第17章 數(shù)字電路部分課外練習(xí)題——集成運(yùn)算放大器篇答案

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)交通燈控制電路 學(xué)院： 專業(yè)，班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師 交通燈控制電路設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)任務(wù)和要求為了確保十字路口的車輛順利暢通地行駛，往往都采用自動控制的交通信號燈來進(jìn)行指揮。其中紅燈（r）亮，表示該條道路禁止通行；黃燈（y）亮表示停車；綠燈（g）亮表示允許通行。設(shè)計(jì)一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：1.設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為nsr，nsy，nsg；東西方向的紅、黃綠燈分別為ewr，ewy，ewg。2.滿足兩個方向的工作時(shí)序：東西方向紅燈亮的時(shí)間應(yīng)等于南北方向黃、綠燈亮的時(shí)間之和；南北方向紅燈亮的時(shí)間應(yīng)等于東西方向黃、綠燈亮的時(shí)間之和。一個周期為60秒，其中，

2、綠燈亮25秒，黃燈亮5秒，紅燈亮30秒。其中nsg（ewr）nsr（ewg），黃燈用于閃爍提示綠燈變?yōu)榧t燈。交通燈順序工作流程圖如圖1所示：南北亮紅燈30秒后亮綠燈25秒東西亮綠燈25秒東西黃燈閃爍5下南北亮綠燈25秒后，南北黃燈閃爍5下東西亮紅燈30秒南北亮綠燈25秒 圖13.十字路口要有數(shù)字顯示裝置，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體要求為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置計(jì)數(shù)器為某一數(shù)值，然后以每秒減1的計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入另一個方向的工作循環(huán)。例如：當(dāng)南北方向從紅燈轉(zhuǎn)換成綠燈時(shí)，置南北方向數(shù)字顯示為29，并使數(shù)顯計(jì)數(shù)器開始減“1”

3、計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)到綠燈滅而黃燈亮（閃耀）時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)值應(yīng)為4，當(dāng)減法計(jì)數(shù)到“0”時(shí)，黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時(shí)，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數(shù)碼管的顯示為29.4.可以通過開關(guān)將交通燈手動調(diào)整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)為只有黃燈閃耀。黃燈一直閃耀，提醒過往行人注意.二總體框圖： 控 制 電 路譯碼譯碼譯碼譯碼東 西 道南 北 道夜間開關(guān)5秒30秒30秒秒發(fā)生器計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)圖2根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路主要框圖，設(shè)計(jì)方案可以從以下幾部分進(jìn)行考慮。1.1hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖和分頻部分因十字路口每個方向綠、黃、紅燈亮?xí)r間比例分別為5：1：6，所以，如果選5秒為一單位時(shí)間

4、，則計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)5秒輸出一個脈沖。這一部分模塊可用74ls160連為5進(jìn)制計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)。2.交通燈燈顯部分由燈亮?xí)r間比例可知，計(jì)數(shù)器每工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這里選用中規(guī)模74ls164 八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，根據(jù)狀態(tài)表可列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達(dá)式。即由74ls164來控制各路口燈的亮滅。設(shè)計(jì)要求電路可以通過開關(guān)將交通燈手動調(diào)整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)為只有黃燈閃耀?？赏ㄟ^一單刀雙擲開關(guān)和與門來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)打到高電平時(shí)為正常工作狀態(tài)，達(dá)到低電平時(shí)為夜間狀態(tài)。3. 數(shù)字顯示控制部分?jǐn)?shù)字顯示控制部分實(shí)際上是一個定時(shí)控制電路

5、。當(dāng)綠或紅燈亮?xí)r，使減法計(jì)數(shù)器開始工作，每來一個秒脈沖，使計(jì)數(shù)器減1，直到計(jì)數(shù)器為“0”停止。由于燈顯部分的頻率是數(shù)顯部分頻率的1/5，所以要用一個單穩(wěn)態(tài)連接數(shù)顯和燈顯部分。譯碼顯示可由計(jì)數(shù)器輸出驅(qū)動bcd碼七段譯碼器，計(jì)數(shù)器采用可預(yù)制加、減計(jì)數(shù)器，且讓其工作在減法計(jì)數(shù)狀態(tài)。三選擇器件 一整個實(shí)驗(yàn)用到的器件如下表所示；組數(shù) 器件 1 21hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖和分頻部分 選用555 74ls160交通燈燈顯部分 74ls164，74ls04， 74ls08，74ls11，74ls32燈顯部分 由74ls192 74ls04 , led發(fā)光二極管 選用555 74ls32,. 74ls08, u2504r

