數(shù)電課程設計八路彩燈控制器

1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 電子技術課程設計 課題名稱 彩燈控制器 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 1102 學 號 201101010210 姓 名 郭昕 指導教師 田莉 2013年 12月 27日湖南工程學院課程設計任務書 課程名稱： 電子技術課程設計 題 目： 多功能數(shù)字鐘電路 專業(yè)班級：電氣1102 學生姓名：郭昕 學號：201101010210 指導老師：田莉 審 批：田莉任務書下達日期 2013年 12月 16日設計完成日期 2013年 12月 27日設計內容與設計要求一、設計內容；該控制器實現(xiàn)以下功能：設計一個8路移存型彩燈控制器，彩燈用發(fā)光二極管LED模擬；基本要求

2、如下：1. 8路彩燈能演示三種花型（花型自擬）；2. 實現(xiàn)快慢兩種節(jié)拍的變換。二、設計要求：1設計電路實現(xiàn)題目要求；2設計思路清晰，給出整體世界框圖，提供總電路圖及基本原理；3. 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；4. 安裝、測試電路；5. 故障分析與電路改進；6. 寫出設計報告。主要設計條件1. 在南院四樓“綜合實驗室”和“電子實驗室”調試; 2. 提供調試用試驗箱和電路所需要的原件芯片；說明書格式1、 課程設計封面；2、 任務書；3、 說明書目錄；4、 設計總體思路，基本原理和框圖；5、 單元電路設計（各單元電路圖）；6、 總電路設計（總電路圖）；7、 安裝、調試步驟；8、 故障分析與

3、電路改進；9、 總結與設計調試體會；10、 附錄（元器件清單）；11、 參考文獻；12、 課程設計成績評分表。進 度 安 排第一周 星期一：課題內容介紹和查找資料； 星期二：總體電路設計和分電路設計； 星期三：電路仿真,修改方案星期四：確定設計方案，擬訂調試方案,畫出調試電路圖,安裝電路； 星期五：安裝、調試電路；第二周 星期一三：安裝、調試電路；星期四五：驗收電路,寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五下午：帶調試電路板及設計報告書進行答辯，整理實驗室及其他事情參 考 文 獻1.電子線路設計、實驗、測試（第二版）華中理工大學出版社-謝自美 主編2.新型集成電路的應用-電子技術基礎課程設計華中理工

4、大學出版社 梁宗善 主編3.電子技術基礎實驗 高等教育出版社-陳大欽 主編4.電子技術課程設計指導高等教育出版社-鵬介華 主編目 錄一 課程設計題目（與實習目的）7（一）、題目：多路彩燈控制器7（二）、實習目的：7二 總體方案的選擇7（1）總體方案的設計7（2）總體方案的選擇8三 單元電路的設計9（1）花型演示電路9（2）花型控制信號電路13（3）節(jié)拍控制電路14（4）時鐘信號電路原理圖16四 總體電路圖（見附頁）18五 電路組裝后，實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形18六 安裝、調試過程21七 故障分析與電路改進22（一）、鞏固數(shù)電知識23（二）、學會用電路板、芯片、導線等組裝各種功

5、能的電路；23（三）、和同學共同合作、互相學習、共同進步24八 總結：24九 附錄（元器件清單）：25十 參考文獻。25一 課程設計題目（與實習目的）（一）、題目：多路彩燈控制器（二）、實習目的：1進一步掌握數(shù)字電路課程所學的理論知識。2熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應用，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。3了解數(shù)字系統(tǒng)設計的基本思想和方法，學會科學分析和解決問題。 4培養(yǎng)認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的工作態(tài)度。5數(shù)點課程實驗是大學中為我們提供的唯一一次動手實踐的機會，增強動手實踐的能力。二 總體方案的選擇（1）總體方案的設計針對題目設計要求，經(jīng)過分析與思考，擬定以下二種方案：

6、方案一：總體電路共分三大塊。第一塊實現(xiàn)花型的演示；第二塊實現(xiàn)花型的控制；第三塊實現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生。主體框圖如下： 時鐘信號CP產(chǎn)生電路花型控制電路花型演示電路方案二：在方案一的基礎上將整體電路分為四塊。第一塊實現(xiàn)花型的演示；第二塊實現(xiàn)花型的控制；第三塊實現(xiàn)節(jié)拍控制；第四塊實現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生。并在部分電路的設計上與方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。主體框圖如下：根據(jù)所提供的實驗器材各模塊總體思路如下：時鐘信號CP電路：參見高等教育出版社 王淑銀主編的數(shù)字電路與邏輯設計課本P404圖10-3-6（a）;花型控制電路：由1614位二進制同步計數(shù)器完成；花型演示電路：由195 雙向移位寄存器完

