數(shù)字電子技術課程設計電子色子

1、鄭州科技學院數(shù)字電子技術課程設計 題 目 電子色子 學生姓名 王從鑫 專業(yè)班級 10級自動化一班 學 號 201042033 院 （系） 電氣工程學院 指導教師 趙明冬 完成時間 2013年3月24日 目 錄摘 要11 課程設計的目的12 課程設計的任務與要求12.1 課程設計的任務12.2 課程設計的要求13 設計方案與論證23.1 設計思路23.2 方案選擇34 設計原理與功能說明124.1 設計原理125 單元電路的設計145.1 脈沖電路145.2 計數(shù)部分185.3 顯示部分196 硬件的制作與調試206.1 硬件的制作206.2 電路的調試217 總結21參文獻考22附錄1：總體原

2、理電路圖23附錄2：元器件清單24摘 要骰子是娛樂游戲的一種道具，可以用它來隨機地選取16的數(shù)。本電路設計一個電骰子電路，該電路由電骰子的電路結構決定。電路由rc振蕩電路、計數(shù)器電路、譯碼器電路、led驅動電路、時鐘控制電路五部分電路構成，其中計數(shù)器是整個電路的核心部分，而譯碼器在電路中沒有采用原有的譯碼器，而用門電路來實現(xiàn)，是為了讓電路更簡。1 課程設計的目的(1)通過所學的有關數(shù)字電子技術知識設計出一個電路，有助于鞏固和加強數(shù)字電子技術課程班的理論和知識。(2) 掌握電子電路的一般設計方法，了解電子產品研制開發(fā)過程。(3) 提高電子電路實驗技能和儀器使用能力。(4) 掌握電路安裝及調試方法

3、和故障排除能力。(5) 學會撰寫課程設計報告。(6) 學會查詢手冊及文獻資料。2 課程設計的任務與要求2.1 課程設計的任務 設計一個電子色子，使其與真實的色子相似，使之能發(fā)生翻轉并能顯示1和6之間的某一個數(shù)字。2.2 課程設計的要求（1）電源選擇6v。（2）7盞led放置在電路板上的位置和真實的骰子點數(shù)相同。（3）當開關閉合時7盞led隨機的翻轉，當開關斷開時7盞led某幾盞亮并顯示某一個點數(shù)。3 設計方案與論證3.1 設計思路 電骰子的設計分為脈沖部分、數(shù)字生成部分和顯示部分。脈沖部分可以用555定時器連接成的多諧振蕩電路產生脈沖，數(shù)字部分需要采用計數(shù)器實現(xiàn)，計數(shù)器的功能是統(tǒng)計時鐘脈沖的個

4、數(shù)，由于數(shù)字部分只能生成0和1，還需要一個譯碼器連接顯示部分。這幾個部分之間大致關系圖如圖3-1。顯示器譯碼器計數(shù)器脈沖信號圖3-13.2 方案選擇3.2.1 方案一本方案的脈沖部分采用555定時器構成的多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，電路狀態(tài)能夠自動的不斷變換，產生矩形波的輸出。 方案一的計數(shù)器采用74ls161,計數(shù)器芯片74ls161是4 位二進制同步計數(shù)器（異步清除），161 為可預置的4 位二進制同步計數(shù)器，共有74ls161 和54ls161 兩種線路結構型式，161 的清除端是異步的。當清除端clear 為低電平時，不管時鐘端clock

5、狀態(tài)如何，即可完成清除功能。161 的預置是同步的。當置入控制器load為低電平時，在clock上升沿作用下，輸出端qaqd與數(shù)據(jù)輸入端ad 相一致。對于54/74161，當clock 由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制端enp、ent 為高電平，則load 應避免由低至高電平的跳變，而54/74ls161無此種限制。161 的計數(shù)是同步的，靠clock 同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當enp、ent 均為高電平時，在clock 上升沿作用下qaqd 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于54/74161，只有當clock 為高電平時，enp、ent 才允許由高至低電平的跳變，而

6、54/74ls161 的enp、ent 跳變與clock無關。161有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位輸出端（rco）輸出一個高電平脈沖，其寬度為qa 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成n 位同步計數(shù)器。對于54/74ls161，在clock出現(xiàn)前，即使enp、ent、clear發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。在使用74ls161芯片時，將enp和ent分別接高電平，將時鐘脈沖接到clk端，這樣計數(shù)器就實現(xiàn)了加法計數(shù)功能。 圖3-2 74ls161管腳圖表3-3 74ls161功能表輸入輸出cpcrldptdcbaqdqcqb qa0000010dcbadcba110保持110保持

