課程設(shè)計之電骰子

1、目錄摘要.21 結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案選擇.31.1關(guān)于實現(xiàn)電動骰子功能的設(shè)計.31.2設(shè)計方案選擇.41.2.1方案一.41.2.2方案二.91.2.3方案三.121.2.4方案選擇.132.硬件設(shè)計.142.1計數(shù)器與數(shù)碼管的設(shè)計.142.2時鐘脈沖信號的設(shè)計.152.3整體設(shè)計.162.4擴展設(shè)計.17結(jié)束語.19參考文獻.20附錄.21摘要電動骰子的的設(shè)計和制作需要綜合運用電子、電路的知識，需要運用計數(shù)器產(chǎn)生1至6六個數(shù)字，并用數(shù)碼管顯示，然后用開關(guān)控制，達到現(xiàn)實中擲骰子的效果。計數(shù)器的功能是統(tǒng)計時鐘脈沖的個數(shù)，利用這個功能和反饋置數(shù)使計數(shù)器實現(xiàn)1至6的計數(shù)。時鐘脈沖的制作可以使用555定時器

2、構(gòu)成多諧振蕩器，也可以使用石英晶體制作多諧振蕩器。最后本文就整體設(shè)計思路進行了說明，并進行了歸納、總結(jié)。關(guān)鍵詞：計數(shù)器、脈沖信號、555定時器電骰子的設(shè)計與制作1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案選擇1.1關(guān)于實現(xiàn)電骰子功能的設(shè)計 電骰子的設(shè)計分為數(shù)字生成部分、顯示部分和脈沖部分。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)計時鐘脈沖的個數(shù)，將計數(shù)器的輸出端連接到顯示部分就可以顯示數(shù)字。計數(shù)器的部分需要在1至6之間進行循環(huán)，這利用計數(shù)器的反饋預(yù)置數(shù)法?！胺答侇A(yù)置數(shù)法”的LD端控制信號由計數(shù)器的輸出端的信號通過門電路實現(xiàn)。預(yù)置數(shù)從D3D2D1D0輸入，同步預(yù)置數(shù)功能的預(yù)置數(shù)為（1111-M）+1（加法）或（M-1

3、）（減法）；異步預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)為（1111-M）（加法）或M（減法）。如九進加法計數(shù)，同步預(yù)置控制功能的預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)為D3D2D1D0=0111，即第八個CP作用后，產(chǎn)生預(yù)置數(shù)信號，第九個CP時預(yù)置數(shù)為0111；異步預(yù)置數(shù)據(jù)為0101。又如九進制減法計數(shù)，同步預(yù)置控制功能的預(yù)置數(shù)據(jù)為1001-1=1000，計數(shù)過程為1000011110110201013010040011500106000170000810009；異步預(yù)置數(shù)據(jù)為1001，計數(shù)過程為1001100010111201103010140100500116 0010700018（0000）10009，下標數(shù)字表示第幾個時鐘脈沖作用后的輸出情

4、況。若LD端輸入控制信號不用Co或Bo端的輸出信號，而改用計數(shù)器Q3Q0端輸出信號進行組合（相與、與非、或、或非）后的信號，則應(yīng)該按照計數(shù)過程推算得出結(jié)論。 脈沖信號的生產(chǎn)可以使用555定時器來實現(xiàn)，也可以用石英晶體來實現(xiàn)。555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成多諧振蕩器。因此集成555定時被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或

5、圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 這些設(shè)備完成后就要設(shè)計顯示部分，由數(shù)碼管和7448七段顯示譯碼器構(gòu)成顯示部分。將計數(shù)器的輸出端連接到7448芯片的輸入端，然后將7448芯片與數(shù)碼管連接。計數(shù)部分顯示部分脈沖信號圖1-1 電骰子的流程圖1.2方案選擇1.2.1方案一計數(shù)器芯片74161是4 位二進制同步計數(shù)器（異步清除），161 為可預(yù)置的4 位二進制同步計數(shù)器，共有54/74161 和54/74LS161 兩種線路結(jié)構(gòu)

6、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狀態(tài)如何，即可完成清除功能。161 的預(yù)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(yīng)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54/7