7、成（可左移右移完成花型變化）；節(jié)拍控制電路：節(jié)拍變化由151八選一數(shù)據(jù)選擇器完成，節(jié)拍的快慢變化可有74雙上升沿D觸發(fā)器完成，它可實現(xiàn)二分頻。（2）總體方案的選擇方案一與方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而設計的，方案二加入了節(jié)拍的變化，花型控制電路和花型演示電路的CP都是節(jié)拍控制之后的CP。兩種方案的基本思路相同，將整個設計電路的功能模塊化，設計思想比較簡單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。這么設計的出發(fā)點是：電路設計模塊化，易于檢查電路，對后面的電路組裝及電路調試都很方便?；ㄐ涂刂齐娐泛唵?，花型也比較簡單。由于在設計的構想時期，已經(jīng)確定將電路模塊化，設計的過程中又已經(jīng)將節(jié)拍

8、控制電路設計出來，通過仿真軟件也實現(xiàn)了設計要求分頻。方案二同時完成了選做的要求，只要確保每一模塊實現(xiàn)其功能方案二并不難也不復雜，為了確保短時間內完成課程設計和高效率，我選擇了方案二。三 單元電路的設計（1）花型演示電路 由二片移位寄存器194實現(xiàn)。其八個輸出信號端連接八個發(fā)光二極管，用其輸出信號控制發(fā)光二級管的亮滅實現(xiàn)花型演示。而花型之間的變化通過花型控制電路的輸出即161級聯(lián)的計數(shù)器輸出控制（它們由同一個CP脈沖控制）。三種花型變換樣式花型1：8路燈分兩半。從左至右漸亮，全亮后，再分兩半從左至右漸滅。循環(huán)兩次；花型2：從中間到兩邊對稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅。循環(huán)兩次；花型3

9、：從左至右順次漸亮。全亮后逆序漸滅。循環(huán)兩次。移存器輸出狀態(tài)編碼表節(jié)拍序號花型1花型2花型310000000000000000000000002100000000001100010001000311000000001111001100110041110000001111110111011105111100001111111111111111611111000111001110111011171111110011000011001100118111111101000000100010001911111111100111111111001111111200011111130000111114000

10、0011115000000111600000001我的設計是每種花型完整顯示兩遍，所以三種花型完全顯示一遍需要的總結拍數(shù)為64，即116顯示第一個花型，1732顯示第二個花型，3364顯示第三個花型。要用194實現(xiàn)三個花型的連續(xù)顯示必須對兩片194的S1、S0和SL、SR一句節(jié)拍的變化進行相應的改變,通過161的輸出反饋來控制經(jīng)過觀察每16個CP低位片輸出Q1Q4變化比較頻繁,根據(jù)變化的花型頻率選用高位片的Q5Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的變化從而實現(xiàn)滑行的變化?，F(xiàn)將兩片194分為低位片1和高位片2，再將其輸出端從低位到高位記為L1L8。列出各花型和其對應的194的S1、S0、SL

11、、SR的輸入信號及節(jié)拍控制信號列表如下：(用Li表示Li的取非)花型低位片高位片節(jié)拍控制信號SLSRS1S0SLSRS1S0QA QB1XL801XL40100XL801XL401102L8X10XL801013XL801XL80111列出卡諾圖分析194低位片 QA QB 0 1 QA QB 0 1 0 X X 0 0 0 1 L8 X 1 1 0SL=L8 S1=QB . QA QA QB 0 1 QA QB 0 1 0 L8 L8 0 1 1 1 X L8 1 0 1SR=L8SL= ( QA . Q B)194高位片 QA QB 0 1 QA QB 0 1 0 X X 0 L8 L8

12、1 X X 1 L4 X L4SL=XSR= QB . L4+ QB .L8 QA QB 0 1 QA QB 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1S1=0S0=1由上圖分析可以得到控制194高、低位片的左移右移變化控制端S1、S0以及串行輸入端的由161的輸出端QA、QB和本身輸出端L4和L8控制。用去QAQD表示161從低位到高位的個輸出端?？刂平Y果表達式如下：194低位片194高位片S1=QF . QES1=0S0=S1S0=1SL=L8SL=XSR=L8SR=QB. L8+QB. L4電路圖如下：（2）花型控制信號電路由二片161級聯(lián)的模128（三種花型節(jié)拍每種顯示兩遍