7、1111計數(shù)圖3-4是譯碼器部分框圖，輸入是來自計數(shù)器的輸出、信號，所以譯碼電路輸入的是000、100、010等6種狀態(tài)，輸出是在a，b，c，d，e，f，g六個端子輸出相應信號。與此相對應的a，b，c，d，e，f，g輸出是服從于圖3-5的電骰子用譯碼器的真值表的數(shù)字輸出。在本設計中使用的led驅動是用“1”使led發(fā)光。 圖3-44511bd譯碼器 圖3-5 cd4511引腳圖cd4511功能介紹如下： bi：4腳是消隱輸入控制端，當bi=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 lt：3腳是測試輸入端，當bi=1，lt=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入

8、dcba 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當le=0時，允許譯碼輸出。 le=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時的數(shù)值。a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 cd4511的工作真值表如下圖鎖存器功能譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成，傳輸?shù)膶ɑ蚪刂褂煽刂贫薼e的低電平狀態(tài)。當le為“0”電平導通，tg2截止，當le為“1”電平時，tg1截止，tg2導通，此時有鎖存作用。譯碼cd4511譯碼用兩級或非門擔任，為了簡化線路，先用二輸入端與非門對輸

9、入數(shù) 據(jù)b、c進行組合，得出四項，然后將輸入的數(shù)據(jù)a、d一起用或非門譯碼。 消隱bi為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使b端輸出為低電平，字形消隱。消隱輸出j的電平為 j=（c+b）d+bi如不考慮消隱bi項，便得j=（b+c）d據(jù)上式，當輸入bcd代碼從1010-1111時，j端都為“1”電平，從而使顯示器中的字形消隱譯碼器電路設計電骰子上led排列在經過計數(shù)器的輸出作用下利用譯碼器，產生使led發(fā)光的信號。led這樣發(fā)出的光點與骰子點數(shù)形狀是一致的。六進制計數(shù)器的輸出有000、101等共六種狀態(tài)。如果把各種輸出原封不動地用led表示，只能得到二進制的表示。因此，使用二進制的數(shù)據(jù)時，需要確

10、定應該使那些led發(fā)光。例如，使用七段數(shù)字表示器時，也需要有決定二進制數(shù)使七段中哪個led發(fā)光的譯碼器，由它來確定形成可讀的、最初選取的數(shù)字的形狀。欲將led排列成骰子點數(shù)的形狀，圖3-7為電骰子的led發(fā)光組合圖。圖3-7電骰子的led發(fā)光組合圖控制電路開關打開輸出0，開關閉合輸出1（高電平）。圖3-8開關圖方案一仿真電路圖圖3-9 方案一仿真圖3.2.2 方案二方案二的脈沖電路仍采用由555定時器構成的振蕩電路。方案二的數(shù)字電路電路采用芯片cd4017。cd4017有10個輸出端（q0q9）和1個進位輸出端q5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖，q5-9就可得到1個進位正脈沖，該進位輸出信號可作為

11、下一級的時鐘信號。cd4017有3個輸入端（mr、cp0和cp1），mr為清零端，當在mr端上加高電平或正脈沖時其輸出q0為高電平，其余輸出端（q1q9）均為低電平。cp0和cpl是2個時鐘輸入端，若要用上升沿來計數(shù)，則信號由cp0端輸入；若要用下降沿來計數(shù)，則信號由cpl端輸入。設置2個時鐘輸入端，級聯(lián)時比較方便，可驅動更多二極管發(fā)光。由此可見，當cd4017有連續(xù)脈沖輸入時，其對應的輸出端依次變?yōu)楦唠娖?，故可直接用做順序脈沖發(fā)生器。cd4017的結構圖如下圖所示：圖3-10 cd4017結構圖cd4017的管腳圖如下圖所示圖3-11 cd4017引腳圖cd4017的引腳功能 cd4017內

