四位LED显示器动态扫描电路

通信工程专业《数字电路》课程设计

四位LED动态扫描设计

目录

1前言（引言）

随着计算机技术和电子技术的飞速发展和广泛应用,电器设备的输出显示技术也变得复杂多样,诸如CRT显示、LCD显示、多位LED显示及发光二极管显示等应运而生。在这些显示当中,LED及发光二极管显示电路较为简单,成本也较低,在功能单一的仪器仪表与机电设备中应用较广。但当设备显示的点或位较多时,就需要采用一定的驱动电路与相应的驱动方式。

通过我们所学的数字电路，模拟电路，设计一个电路，实现一些功能。此次设计锻炼我们的动手能力，解决问题的能力！

2设计任务及方案论证

用四位编码开关编码，将编出来的数字（0~9）以动态扫描的形式显示在LED数码管上，并且能够调节扫描频率。

1. 通过编码开关，编出0000~9999的数字。

2. 通过两个四选一的选择开关（74LS153），选择输出位数。

3. 将选择输出的四位进行排序，接入数码管译码器（C4511）。

4. 将对应的编码通过译码器显示在数码管上。

5. 由于要求动态扫描：

5.1 接入一个时钟脉冲。产生时钟脉冲需要接入555多些振荡器。

5.2 产生的CP脉冲，通过计数器产生00~11的二进制数。

5.3 两位二进制数与四选一选择开关和2—4的计数器同步，产生1110,1101,1011,0111的四位二进制数作为数码管的驱动电压。

将设计的电路，经过理论计算，做出电路板，进行调试，从而来验证试验设计的真确性。

3电路设计原理与实验电路

3.1设计任务及要求

利用数字集成电路（如：74LS353、48、139、393，NE555等）和分立元件设计一个四位LED显示器动态扫描驱动电路。

（1）基本要求

①显示范围：0000～9999；

②显示方式：LED显示；

③扫描频率：1Hz~1000Hz连续可调；

④可预置数：0000～9999。

（2）发挥部分

①扫描频率：1Hz~1000Hz连续可调；

②自制符合要求电源。

3.2 设计方案

通过编码开关对0到9的数字进行编码，送入四选一的选择器（74LS153），通过由低位到高位的排序，将选择的数字传入到译码器（74HC4511）中，并通过输出中间级使其数据传送到LED七段数码显示管。为了控制数码显示管的显示位数，需要用一个译码器（74LS139）来控制好输出电平，我们选用低电平。这里计数器采用555定时计数器产生CP脉冲，脉冲占空比和频率用双链电位器调节，产生的CP脉冲进入计数器，产生00，01,10,11的数字，这里的数字进入四选一和译码器（74LS139）同步端，进而是电路能够正常工作。通常的4位LED显示器按连接方式不同可分为共阳极LED与共阴极LED，我们采用共阴极。其电路特性基本一致：发光二极管导通压降为1.2V～1.8V、正向工作电流为2mA～15mA。在显示驱动方式中，采用动态扫描。当扫描到n1～n4公共端时，LED驱动器分别对应输出a～dp的显示段，LED就能正常显示。 各元件图如下：

3.3单元模块

3.3.1编码开关

编码开关是四个的分立元件组成，由于编码出来的数字是0到9之间，即二进制代码需要四位，为0000到1001。考虑为高电平有效，需要注意的是8421码在输出端悬空时为高电平，所以，需要每位接一个下拉电阻，其值在需考虑功耗和置零效果，大致在几百到几千欧。

3.3.2 四选一计数器

要达到动态扫描，在编码开关输出端需要对编码进行选择处理。从编码开关输出的值，按照二进制代码表示出来，就是每一个编码开关的低位接在一个四选一的一边，每个编码开关的第二位接在另一边，一个编码开关有两个四选一计数，一共需要两个依次接第三个，第四个。注意，这里的选择器两个使能端A，B与计数器的同步性。

3.3.3 七段显示译码器

为了能以十进制数码直观地显示数字 系统的运行数据，目前广泛使用了七字符显示器，或称做七段数码管。所以要采用相应的译码器对选择的码源进行处理，这里我们采用

74HC4511,元件图其上，功能表如下：

请参见《数字电路（第五版）》151页。

3.3.4 共阴极四位LED数码显示管

半导体数码管BS201的的每个线段都是一个发光二极管（LED）。因此，也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同，半导体中的杂质浓度很高。当外加正电压时，大量的电子和空穴在扩散的过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定可见光。