7、4161，只有當CLOCK 為高電平時，ENP、ENT 才允許由高至低電平的跳變，而54/74LS161 的ENP、ENT 跳變與CLOCK無關(guān)。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1-2 74LS161管腳圖表1-3 74LS161功能表輸入輸出CpCRL

8、DPTDCBAQDQCQB QA0000010DCBADCBA110保持110保持1111計數(shù)圖1-4 555定時器555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用CMOS工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)

9、用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC/3和2VCC /3。555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當5腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大于VCC /3，則C1的輸出為0，C2的輸

10、出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。圖1-5 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)由555定時器組成的多諧振蕩器如圖1-6所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖1-7所示。設(shè)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(nèi)部放電三極管截止，電源VCC經(jīng)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(zhuǎn)為1，這時RD=RS=1，R-S 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0t

11、t1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(fù)0，定時器輸出Uo=0。 t1tt2期間，Q=0，放電三極管T導(dǎo)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(fù)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U

12、o=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(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋D1-6 555多諧振蕩器原理圖 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。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）。圖1-7多諧振蕩器的工作波形1

13、.2.2方案二圖1-8 方案二電路圖192為可預(yù)置的十進制同步加、減計數(shù)器。192 的清除端是異步的。當清除端（MR）為高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能。192 的預(yù)置是異步的。當置入控制端LD為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0Q3）即可預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）相一致的狀態(tài)。192 的計數(shù)是同步的，靠CPD、CPU同時加在 4 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 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。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別利用CPD、CPU，此時另一個時鐘應(yīng)為高電平。當計數(shù)上溢出時，進位輸出端Co輸出一個低

14、電平脈沖，其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖；當計數(shù)下溢出時，錯位輸出端Bo輸出一個低電平脈沖，其寬度為CP低電平部分的低電平脈沖。當把Co和Bo分別連接后一級的CPD、CPU，即可進行級聯(lián)。圖1-9 計數(shù)器40192管腳圖 在40192集成計數(shù)器的邏輯功能如圖1-9所示，表中表示時鐘脈沖的上升沿，從表中可以看出，不管是加法計數(shù)過程，還是減法計數(shù)過程，都是在計數(shù)時鐘脈沖上升沿觸發(fā)的。在計數(shù)過程中，必須使清零端接低電平，預(yù)置數(shù)端接高電平，當脈沖出現(xiàn)上升沿時計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能。表1-10 計數(shù)器40192功能表石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加

15、交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。石英諧振器按引出電極情況來分有雙電極型、三電極型和雙對電極型幾種。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。石英晶體振蕩器摘要性能指標

16、：標稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標稱值。可選頻率范圍：我們所能提供的某種規(guī)格的振蕩器的可實現(xiàn)的頻率輸出。頻率溫度穩(wěn)定度：在指定溫度范圍內(nèi)振蕩器的輸出頻率相對于25C時測量值的最大允許頻率偏差。老化：在確定時間內(nèi)輸出頻率的相對變化。占空比：反映輸出波形的對稱性，也就說，在一個周期內(nèi)，高電平與低電平所占比例之比。上升時間：方波從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的時間。下降時間：方波從高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時間。諧波：振蕩器在相對于輸出頻率諧振點處的抑制。圖1-11 石英晶體振蕩器電路圖1.2.3方案三在發(fā)現(xiàn)用單穩(wěn)態(tài)很難達到延遲和頻率變化的效果后，而且壓控振蕩電路的輸入不能直接用電壓幅度（幅值）可變的交流電

17、壓源。于是我們換思路思考，決定把555壓控振蕩器換成另一壓控振蕩電路，即電壓頻率轉(zhuǎn)換電路（參考模電P466電路）。該壓控振蕩器由一個積分電路和一個比較器組成。原理是利用積分運算電路輸出電壓的變化去控制壓控振蕩器輸出頻率的變化（開關(guān)斷開后脈沖波頻率漸漸變小），數(shù)碼顯示計數(shù)頻率漸漸變慢。當經(jīng)過5到10秒的時間后，電壓達到一定值時，也就是說超過壓控振蕩器可控電壓范圍后，振蕩器失效，計數(shù)停止。從而就實現(xiàn)了電子骰子的功能要求。但是在Multisim仿真過程中，遇到了問題。單獨仿真積分電路時輸入直流，輸出也是直流，幅值沒有變化，這與理論不符，說明在Multisim中仿真不出我們想要的結(jié)果。在Multisi

