【正文】 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 ?結合題目要求，通過這些狀態(tài)的觀察發(fā)現，秒個位的和 Q0邏輯與后，正好在秒個位計到 7時產生高電平， 0、 6時產生低電平，可作低四聲報時的鎖存信號；秒個位的 Q3和 Q0邏輯與后，正好在秒個位為 9時產生高電平，可作高音的報時鎖存信號，這樣就產生了兩個報時鎖存信號。 ? (3) 報時 ? 把上述分析得到的報時開始信號分別和兩個報時鎖存信號相與，產生兩路報時鎖存信號，如圖 544，上面一路為高音報時鎖存，下面一路為低音報時鎖存。圖中左面三個與非門實現的是與或邏輯，前面已經有介紹。 ? 上下兩路報時鎖存信號分別與 1kHz和 500Hz的音頻信號(20Hz~20kHz)相與或來驅動數字喇叭，實現整點報時功能。這里喇叭使用元件 SOUNDER，它接收數字信號。 ? 需要說明的是，調試時，可以把 59分 50秒這個報時開始信號直接用高電平取代，這樣比較省時。另外實際連接電路時，可用 555定時器產生一個 1kHz的方波，再經 D觸發(fā)器二分頻得到 500Hz的方波信號。計時電路的 1Hz方波也可由 555定時器產生，但由于標準電阻和電容值的選擇會帶來一些積累誤差，也可選用其他更精確的振蕩電路來實現。 ? 圖 545是完整的數字鐘電路圖 圖 545 完整的數字鐘電路圖 音樂教室控制臺 ? 音樂教室控制臺并不是數字邏輯電路中很經典的題目，但它主要用了可逆計數器和數據分配器，加強了數字組合邏輯電路中非常重要的兩個環(huán)節(jié)的應用。題目設計要求如下： ? 音樂教室分多個室，教師和學生不在同一個室，要求教師對學生通過語音進行課堂指導，可任意指定要指導的學生，也可按順序指導，共有學生 40名。 ? 教師所在的屋設有數碼顯示以顯示每個學生的代號 (00~39)，并設有拔碼開關，可設置要單個指導的學生代號或輪流指導的初始學生代號。 ? 單個指導時，指導時間由教師決定，輪流指導時時間可調。 ? 輪流指導時，有正序和反序兩種方式。正序從 N到 39，再返回 N；反序從 N到 N–1，直到 00，再返回 N。 核心器件 74LS190簡介 ?本題目所用到的核心器件是十進制可逆計數器 74LS190(也可用 4510)。 74LS190的引腳圖如圖 546所示。 圖 546 74LS190的引腳圖 ? CLK時鐘上升沿到來時計數。計數方式有兩種，加計數和減計數。當 =0時，加計數；當=1時，減計數。 E為使能端，低電平有效。PL為異步預置數端，低電平時，把 D DD D0輸入端預設的數對應輸出到 Q QQ Q0中。 TC和 RCO都為終端計數輸出，前者輸出正脈沖，后者輸出負脈沖，分別為加計數計到 9~0和減計數計到 0~9時輸出脈沖。 題目分析與設計 ? 本題目采用兩片 74LS90可逆計數器來計 00~39個數，采用四片 74HC154(416)譯碼器作數據分配器，接 40個發(fā)光二極管來模擬學生端收到的信號。本題只進行單向信息傳送，如果要實現雙向信息傳送，即教師也可聽到學生彈琴或視唱，則需另加其他電路，這里暫不考慮。 ? 1. 計數電路 ? 計數電路是本題目設計的難點和重點，主要包括兩位十進制加減計數器的級連、預置數電路中撥碼開關的模擬、手動置數和自動加、減計數電路的實現及顯示電路的設計。 ? (1) 計數器的級連 ? 先不考慮預置這部分，把兩個 74LS190連接成同步的 100進制計數器，即把兩個芯片的時鐘接在一起，個位的計數終端輸出 RCO接到十位的使能端 E上，因為一個是 0~9或 9~0時輸出負脈沖，一個是輸入低電平有效，如圖 547所示。 圖 547 計數器的連接 ? (2) 計數方式的連接 ? 兩片 74LS190應具有同樣的計數方式。所以應把二者的連接在一起，接到一個兩位開關上，當開關接高電平時，減計數；當開關接地時，加計數。 ? (3) 預置數端 ? 預置數端 PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式，手動置數時，教師在置數電路中先置一個數，比如 20號學生，再把手動 /自動預置數開關撥到低電平，直接使 PL=0，把 20裝入到計數器中，計數器不進行計數，一直保持目前狀態(tài)，直到 PL=1為止。在這段時間內認為教師指導 20號學生，表示該生接收信息的對應發(fā)光二極管會一直亮。 ? 當自動置數時，又分加計數和減計數兩種情況。加計數時，從 N計到 40時，給出一個低電平信號使 PL有效，裝入提前設置好的數 N；減計數時，減到 00后，再減一個數變成 99，此時要產生一個低電平信號使 PL有效，裝入提前設置好的數 N，再接著進行減計數。 ? 通過以上的分析，連接成如圖 547所示的電路。雙聯(lián)開關同時用于選擇加 /減計方式和加減計數時產生的不同的 PL信號，反送給 PL。 ? 由于加計數時計到 40返回 N，所以只需把十位的 Q2反相后給 PL即可；減計數時減到 00后是 99，要 99通過預置數變成 N。十位為 9，而加計數時十位最大為 4不會計到 9，所以可以用 9來生成一個減計數時的預置數信號，而個位的 9在加計數過程中并不會出現，所以不用。