对于共阴极的数码管只有当其输入端输入高电平时二极管才会发光；而共阳极的数码管只有当输入端输入低电平时二极管才会发光。共阴极内部每个发光二极管的阴极被接在一起，成为该各段的公共选通线；发光二极管的阳极则成为段选线。如果要显示某个数字只需相应选中对应的段选线。对于共阳极数码管，则正好相反，内部发光二极管的阳极接在一起，阴极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平、该段的段选线接低电平，从而该段被点亮。当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平,该段的段选线接高电平，该段被点亮。这里我们选择共阴极。

半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出

BCD代码所表示的数值。但需要注意的是，采用数码管时，需要考虑管子做能承受的最大电流，最大电压。正常工作时，额定电压5V，额定电流10mA。经计算，需要加一个保护电阻，取实际有的电阻为510欧。

3.3.5 二进制译码器

由于电路要达到动态扫描，就需要选择哪一位数码管显示。共阴极数码管要达到显示的目的，其公共端就应该有下拉的驱动电流，即低电平有效。

常见的集成二进制译码器有CMOS（如74HC138）和TTL（如74LS138）的定型产品，两者在逻辑功能上没有区别，只是电性能参数不同，用74x138表示两者中任意一种。74x139是双2线-4线译码器，两个独立的译码器封装在一个集成芯片中，其中之一的逻辑符号如图。详情参见《数字电路（第五版）》144页。

在设计电路时，还需要考虑数码管的灌电流进入该编码器时，能不能承受此电流，如果不能，则需要添加三极管和饱和电阻。如图，由参考数据可得，74LS139不能承受该灌电流，因此，需要用到PNP管（低电平有效）及电阻。电阻的选择还需考虑添加电阻后，所得到的电流能不能驱动数码管，因此，饱和电阻大致选为1K。

3.3.6 555定时计数器

555构成多谐振荡器工作可靠，调节方便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用，但其振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹；且其频率稳定性较差，易受电源波动、温度变化等影响。

在电路工作时，需要输出使能端对其集成块进行控制。由555定时器组成的多些振荡器，长生一个CP脉冲，其占空比和频率可调（详情参见《数字电路（第五版）》422页）。产生的CP脉冲进入一个自动计数器，产生代码为00,01,10,11.该计数器由74LS74集成块中两个D触发器组成的T~触发器。产生的数字接入四选一的两个使能控制端和二进制译码器的输入端，因此，可以使电路在整体上同步。

4.数值分析

4.1编码卡开关处电阻计算。由于要保证输出端有高低电平，不能让不编码的输出端悬空，否者始终为高电平，所以必须接入下拉电阻，我们选择的1.6K的电阻。

4.2 数码管的保护电阻计算。由数码管的参数可得，最大电流15mA，额定电流10m

A，输入电压5V，经过R=U/I得R为500欧，选择电阻510欧。

4.3 三极管饱和电阻。为了保证能够驱动数码管，又不至于烧坏三极管，其选择的饱和电阻为一个范围，我们选择的1K的电阻。

4.4 555多些振荡器计算。由于要求频率在1~1000KHz连续可调，由现有的器件可以假设电容为1μF，则由公式f=1.43/（R1+R2）C 计算得，R1=R2=500Ω, 当双链电位器不接入电路时，计算可得此时的f=1401.96Hz。当完全接入双链电位器，为了满足最低频率f=1Hz，计算可得电位器为7150Ω，但实际没有该值的电位器，选择1M仍能满足要求，此时最低频率为0.715Hz。

5.电路板的制作及电路焊接与调试

5.1电路板的制作

电路板制作过程可分为：制作原理图（DDB文档），生成网络表（即元件清单），生成PCB板，打印油印电路图，电路板打孔，将油印电路图印在PCB板上，腐蚀。

在制作电路图的时候，会用到很重要的一款软件——Protel99SE。Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

电路板的制作可分为：(1)电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。

（2）印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。

5.2电路的安装

用电烙铁将分立的元件按照电路图安装 。由于我们制作的是双面板，所以在焊接的时候，因该注意焊盘与与原件的连接性能，还要仔细检查电路的板连线的可通性能，这才能保证电路能够正常工作。

5.3电路测试

电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真

器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。

在对电路进行了仿真软件测试，还需要对制作好的成品进行实际调试，看能不能实现所要求的功能。在检查电路时，灵活使用万用表，检查电路是否导通，检查元件是否能够正常工作，检查整个电路的完整性。若不能正常工作，找出原因，解决问题，也可请教老师.