13、，再總體重復一遍的總節(jié)拍數(shù)）計數(shù)器。161的級聯(lián)用的是同步，并用QH清零。當三種花型全新顯示一遍后（總共64拍）161的輸出變?yōu)?0000100所以將161高位片的Q2（即QG）信號輸給節(jié)拍控制電路的151的A來通過節(jié)拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來自節(jié)拍控制電路中74LS151的輸出端Y。電路圖如下：（3）節(jié)拍控制電路 由一片151和一片74級聯(lián)實現(xiàn)。整體上實現(xiàn)脈沖頻率的變換，即交替產(chǎn)生快慢節(jié)拍。 令74的Vcc，CLR，PR都接高電平，將Q的輸出接到D端，Q端的輸出接到151的D1端。令151的B,C,G,GND,D2D7接低電平，Vcc接高電平，D0接時鐘信號的CP

14、脈沖，A端接由花型控制電路的QG輸出。 所以Y端的輸出就為：Y=CP·A+Q·A (Q是74D觸發(fā)器的輸出端)由D觸發(fā)器具有記憶功能，記錄上一個狀態(tài)，所以在每一個CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個脈沖）。也就比時鐘信號電路的CP脈沖慢了一拍。 所以通過A為0或1選擇Y端輸出的脈沖的頻率。A端接的是161的高位片的QC即當?shù)竭_第64拍時QC為1接下來的65128拍為變慢后的脈沖輸出。電路圖如下:（4）時鐘信號電路原理圖 由一片555加上適當電容及電阻實現(xiàn)。電容?。?.7f 0.01f電阻?。?50 k 4.7 k 電路圖如下：四 總體電路圖（見附頁）注:由于仿真畫

15、圖時芯片復雜，CP產(chǎn)生電路產(chǎn)生用電源代替（已試驗，可以等效）。五 電路組裝后，實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形1基本CP脈沖產(chǎn)生電路波形圖與分頻電路波形圖2. 測試波形: (列依次為CP脈沖,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即QA-QH)花型一：花型二：花型三：六 安裝、調試過程本次數(shù)字電路課程設計總共用了4天完成的，這幾天都在學習思考，每一天都有所收獲，都有所進步。第一天剛剛分到題目的時候有些興奮和激動，數(shù)電的基礎不差，加上數(shù)電試驗都是踏踏實實認真完成的。對于161、194和其他器件的功能和應用都很熟悉。但是在具體設計電路時出現(xiàn)了疑惑。用194去實現(xiàn)一個花型很

16、簡單，如果是三個分開比較麻煩，但是本次設計要同時實現(xiàn)三個花形，是通過151來選擇呢還是是手動呢？手動有些不切實際。經(jīng)過思考沒有得到解決，只覺得161的計數(shù)器如果不去反饋控制194的變化，那么它的存在價值不大，接下來我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始設計，我用了學校發(fā)的教材里所提供的前兩種，并在網(wǎng)上找了一些資料后，我自己也在前兩種的基礎上設計了幾種。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，書中介紹比較粗略，但并不影響設計，只要知道S1、S0、SL、SR的作用即可。還是在思考一下，如果給161和194的CP是同步的那么就每來一個上升沿161計數(shù)一次同時194的變化一次，每個

17、花型需要的CP脈沖數(shù)是固定的，也就是說只要通過計數(shù)器的反饋就可以控制滑行之間的轉換。但是161的輸出端有8各，具體怎么控制呢？想不通的，就回歸到數(shù)電課本上去，列出狀態(tài)轉移表，來找規(guī)律。通過觀察終于成功用兩個161的輸出端來反饋，這樣電路就非常簡單了，還能實現(xiàn)功能，經(jīng)過一天的努力拼搏終于把它解決，真的很有成就感。期間確實遇到了許多問題，但經(jīng)過課本和網(wǎng)絡的資料在向老師詢問才得以把它解決。第二天，由于已經(jīng)設計好，我們就準備找老師檢查我們的仿真圖，由于我們這組十人，所以分了兩組，我們這組與另一組的有些不同，但原理基本上差不多，老師看見我們仿真的很成也很欣慰。第三天我們就去老師那里領取器材，便開始進行最