6、 表1二器件介紹 （1）74ls08 74ls08為二輸入端與門。由其邏輯功能表可得，其邏輯功能為“見0得0，全1得1”，即只要兩個輸入端口中有一個為0，則輸出z就為0，當(dāng) 輸入全為1時(shí)，才有輸出z為1。 74ls081234567141312111098vcc 4b 4a 4y 3b 3a 3y1a 1b 1y 2a 2b 2y gnd 74ls08的邏輯表達(dá)式為：y=ab（2）74ls32 74ls32是2輸入或門，其邏輯符號和管腳圖如下圖所示?；蜷T的邏輯表達(dá)式為y=a+b，其邏輯功能表見下表。由其邏輯功能表可得，當(dāng)兩個輸入只要有一個為1時(shí)，輸出就是1，只有兩個輸入都為0時(shí)，輸出才是0，即

7、“見1得1，全0得0”。 74ls32邏輯功能表輸入輸出aby000011101111（3）74ls04 74ls04是反相器。反相器的功能表如下表所示，當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入為低電平時(shí)輸出等于高電平，輸出與輸入的電平之間是反相向關(guān)系。非門的邏輯表達(dá)式為：y= 反相器功能表輸入a輸出y1001 （4）u2504r u2504r是四輸入端的或門，其器件的功能是，四個輸入端輸入見1為1。只有四個輸入端q0，q1，q2,q3中有一個輸入端輸入1時(shí)輸出y才為1,見1為1，全0為0。（5）555定時(shí)器介紹555定時(shí)器是由比較器c1和c2，基本rs觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管td三部分組

8、成。 vh是比較器c1的輸入端，v12是比較器c2的輸入端。c1和c2的參考電壓vr1和vr2由vcc經(jīng)三個五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端vco懸空時(shí)，vr1=2/3vcc,vr2=1/3vcc。如果vco外接固定電壓，則vr1=vco,vr2=1/2vco. rd是置零輸入端。只要在rd端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使rd處于高電平。圖中的數(shù)碼18為器件引腳的編號。 555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。（a）電路組成555集成定時(shí)器由四個部分組成： 1、 基本rs觸發(fā)器：

9、由兩個“與非”門組成2、 比較器：c1、c2是兩個電壓比較器3、分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器c1和c2提供參考電壓。4、晶體管開卷和輸出緩沖器： 晶體管vt構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器g3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對定時(shí)器的影響。(b) 基本功能當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器c1和c2比較電壓分別為2/3vcc和1/3vcc。當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出低電平，比較器c2輸出高電平，基本rs觸發(fā)器被置0,放電三極管t導(dǎo)通，輸出端vo為低電平。 當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出

10、高電平，比較器c2輸出低電平，基本rs觸發(fā)器被置1,放電三極管t截止，輸出端vo為高電平。當(dāng)vi11/3vcc時(shí)，基本rs觸發(fā)器r =1、s =1,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜合上述分析，可得555定時(shí)器功能表如下表所示。555定時(shí)器功能表輸 入輸 出閾值輸入(vi1)觸發(fā)輸入(vi2)復(fù)位()輸出()放電管t00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變?nèi)绻陔妷嚎刂贫耍?腳）施加一個外加電壓（其值在0-vcc之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化，進(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。（6）74ls192.74ls192為十進(jìn)制同步加、減計(jì)數(shù)器（雙時(shí)鐘），既可進(jìn)行加法