12、部是除10的計數(shù)器及二進制對10進制譯碼電路。cd4017有16支腳，除電源腳vdd及vss為電源接腳，輸入電壓范圍為315v之外，其余接腳為：a、頻率輸入腳：clock(pin14)，為頻率信號的輸入腳。 b、數(shù)據(jù)輸出腳：a、q1-q9(pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為解碼后的時進制輸出接腳，被計數(shù)到的值，其輸出為hi，其余為lo 電位。b、carry out（pin12），進位腳，當4017計數(shù)10個脈沖之后，carry out將輸出一個脈波，代表產生進位，共串級計數(shù)器使用。 c、 控制腳：a、clear(pin15)：清除腳或稱復位(reset)腳，當此腳為hi時，

13、會使cd4017的q0為”1”，其余q1-q9為”0”。 b、clock enable(pin13)，時序允許腳，當此腳為低電位，clock輸入脈波在正緣時，會使cd4017計數(shù)，并改變q1-q9的輸出狀態(tài)。方案二的顯示部分用led顯示，用七盞led排成的色子點數(shù)和真實的色子點數(shù)一致，這樣它能產生逼真的色子點數(shù)。3.3.3 方案選擇由于課程設計要求能產生逼真的色子點數(shù)，方案一的顯示部分只能用數(shù)碼管顯示，不能用led代替，而數(shù)碼管不能排成真實的色子點數(shù)，所以采用方案一。4 設計原理與功能說明4.1 設計原理本電路由三部分組成，脈沖部分，數(shù)字部分，顯示部分。由555定時器組成的脈沖部分產生矩形波，

14、輸出高電平和低電平。cd4017是十進制計數(shù)器，其內部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實現(xiàn)對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是00、01、02、.09依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。cd4017的mr為清零端，當在mr端上加高電平或正脈沖時其輸出00為高電平，其余輸出端（009）均為低電平。如圖所示圖4-1 cd4017引腳圖cd4017的1端，3端，4端，7端，10端接顯示部分。由于4017輸出的電流較小，無法驅動led放光，其輸出的電流經過三極管放大后可以驅動led發(fā)光。當cd4017的管腳1為高電平的時候，它將會關閉上面的三級管9012同時開啟驅動led4的三級管901

15、3，而其它的三極管保持關閉狀態(tài)，只有l(wèi)ed4亮，顯示的點數(shù)是1，連接管腳1的是一個10k的電阻網(wǎng)絡，它們所產生的分壓作用會對驅動led4的三級管基極電壓產生影響。由于一個三級管所需要的開啟電壓僅為0.6v，此電路的設計對于開啟電壓留有足夠的裕量，三極管仍然會導通。當輸出管腳當輸出管腳2變?yōu)楦唠娖綍r，只有l(wèi)ed2和led6被點亮。這兩個led代表骰子上的數(shù)字2。當輸出管腳3為高電平時，其輸出電流將驅動led4的三極管和led1，led7的三極管，此時只有l(wèi)ed4，led1，led7,led2，led6發(fā)光，顯示的點數(shù)為5。當輸出管腳4為高電平時，只有l(wèi)ed4，led2，led6發(fā)光，此時顯示的點

16、數(shù)為3。當輸出管腳7為高電平時，只有l(wèi)ed1，led7，led2，led6發(fā)光，此時顯示的點數(shù)為4。當輸出管腳10為高電平時，只有l(wèi)ed2，led6，led1，led7，led3，led5發(fā)光，此時顯示的點數(shù)為6。功能說明本設計電路是一個電子色子，led在電路板上的位置和真實的色子一樣，當開關閉合時，這些led就會向真的色子那樣一遍一遍的翻轉起來，當開關斷開時，led就會立即停止翻轉，并顯示某一點數(shù)。5 單元電路的設計5.1 脈沖電路由555定時器構成的多諧振蕩電路可以產生矩形波。 555電路的結構組成和工作原理 1)電路組成及其引腳圖5-1 555電路結構圖5-2 555定時器引腳圖它含有兩

17、個電壓比較器，一個基本rs觸發(fā)器，一個放電開關t，比較器的參考電壓由三只5k的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器c1同相比較端和低電平比較器c2的反相輸入端的參考電平為和。c1和c2的輸出端控制rs觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接。 vco是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器a1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種