18、近單元CP脈沖產(chǎn)生電路。因為書上有完好的電路圖直接照著連就OK?？墒菃栴}并不是想的那么簡單，因為我一開始操作就不知道怎樣布線才合理，常出現(xiàn)看著電路圖不知道這條線該走哪兒連過去，看過老師的示范電路板的布線后，特別的佩服，所以當然要學習了，于是自己也那樣連線，盡量走直線。連完時鐘電路后，滿以為會很成功，因為我的電路連得很簡潔，隨后我就繼續(xù)連接其他的芯片，看著電腦的仿真圖大約用了一個多小時去連線，最終聯(lián)好了，正當我們欣喜不已的時候，結果通上脈沖信號電后燈居然不能按仿真圖上那樣運行，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，但我沒有放棄，我就逐步的檢查看那里出了錯誤，仿真沒錯的話那肯定是接線的錯誤，所以經(jīng)過

19、我仔細檢查后，最終花了一下午的時間把它給接好。555芯片在仿真圖里面是沒有的，所以需要重新制作，但經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)555可用脈沖信號代替。第四天我們開始叫老師檢查，燈的花絮確實像昨天仿真的那樣按次序亮，經(jīng)老師檢查無誤并記錄我們的名字后我們這一組的課程設計就算圓滿成功了。七 故障分析與電路改進本次課程設計我只用了一個星期的時間就全部做完，效率很高，因為在設計之前根據(jù)設計的要求，每個模塊都仔細的設計分析了，正是整個過程我都認真的態(tài)度和方案選擇合適，才有這么高的效率。而且從本次課程設計中收獲很多。可以總結為以下的幾點：（一）、鞏固數(shù)電知識這次課程設計主要是運用數(shù)字電路邏輯設計的一些相關知識，在整個

20、實習過程中，都離不開對數(shù)字電路課程知識的再學習。我在最開始，就先將實習用到的知識通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍（這也是對這門課的復習，給以后的復習備考減少了很多負擔），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設計起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數(shù)字電路實驗指導書， 關于芯片的管腳，里面有詳細的描述。（二）、學會用電路板、芯片、導線等組裝各種功能的電路；雖然這不是第一次用電路板，因為之前的課內實驗也用過，但當時的運用也只是囫圇吞棗的感覺。這次的實習中應用了整塊板子，實習后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運用。實習中通過對電路的連接也懂得了如何通過設計的分析對所連電路的整體布局，如何更好的放置

21、芯片在最合適的位置。在導線的連接上，如何選擇導線走向是關鍵，我們應該盡量保證所連電路的簡捷，寧短勿長，合理布線。一個完美的作品不僅要能很好的完成要求實現(xiàn)功能，還要在感官上給人美的享受。所以站在美的角度對自己的電路進行改良是很必要的。（三）、和同學共同合作、互相學習、共同進步最初大家沒思路的時候，特別的著急，我想出來了，大家問我，我就說了我的思路，我們不是抄襲，只是探討，每個人都理解了才開始設計，我做的循環(huán)兩遍，他們的都不是。我們的設計不同，我只是給大家啟發(fā)了一個思考點。理論上我先設計出來，但在實習中經(jīng)常會遇到一些自己可能暫時無法想明白的問題，請教同學或老師是很好的做法，節(jié)省時間，也會從別人身上

22、學到更多。在設計時和同學相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的意見，他人的設計也可能有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優(yōu)方案最終一定會得到最好的設計方法，所以團結合作在一個團隊里面是很重要的。八 總結：本次試驗中包括CP的產(chǎn)生電路用的555芯片，但我覺得555芯片國語復雜，所以我就用脈沖信號代替。基本電路我用了6芯片（兩片161、兩片194、一片00、一片04），分頻電路用74和151實現(xiàn)，一共用了8個芯片。是目前我想出的用最少的器件，最簡單的布線來實現(xiàn)所要求的功能。從電路圖的設計、實現(xiàn)、仿真、實驗報告，都是自己思考和動手。掌握了Multisim的用法，感覺這款軟件的制作者很偉大，用所學習過的芯片設計電路，并用面包板來實現(xiàn)，實現(xiàn)的過程中排錯、檢查的能力也得到鍛煉?？偠灾?，這次課程設計讓我學會了很多東西，不僅做好了設計而且還復習了數(shù)電的知識，這是收貨甚大。再此我感