18、m仿真中，電壓頻率轉(zhuǎn)換（壓控振蕩器），可以仿真出來脈沖波，問題是它的脈沖波略有失真，并沒有比我們先前使用的555壓控振蕩器的脈沖波的波形好看，所以這個方案無法用Multisim仿真軟件實現(xiàn)。該方案理論上是可以實現(xiàn)的，但是可能是Multisim仿真軟件自身存在著問題，所以無法實現(xiàn)。數(shù)碼顯示器六進制計數(shù)器電壓頻率轉(zhuǎn)換電路（壓控振蕩器）積分運算電路（控制電壓變化）圖1-12 電路原理圖圖1-13 積分型電路圖1.2.4方案選擇經(jīng)過分析，在計數(shù)器芯片的選擇上，因為74161和74192功能上基本相近，區(qū)別只是在置數(shù)控制端上，74161為同步預(yù)置數(shù)，而74192為異步預(yù)置數(shù)。電骰子的數(shù)值在1至6之間，所

19、以不能采用反饋置零法和反饋清零法，故在電骰子的制作中要使用置數(shù)功能，所以首要考慮的就是置數(shù)功能。74161為同步置數(shù)，在反饋是只要將輸出Q2Q3通過與非門接到74161的置數(shù)端即可。74192為異步置數(shù)，在反饋時要將輸出Q1Q2Q3通過與非門接到74192的置數(shù)端。其他部分兩種芯片的使用方法基本相同，由于兩輸入與非門更加使用，故使用74161芯片。通過555定時器制作時鐘脈沖方便簡單，只需外接電阻電容即可制作成需要的脈沖。所以經(jīng)過綜合分析，選用方案一。2 硬件設(shè)計2.1計數(shù)器與數(shù)碼管的設(shè)計顯示部分采用七段數(shù)碼管和七段顯示譯碼器7448一起實現(xiàn)，將數(shù)碼管與七段顯示譯碼器7448按照圖2-1的方式

20、連接，然后將七段顯示譯碼器7448的四個輸入端連接到計數(shù)器74LS161的四個輸出端即可。圖 2-1 數(shù)碼管顯示電路在計數(shù)器的設(shè)計中，因為電骰子窯實現(xiàn)1到6的循環(huán)變化，所以要是計數(shù)器實現(xiàn)1到6的六進制循環(huán)，采用反饋預(yù)置數(shù)的方式。把計數(shù)器的輸入端置數(shù)D3D2D1D0=0001，將計數(shù)器的輸出端Q2和Q3通過與非門連接到計數(shù)器芯片的置數(shù)端，低電平有效。因為74LS161為同步置數(shù)，當計數(shù)器加計數(shù)至6時，Q2和Q3都為高電平，通過與非門后為低電平，當下一個脈沖上升沿到來時，計數(shù)器完成置數(shù)，輸出端杯置數(shù)為0001，數(shù)碼管顯示為1，這樣就完成了從1到6的循環(huán)計數(shù)。圖2-2 計數(shù)器與數(shù)碼管連接圖2.2時鐘

21、脈沖信號的設(shè)計時鐘脈沖信號的產(chǎn)生由555定時器和電阻、電容構(gòu)成。將2、6端并聯(lián)，再與RC構(gòu)成的充放電電路的串聯(lián)點連接，將7端接到放電點。其中電容C2起穩(wěn)定輸出電壓的作用。在電骰子的電路中，時鐘脈沖控制計時器芯片74LS161實現(xiàn)加法計數(shù)功能，所以對時鐘脈沖的頻率要求不高，只要保證頻率足夠大，使數(shù)碼管顯示數(shù)字不能被人眼分辨即可，所以只需要50Hz左右即可滿足要求。 電容C1的充電時間T1=（R1+R2）C2；放電時間T2=R2C2； 矩形波的振蕩周期T=T1+T2=2（R1+2R2）C；頻率f=1/T；選擇電阻R1=1k，R2=1k，C1=10uF，得出f=1/2（R1+2R2）C148Hz。圖