11、計(jì)數(shù)，又可進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，且有異步置數(shù)和清零功能。當(dāng)輸入脈沖接到cpu時(shí)，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入脈沖接到cpd時(shí)實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)。如下圖74ls192的管腳圖所示，p0p3為輸人，q0q3為輸出，mr為清零端，并且為高電平有效，mr=1時(shí)產(chǎn)生異步清零信號，輸出為“0000”，因此在計(jì)數(shù)狀態(tài)下應(yīng)令mr=0。為置數(shù)端，當(dāng)=0時(shí)計(jì)數(shù)器置數(shù)。、分別為借位輸出和進(jìn)位輸出。 當(dāng)輸入脈沖接到cpu時(shí)，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入脈沖接到cpd時(shí)實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)。如下圖74ls192的管腳圖所示，p0p3為輸人，q0q3為輸出，mr為清零端，并且為高電平有效，mr=1時(shí)產(chǎn)生異步清零信號，輸出為“0000”，因此在計(jì)數(shù)

12、狀態(tài)下應(yīng)令mr=0。為置數(shù)端，當(dāng)=0時(shí)計(jì)數(shù)器置數(shù)。、分別為借位輸出和進(jìn)位輸出。 （7）led發(fā)光二極管led是發(fā)光二極管light emitting diode的英文縮寫。led顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)、規(guī)格品種全等特點(diǎn)。目前l(fā)ed顯示屏作為新一代的信息傳播媒體，已經(jīng)成為城市信息現(xiàn)代化建設(shè)的標(biāo)志。管腳分別接輸出段的、（8）74ls8674ls86是四2輸入異或門。異或門的邏輯符號如右圖所示，由異或門的功能表可得，當(dāng)兩輸入端口輸入不同電平時(shí)，輸出為高電平1；當(dāng)兩輸入端口輸入相同電平時(shí)，輸出

13、為低電平0。（9）74ls1174ls11為三輸入的與門，由其邏輯功能表可得，其邏輯功能為“見0得0，全1得1”，即只要三個輸入端口中有一個為0，則輸出z就為0，當(dāng)輸入全為1時(shí)，才有輸出z為1。（10）74ls16474ls164是8位移位寄存器，其邏輯功能表如下表所示。74ls164為上升沿觸發(fā)，串行輸入，并行輸出，具有異步清零功能，當(dāng)=0時(shí)，qaqh全為0，當(dāng)=1時(shí)，若控制端a、b全為1時(shí)，輸出端由qa 輸入1，且其它輸出端口依次為其前一時(shí)刻前一輸出端口的狀態(tài)；當(dāng)a、b全為0時(shí)，輸出端由qa 輸入0，且其它輸出端口依次為其前一時(shí)刻前一輸出端口的狀態(tài)。（11）74ls160：74ls160為

14、可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，其管腳圖如右圖所示。在ct74ls160中l(wèi)d為預(yù)置數(shù)控制端，d0-d3為數(shù)據(jù)輸入端，c為進(jìn)位輸出端，rd為異步置零端，q0-q3位數(shù)據(jù)輸出端，ep和et為工作狀態(tài)控制端。由其功能表可得，當(dāng)置數(shù)端為0時(shí)，輸出全為0。預(yù)置數(shù)端為0，當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器置數(shù)；當(dāng)置數(shù)和預(yù)置數(shù)端都為1，且ep=et=1時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；當(dāng)ep=0，ep=1時(shí)，輸出不變，且rco=0；當(dāng)et=1時(shí)，各輸出及rco都保持不變。四功能模塊1.1hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖和分頻部分圖3 1hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖和分頻模塊圖此模塊右半部分用555定時(shí)器連成多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，多諧振蕩器的周期為t=（r1+2r2）c2

15、。選定c為10nf，r1為0.901676m，則r2為72.1501m。將多諧振蕩器輸出的秒脈沖作為74ls160的脈沖，讓74ls160在秒脈沖的控制下工作。74ls160采用置數(shù)法連接為5進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，將a、b、c、d四個輸入端口接地，由于74ls160的置數(shù)端是同步置數(shù)，所以要在輸出為“0100”時(shí)，產(chǎn)生置數(shù)信號，令計(jì)數(shù)器置為“0000”。又由于置數(shù)端是低電平有效，所以可通過qc加反相器再與其它三個輸出端口相與，作為置數(shù)信號。這樣連成的計(jì)數(shù)器就為5進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并把置數(shù)信號加反相器作為分頻器的輸出，供給燈顯部分。2.交通燈燈顯模塊此模塊選用74ls164來實(shí)現(xiàn)，74ls164的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如