又因十位減計數時先 9后 8，所以為了省一根線，我們直接把十位的 Q3經反相器接到PL上，并不表示 8，因為 9時 Q3也為 1。 ? 2. 撥碼電路 ? 撥碼電路實際是由排電阻和排開關串聯(lián)組成的，前面搶答器電路中我們已經用到了類似的電路。 ? Proteus 中的 8路排電阻位于 RESISTOR類中的 Resistor Packs子類中，8路排開關位于 Switches amp。 Relays類中的 Switches子類中。把排電阻和排開關一一串接后，開關一端接地，電阻公共端接 5V電源，而中間的引出端分別接 74LS190的預置數輸入端 D0~D3，如圖 548所示。實際應用中的排阻取值為 10kΩ。 圖 548 撥碼電路 ? 3. 數據分配電路 ? 這一部分電路完成學生端對教師信號的接收，并對應一一顯示。我們知道 74HC154是 416線譯碼器，但是它通過和使能端的配合能完成數據分配器的功能。 ? 在此題目中，在教師的指導過程中，當學生的編號顯示出來的同時，對應的 40個發(fā)光二極管中的某一個要點亮，表示該學生正在接收教師的指導。 ? 把發(fā)光二極管接在 74HC154的輸出端，把學生的編號接在74HC154的輸入端。因為學生的編號為 BCD碼，故譯碼輸出 0~9有效，每個 74HC154只能接 10個發(fā)光二極管，如圖 549所示。 74HC154的兩個使能端 E1和 E2，一個用作片選信號，來自 2～ 4線譯碼器 74LS139；另一個接教師的模擬指導信號，這里用低電平表示有效。當開關合上時，信號有效；當開關打開時，信號無效。 ? 74HC154的 BCD碼輸入端 DCBA應該接學生編號的個位數 Q Q Q Q0(來自計數器 74LS190的個位 )，比如 3， 74LS139的二進制碼輸入端 B、 A應接學生編號的十位數的 Q Q0(來自計數器74LS190的十位 )，因為學生編號的十位不大于 3，故只接低兩位即可。 圖 549 74HC154接成的數據分配器電路 ? 圖中 74LS139的輸入 BA=11， 74HC154的輸入 DCBA=0011，教師信號 E2=0有效，故此時數顯的數應該是 33，而點亮的二極管應該是第 33號。因為 U9是第四片 74HC154，它的發(fā)光二極管的編號應該是 30~39。其他三片的 DCBA及 E2應該分別和此片相應信號并聯(lián)，片選信號 E1應分別接 74LS139的Y0、 Y Y2，二極管編號分別為 00~0 10~1 20~230~39。 ? 因為每個 74HC154并排接十個發(fā)光二極管，所以這里的發(fā)光二極管也采用條狀 LED顯示比較方便，它位于Optoelectronics類中的 Bargraph Displays子類中。因為74HC154輸出低電平有效，所以要把 LEDBARGARPHRED左右鏡像 (可點右鍵操作 )后再連接。像這樣的多排水平等距連接，只需連接好第一根線，其他的連接只要在起始點雙擊鼠標左鍵即可實現，非常方便。另外，由于條狀 LED顯示管腳上的編號分布較密，從 74HC154向它連線如不方便，也可反過來從右到左連接，同樣可以使用剛才介紹的方便連線方法。 ? 4. 定時電路 ? 定時電路是指教師輪流指導學生時，指導時間的產生電路，即 74LS190計數器的時鐘周期。因為時間要能調整，可以用555定時器組成頻率可調的多諧振蕩器，來作計數器的時鐘，如圖 550所示。圖中的滑動變阻器可在 Resistors類中的Variable子類中查找。選用元件后面標注為 ACTIVE庫的元件，其中 POTHG的調整精確度較高。 圖 550 可調的輪流指導時間產生電路 ? 改變圖中滑動變阻器并不能改變輸出方波的正向導通時間 Ton, 只能改變 Toff，因為電容 C1充電回路的時間常數沒變，而放電時間常數改變了。讀者可根據需要改變 R R RV1的值，估算周期的調節(jié)范圍，即教師指導每位學生的時間。 ? 但由于此題中學生人數 (40)較多，如果每位學生指導 10分鐘，電路運行時間會很長，所以電路仿真時，我們直接用數字脈沖源作為計數器的時鐘，實際應用中可改為 555電路。 ? 最后的完整仿真電路圖如圖 551所示。 圖 551 音樂教室控制臺的完整仿真電路 ? 為了節(jié)約集成芯片 74HC154，可采用如圖 552所示的顯示電路。其中，只用了一片 74HC154，該芯片的輸入端接法不變，仍和圖 551一樣，但輸出端同時驅動四十個發(fā)光二極管。每十個發(fā)光二極管一組，第一組編號為 00~09，第二組編號為10~19，第三組編號為 20~29，第三組編號為 30~39。74HC154的每一路輸出接四個發(fā)光二極管，比如輸出 0接發(fā)光二極管 00、 30，分別為四個組中的第一個發(fā)光二極管。 24譯碼器 74LS139的四個輸出經反相器 74LS00驅動后分別接四組發(fā)光二極管的共陽極端，從而達到每一時刻只點亮一個發(fā)光二極管，同樣達到設計目的，但大大節(jié)約了元件成本，起到事半功倍的效果。 圖 552 改進的音樂教室控制臺的顯示部分仿真電路