22、2-3 時鐘脈沖電路2.3 整體設(shè)計在之前的設(shè)計中，我們已經(jīng)討論了計數(shù)器的設(shè)置和顯示數(shù)碼管的連接方式，并且制作了基于55定時器的時鐘脈沖，下面我們需要完成的工作就是把這些部分連接到一起。在確定如何完成擲骰子的動作方面，我們考慮使用開關(guān)，因為開關(guān)方便，易于操作。那么如何實現(xiàn)像現(xiàn)實生活中的擲骰子的效果，即在1至6這六個數(shù)字中隨機的產(chǎn)生一個數(shù)字呢？因為計數(shù)器74LS161是上升沿觸發(fā)的計數(shù)器，所以不論當計數(shù)器74LS161的CLK端是高電平還是低電平，計數(shù)器都不會實現(xiàn)計數(shù)功能，而是保持之前的數(shù)字不變。我們就利用這個原理，將時鐘脈沖和一個單刀雙擲開關(guān)通過與門連接起來，然后將與門的輸出送到計數(shù)器74LS

23、161的CLK端。將單刀雙擲開關(guān)的兩端分別連到高電平和地。這樣，當開關(guān)擲向高電平時，高電平與時鐘脈沖相與，與門輸出仍為時鐘脈沖，計數(shù)器74LS161實現(xiàn)計數(shù)功能，在1到6之間循環(huán)計數(shù)；當開關(guān)擲向地時，低電平與時鐘脈沖相與，與門輸出為低電平，計數(shù)器74LS161保持之前的狀態(tài)，數(shù)碼管靜態(tài)顯示之前計數(shù)器輸出的數(shù)字。這樣，一次擲骰子的過程就結(jié)束了。圖2-4 整體設(shè)計電路2.4 擴展設(shè)計在現(xiàn)實生活中，通常會同時用三個骰子，比如在玩麻將或者擲骰子賭博中就是到三個骰子，所以為了和實際生活想貼近，我們特別設(shè)計了一套拓展方案，即實現(xiàn)三個骰子的功能。電路如圖2-5。圖2-5 三個骰子的電路圖在這個電路中，脈沖信

24、號為具體給出，因為上文應(yīng)經(jīng)給出了詳盡的原理圖，此處僅用DClock代替。圖中的計數(shù)器芯片的連接方式和單個骰子的連接方式的區(qū)別僅僅表現(xiàn)在后兩個骰子的CLK端的輸入信號上，后兩個計數(shù)器芯片的CLK輸入端連接到前一個電路的與非門的輸出端。第一個骰子在時鐘脈沖的上升沿的作用下進行1至6的加法計數(shù)，在加法計數(shù)過程中，計數(shù)器芯片74LS161的輸出端Q2Q3通過與非門輸入到置數(shù)端，并將與非門的輸出作為下一個計數(shù)器芯片的脈沖信號，這是因為當計數(shù)器輸出Q3Q2Q1Q0為0001、0010、0011、0100、0101時與非門輸出為高電平，只有當計數(shù)器輸出Q3Q2Q1Q0為0110時與非門的輸出為低電平，所以在

25、一個計數(shù)周期內(nèi)就產(chǎn)生了一個上升沿；同理，第三片計數(shù)器芯片利用第二片的與非門輸出。結(jié)束語經(jīng)過兩個星期的努力研究，每一次突破，都給我們帶來喜悅。最終我們小組獲得成果，兩個星期來的汗水沒有白流，我們不僅收獲了做電路設(shè)計和仿真上的經(jīng)驗，同時也收獲到享受成功時的那份心情，從苦到甜。從本次課程設(shè)計中，我們深深體會到自己實際動手能力方面的不足，經(jīng)過這次對我們的考驗，我們學(xué)會了運用很多以前學(xué)過的知識，去實現(xiàn)我們想要做的東西；我們也學(xué)會了執(zhí)著與堅持，因為要想獲得成功就得需要很強的毅力?；仡^想想，一項研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出來的，要經(jīng)過不斷努力和試驗才能實現(xiàn)。經(jīng)過這次課程設(shè)計，我們系統(tǒng)地利用了電路，模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的知識，將三門學(xué)科有機地結(jié)合起來，增強我們的理論知識，因為在課堂上我們只是學(xué)習(xí)單一的一門學(xué)科，沒有將幾門學(xué)科結(jié)合起來，雖然各自的學(xué)科學(xué)習(xí)掌握的情況還不錯，但是一