输入片，第二片为低位输入片，在高位工作时，要求低位禁止工作。电路通过将高位片的选通输出端接到低位片的控制输入端，当高位片工作时输出为高电平低位片不工作；当高位片不工作时，输出为低电平，低位片工作，因此实现了高低位优先级别。 由于编码器输出的为反码，所以在编码器输出到加法器的中间加入了与非门用与对反码的反相成为原码。因为编码器只能有一片工作，在另一片不工作时其输出端为高电平，因此三个与非门对工作片来说相当非门的作用。 用4位二进制加法器构成BCD码加法器，当运算结果（和）小于或等于1001时，BCD码加法与4位二进制加法结果相同；当和数大于1001，由于BCD码是逢十进一，而4位二进制加法是逢十六进一，因此要在组间进位方式上加一个校正电路，即在4位二进制数相加结果大于9时，电路在自动加6。电路如图5所示。 电路高位片工作时，输出为0，经反相器后为=1。当，有一个为高电平时（=1，=1时为1010，即数字10）经过三个与非门后输出为高电平，所以加法器加6。同时高位译码器输入0001，高位数码显示管显示1。 电路仿真实验 应用Multisim软件对电路进行仿真，得到与预期结果相同的仿真结果，仿真图如下。 四、电路的焊接成型及工作检测 电路的焊接采用单孔电路板，在电路板背面采用导线跳线与拖焊相结合的方式将各元件连接，在焊接过程中要注意对应各芯片管脚，在正面和反面不要弄混元件的管脚。   焊接完成后应用实验室提供的5V直流稳压电源对电路板各个功能进行测试，工作良好。 五、实验感想及问题 （一），实验中出现的问题： 1.在显示电路部分，即数码管已经显示成功后，接通电源，测试74LS148的 输入时，低位芯片两侧四个管脚显示均为“0,1,2,3”，高位芯片两侧四个管脚显示均为“8,9,10,11”，于是，开始用Multisim仿真，并查看各节点的电位，依次排查，最终发现，有一节点不慎与地线相连，改正后，成功显示了从0~15的数字。 2.在开关也已焊接成功后，电路已可以成功显示“00~15”为完成无用“0”的灭零工作，按照书上的讲解，只需把高位74LS47的RBI接地，低位74LS47的RBI接高电平，但这在此电路中并不十分适用，于是，首先把低位的74LS47的RBI与低位的74LS148相接，这是因为： ，然后把高位的74LS47的RBI接地，这种连接在理论上应该是正确的，但在通电连接后，却只有低位成功灭零，即在无输入的情况下，数码管无显示，然后，我们又想到了一种比较简单的方法，因为本次实验只要求电路显示“0~15”，也就是说高位上只会显示“0或1”，我们希望在输入为“0~9”时，高位不显示“0”，即在此时高位灭零，而当数码管在显示“0“时，二极管“a,b,c,d,e,f”均为低电平，数码管在显示“1”时，只有“b,c”为低电平，其他二极管均为高电平，所以我们在二极管“a,d,e,f”中，选择一个与高位74LS47的灭零端相接，这样，就可以使“0”被成功灭掉，但在仿真之后发现，二极管“a”处的电位为1.43V ，而灭零端需要的电位很低接近于0 ，所以，由于电位问题，高位的灭零再一次失败。我们第三次尝试的方法是把高位74LS47的灭零端与74LS47的A端相连，这是因为高位7447输入端ABCD中，只有A的输入电平产生变化，BCD均接地，且输出0时，A输入为低电平，输出1时，A输入为高电平，所以利用A进行高位的灭零，将A接入高位7447的灭灯端口，这样在应该显示零时，高位均无显示。 ，这次，我们终于取得了成功，成功对高，低位都灭零了。 （二），实验感想： 1 这次实验，我作为我们小组的组长，自然肩负着重任，首先，在认真研究了实验电路图和实验原理之后，我利用Multisim软件对电路图进行了仿真，仿真成功以后，便开始投入实践了，在中发买来原以后，开始了对电路板的焊接工作，在选择电路板时，曾经有过两种选择，第一种是选择我们最终使用的这种的中号板，第二种是选择两块小板子进行搭接，最后，我们对电路板进行布局排版之后，发现还是使用一块电路板方便，简洁一些，最终，我们选择了这个中号单孔电路板。     其实，本次实验的仿真，焊接过程还是比较容易的，但是，认真仔细，仍然是焊接过程中不可或缺的要求，这次我们采取的是依据仿真电路图从左往右依次焊接，焊完一个芯片，检查一个芯片，用万用表测试，看是否有短路现象，是否有虚焊开路的现象，虽然如此，我们仍然不是一次就焊接成功了，在显示部分焊接完成，接通电源测试时，发现，两片74LS148的两侧的四个输入管脚显示的数字相同，而实验电路图是正确的，芯片也验证了，是正常工作的，于是，我又开始用仿真电路对各个焊接节点的电位进行依次排查，并在电路上进行测试，最终，发现有一节点不慎与地线相连，改正之后，电路成功显示了。 