18、控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾當t導，以確保參考電平的穩(wěn)定。t為放電管，通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。(2)555電路的引腳功能觸發(fā)閾值復位is放電端輸出h導通lh原狀態(tài)h截止hl導通l由555定時器組成的多諧振蕩器如圖5-4所示 圖5-4 555定時器構成的振蕩電路設電容的初始電壓uc0，t0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端vthvtl=01/3vcc，比較器a1輸出為高電平，a2輸出為低電平，即rd=1，sd=0（1表示高電位，0表示低電位），r-s觸發(fā)器置1，定時器輸出uo=1，此時q=1，定時器內部放

19、電三極管截止，電源vcc經向電容c充電，uc逐漸升高。當uc上升到1/3vcc時， 輸出由0翻轉為1，這時rd=rs=1，r-s 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0tt1期間,定時器輸出uo為高電平1。t=t1 時刻，uc上升到2/3vcc，比較器a1的輸出由1變?yōu)?，這時rd=0，rs=1，r-s 觸發(fā)器復0，定時器輸出uo=0。 t1tt2期間，q=0，放電三極管t導通，電容c通過r2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降，當uc2/3vcc時比較器a1輸出由0變?yōu)?，r-s觸發(fā)器的rd=sd=1，q的狀態(tài)不變，uo的狀態(tài)仍為低電平。 t=t2時刻，uc下降到1/3vcc，比較器a2輸出由1變?yōu)?，r-s觸發(fā)器

20、的rd=1，sd=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出uo=1。此時電源再次向電容c放電，重復上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出uo=1，電容放電時uo=0， 0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?。振蕩周期t=t1+t2。t1為電容充電時間，t2為電容放電時間。充電時間t1=（r1+r2）c20.7（r1+r2）c；放電時間t2=r2c20.7r2c； 矩形波的振蕩周期t=t1+t2=2（r1+2r2）c0.7（r1+2r2）c。因此改變r1、r2和電容c的值，便可以改變矩形波的周期和頻率

21、。對于矩形波，除了用幅度、周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=（脈寬tw）/（周期t）。5.2 計數(shù)部分如下圖所示，是計數(shù)部分電路圖。其14引腳高電平有效，接555定時器的3引腳，接收脈沖信號。cd4017的前5個輸出端（0105）接顯示電路，15引腳是4017的復位端，當其接高電平時，4017的輸出端00變?yōu)楦唠娖?，其余端為低電平，這樣只有4017的前5個輸出端工作，當05輸出端為高電平后，06端變?yōu)楦唠娖剑?5端為高電平，隨后00端變?yōu)楦唠娖剑?017就在0005輸出端之間循環(huán)，依次變?yōu)楦唠娖?，輸出的電流經三極管放大后驅動不同組合的led發(fā)光。圖5-5 計數(shù)部分電路圖5.3 顯示部

22、分顯示部分主要有l(wèi)ed和三極管組成。由于4017輸出的電流小，無法驅動led放光，當用三極管把輸出的電流放大后足以驅動led發(fā)光。三極管有兩個作用，一個是放大4017輸出的電流，另一個作用是不同的三極管導通使不同的led組合發(fā)光，這樣就使不同數(shù)量的led發(fā)光，就顯示不同的點數(shù)。led在電路板上的排列和真實的色子位置一樣，這樣就能顯示逼真的色子點數(shù)。顯示部分電路圖如圖圖5-6 顯示部分電路圖6 硬件的制作與調試6.1 硬件的制作電子電路要達到設計要求，不僅取決于電路原理圖的正確設計，而且還與電路安裝的合理性 密切相關。本設計電路的電路板選取5cm*9cm的電路板，在此電路電路板焊接此電路空間足夠大。在布放元器件時 ，采用了先布放高度低的元件，這樣有利于焊接的方便。元件大都布放在電路板的中間位置，且比較分散，有利于發(fā)熱元器件的散 熱。相關電路部分就近安放，避免了走遠路，繞彎子。元件在焊接過程中，距離較近的元件直接用錫連接了起來，距離較遠的元件用導線連接。焊接時，觸點需要連接導線的地方錫用的比較多點。最后焊上電池盒，檢查電路是否焊接錯誤，安上4節(jié)5號電池。6.2 電路的調試把電子元器件連接起來，實現(xiàn)特定功能的關鍵一步是調試。在電路通電之前我們對電路進行了細致的檢查，我們比照原電路圖檢查一個元部件，看元器件是否正負極焊接反向，之后我們又檢查每一個焊接點及導線