16、表1所示。由此狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可得東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達(dá)式，如表2所示。由于在綠燈變紅燈之前，黃燈要求閃耀幾次，所以用1hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖和ewy或nsy黃燈信號相“與”即可。對于要求電路可以通過開關(guān)將交通燈手動調(diào)整為夜間狀態(tài)，夜間狀態(tài)只有黃燈閃耀。可通過一單刀雙擲開關(guān)和與門來實(shí)現(xiàn)。將各燈的控制信號都通過一個與門與開關(guān)處輸出的信號相與，令開關(guān)打到高電平時(shí)為正常工作狀態(tài)，達(dá)到低電平時(shí)為夜間狀態(tài)。由于夜間紅綠燈都滅，黃燈閃爍，所以要將開關(guān)輸出的信號經(jīng)反相器后輸入與門。燈顯模塊的電路圖如圖4所示：圖4 交通燈燈顯模塊圖3. 數(shù)字顯示控制部分（1）由于在紅綠燈亮期間要進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示就要有譯碼顯

17、示電路，可將定時(shí)電路和三十進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出分別接南北，東西干道譯碼顯示電路。（2）定時(shí)電路(a)秒脈沖是交通管理器的時(shí)間基準(zhǔn)，由于本課程對秒信號的要求不高，所以用一般的電路就可以實(shí)現(xiàn)可用數(shù)字鐘電路中實(shí)現(xiàn)1khz的555基礎(chǔ)定時(shí)器構(gòu)成的振動電路，將參數(shù)改為1hz的振動信號，也可以用rc環(huán)形振蕩器。在提供脈沖信號后，使減法計(jì)數(shù)器開始工作，每來一個秒脈沖，使計(jì)數(shù)器減1，直到計(jì)數(shù)器為“0”停止。由于燈顯部分的頻率是數(shù)顯部分頻率的1/5，所以要用一個單穩(wěn)態(tài)連接數(shù)顯和燈顯部分。（b）此模塊選用十進(jìn)制同步加、減計(jì)數(shù)器（雙時(shí)鐘）74ls192和七段數(shù)碼顯示管dcd_hex來實(shí)現(xiàn)。采用74ls192的減法計(jì)數(shù)功能

18、，把減計(jì)數(shù)脈沖輸入接秒脈沖，加計(jì)數(shù)脈沖輸入接高電平。每個路口用兩片74ls192設(shè)計(jì)為30進(jìn)制計(jì)數(shù)器，令第一片74ls192的借位輸出作為第二片的計(jì)數(shù)脈沖。數(shù)字顯示由29減到0，然后通過置數(shù)信號再次置為29，依次循環(huán)下去。觀察表1的74ls164狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，狀態(tài)5和狀態(tài)11時(shí)，黃燈閃爍，而此時(shí)恰好有q4、q5狀態(tài)為1、0和0、1，若在此時(shí)采用一個異或門連接q4、q5，當(dāng)黃燈閃爍時(shí)異或門輸出1，由于燈顯部分的每一狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為5秒，所以異或門輸出1的持續(xù)時(shí)間也為5秒，5秒之后又變?yōu)榈碗娖?，且低電平要持續(xù)25秒。此時(shí)若在異或門后接一個單穩(wěn)態(tài)，且令暫態(tài)時(shí)間為1秒，由于單穩(wěn)態(tài)輸出為高電平，所以需通過一個反相器接到置數(shù)端，而74ls192是異步置數(shù)，因此當(dāng)黃燈停止閃爍時(shí)，數(shù)顯部分置數(shù)為29，新的循環(huán)開始。選用的七段譯碼顯示管dcd_hex具有譯碼功能。數(shù)字顯示部分的電路模塊圖如圖5所示。在multism2001中仿真次模塊，為了能夠盡快看到仿真結(jié)果，可將從燈控部分輸出的置數(shù)信號的頻率擴(kuò)大1000倍，即用200hz代替0.2hz，可見，兩組數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)據(jù)從29減到0，再置數(shù)到29，再依次減到0，并且兩組數(shù)據(jù)是同步的。可得，數(shù)字顯示模塊的控制