还有，本次实验给我留下的印象比较深刻的地方，就是在最终灭零时，为了能够使电路达到更高的标准，我们决定对其灭零，数电书上对这一部分有一定的讲解，我们按照书上提供的方法进行灭零的第一次尝试，最终失败了，于是，我们又对其进行了改进，低位的灭零还是比较容易就成功了，但是高位的灭零，我们尝试了几种做法，最终才得以成功，从这里我发现要善于利用芯片管脚的使能端和一些具备特殊功能的管脚，利用这些管脚的特殊性才控制一些电路的输入，以达到要求。同时，在这个过程中，我也体会到了团队合作的重要性，大家集思广益，得效才会更快。 最后，通过这次实验，让我学会了很多，作为一个大学生，仅仅学书本上的知识是远远不够的，动手能力的培养，独立思考的方法，以及协调整个团队的分工合作，都是至关重要的，我觉得学院应多为我们安排一些有意思的实验，这比只是一味的学习课本知识，完成作业练习要有意义的多。 2 通过本次显示电路从设计，仿真，购买原器件，到焊接，改错，灭零，测试，我充分体会到了完成一个实验的不易，每一个环节，我都积极参与，努力完成。最后的实验成果也令我们十分的欣慰。 本次实验的设计，仿真，焊接都比较简单，但是，在买原器件中遇到了第一个小问题，因为我们在本次实验中使用的芯片74LS283比较偏，所以在中发的采购过程中，有许多商家都没有这个芯片，遇到了一点小麻烦，不过很快就解决了。 在实验中遇到了第二个问题就是，板子的布局很重要，因为合理的布局会给焊接带来很大的方便，也会使整个电路板看起来更加的清楚，美观，但是因为本次电路图的电路连线很多，以至于出现了多层的情况，所以我们不能过多的使用拖焊的方式，只能用导线相连，虽然我们认为布局已经比较合理了，但是，由于导线太多，最后还是比较杂乱。 第三个出现的问题的出现是在显示电路已经焊接成功后，灭零的过程中发生的，按照课本上提供的方法和原理，我们连接电路后，发现并不能够成功灭零，于是我们又进行了许多其他方法的尝试，先从理论上进行推导，再用仿真软件进行仿真，最后实物连接看是否能够成功，低位的灭零比较顺利，但高位的灭零则比较棘手，我们进行了很多方法的尝试，最终我们采用的方法是，用74LS47的A输出来控制其灭零端，终于实现了高位的灭零，在灭零成功后，我们觉得十分有成就感，也更加深刻的明白了实验是检验真理的唯一标准这句话的真正含义，有时，课本上提到的方法并一定是正确的，或者说，只是在某些特定的场合下会是正确的。在整个电路板都焊接试验成功以后，我们又对实验板进行了美化，设计，最后使实验板看起来更加简单，整洁。 从这次实验中，我体会到，凡事都是看起来容易做起来就难了，本来，这个实验的实验原理和设计电路都挺简单的，但在开始焊接后才发现原来并没有那么简单，合理的布局的重要性，认真仔细的必须性，思考创新的必要性，每一个环节都至关重要。最后，我们自认为美观实用的电路板完成后，还是非常有成就感的。以后，我很期待能够再有这种，证明自己，挑战自己的机会。 3 这次的实验是做数字显示电路，这是一个对组合电路综合设计的题目，也是我们第一次接触数字电子技术的设计，所以刚开始时心情是十分紧张的。 我们首先根据所学的知识和老师的要求进行了电路设计，在做好电路图后，为了确保万无一失，我们做了多遍的仿真，还利用实验室的试验箱进行了一次小实验，在结果都正确后，我们开始着手按照电路图进行焊板子的工作。虽然电路图看起来并不是十分复杂，应用到的器件也不是很多，但是在连接时还是需要很多功夫的，除了使用焊锡之外还用到了很多的导线来进行连接，这对整个板子的布局和美观都造成了一定的困难，我们通过仔细的研究设计，尽量将导线排列的较为整齐，看起来美观一些。因为连接比较多，所以有时候会出现虚焊、断路等情况，导致板子工作不了，这些问题虽然比较小但是很难察觉，这就需要我们更加的细心和谨慎。为了消除显示个位数时十位上出现的零，使显示时更加美观，我们又对电路图进行了修改，最终达到了这个目的。我们最终完成了实验，做出了比较满意的成果，也从实验的过程学到了很多东西。 通过这次实验，我们继续熟悉和掌握了门电路，编码器，译码器，数码管的原理和应用，并学习了简单数字电路的设计方法，为下次的实验打下了良好的基础。而且这次实验使我明白了在数字电子实验中，电路的初步设计是非常重要的，仔仔细细的将每一步都考虑好，设计出正确的电路图，这样后面的工作也会容易一些，不会出现太大的错误。 相信有了这次的经验，我们下一次实验一定会做的更好。 六、元件清单及费用 名称 数量 总价/元 74ls148 2 6 7447 2 4 74ls283 1 2 74ls00 2 4 7404 1 2 电路板 1 5 数码管 2 2 导线 若干 5 焊锡 若干 15 开关 16 8 芯片座 8 2 总计 55