5.4元件安装完成的测试

在模拟系统中测试后还需要对实际做成的电路板进行调试。调试原则：先测试电源部分是否形成通路，包括所有集成块的工作电压端。在测试了电源都接通后，按照原理分析，当前一个元件加上一工作电压后，对应的集成块的某个引脚应该为高低电平进行一个一个的引脚测试。在测试过程中，注意检查是否有线路的短接，过孔是否都接通，双面板的焊盘处是否接通。

我们测试过程中遇到集成块损坏，线路短接，过孔不通，双面板有些引脚只焊接了一面，扫描频率过低的问题，都一一解决。

安装完成后，加上工作电压后，测得电路的最高工作频率为f1=1408.45Hz（此时工作周期每格200ms，6.1格，占空比50%，工作电压4.64V）,最低工作频率为f2=0.82Hz（此时工作周期每格500,1.42格，占空比46%，工作电压4.72V）。

6.结论

通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！

当自己不懂的时候，自己能够通过自学，例如制图软件Protel99SE的学习，数字电路的全面学习，通过老师，能深刻理解各元件的，各种电路，各种编码和译码功能，计数功能的实现是怎么实现的，这都有利于我们在专业知识的学习和巩固。

7.参考文献

电子技术基础 《模拟部分（第五版）》 主编：康光华 高等教育出版社。

电子技术基础 《数字部分（第五版）》 主编：康光华 高等教育出版社。

/com/ARK/?catid=15275&nowmenuid=42687&cpath=15275:数码管查询网址

/ 电子器件查询网站

9.附录

8.1元件清单

[8SEG-LED1 0.5INCH-DISP SR*20302]

[C1 RAD0.1 1μF]

[C2 RAD0.1 1μF]

[Q1 TO-92 RES]

[Q2 TO-92 RES]

[Q3 TO-92 RES]

[Q4 TO-92 RES]

[Q5 VR-6 POT1]

[R16 AXIAL0.3 RES]

[R17 AXIAL0.3 ]

[R18 AXIAL0.3 ]

[R19 AXIAL0.3 ]

[R20 AXIAL0.3 ]

[R21 AXIAL0.3 ]

[R22 AXIAL0.3 ]

[R23 AXIAL0.3 ]

[R24 AXIAL0.3 R ]

[R25 AXIAL0.3 R ]

[R26 AXIAL0.3 R]

[R27 AXIAL0.3R ]

[R34 AXIAL0.3 RES ]

[U4 DIP-16 74LS153 ]

[U5 DIP-16 74LS153 ]

[U6 DIP-16 74HC4511 ]

[U7 DIP-16 74LS139 ]

[U8 DIP8 NE555 ]

[U10 DIP-14 74LS74 ]

[Y2 DIODE0.4 DIODE ]

[Y3 DIODE0.4 DIODE ]

[Y6 K5 K ]

[Y7 K5 K ]

[Y8 K5 K ]

[Y9 K5 K ]

8.2 原理图和PCB图 原理图如下：

00000

PCB板如下：

8.3 作品照片

附件

元件参数

SR*20302

元件序列

8SEG-LED1

元件封装

0.5INCH-DISP

元件类型

四位LED数码管

1μF

1μF

74LS153

74HC4511

74LS139

NE555

74LS74

POT1

RES

RES

R

DIODE

K

C1

C2

U4,5

U6

U7

U8

U10

Q5

Q1~4

R16~23

R24~27

Y2~3

Y6~31

RAD0.1

RAD0.1

DIP-16

DIP-16

DIP-16

DIP8

DIP-14

VR-6

TO-92

AXIAL0.3

AXIAL0.3

DIODE0.4

K5

电容

电容

四选一集成块

七段译码器

四位计数器

555自动计数器

二位计数器

双链电位器

PNP三极管

510Ω电阻

1K电阻

二极管

1.6K电阻

1

1

2

1

1

1

1

1

4

9

4

2

16

个数/个

1