循環(huán)彩燈控制器課程設計

1、數(shù)字電路課程設計報告課程名稱：循環(huán)彩燈控制器 設計題目： 循環(huán)彩燈控制器 院 （部）： 機械與電子工程學院 專 業(yè)： 學生姓名: 學 號: 班 級： 日期: 指導教師: 課程設計任務書課程設計題目循環(huán)彩燈控制器姓名學號班級院部機械與電子工程學院專業(yè)組別組長組員指導教師課程設計目的 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

2、。課程設計環(huán)境用proteus 仿真軟件畫出總體電路圖、word編寫課程設計報告課程設計任務和要求設計要求： 1. 8路彩燈能演示三種花型（花型自擬）； 2. 彩燈用發(fā)光二極管LED模擬； 3選做：實現(xiàn)快慢兩種節(jié)拍的變換。設計任務：1設計電路實現(xiàn)題目要求；2電路在功能相當?shù)那闆r下設計越簡單越好；3. 注意布線，要直角連接，選最短路徑，不要相互交叉；4. 注意用電安全，所加電壓不能太高，以免燒壞芯片和面包板。課程設計工作進度計劃序號起止日期工 作 內 容12012年6月7日2012年6月11日選擇設計題目并閱讀相關文獻、資料，學習使用proteus22012年6月12日2012年6月13日根據(jù)設

3、計任務和要求，做出大綱和目錄32012年6月13日2012年6月16日根據(jù)目錄做出設計內容42012年6月17日2012年6月18日根據(jù)設計內容用proteus畫圖52012年6月19日整理課程設計的格式與內容62012年6月20日打印并裝訂教研室審核意見：教研室主任簽字： 年 月 日教學院（系）審核意見：主任簽字： 年 月 日 目 錄1.摘要42.關鍵字43.設計背景43.1 了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成43.2 掌握時鐘電路的作用及基本構成44. 設計方案的選擇55. 單元電路的設計65.1 花型控制電路的設計65.2 花型演示電路的設計105.3 節(jié)拍控制電路的設計105.4 時鐘信號電

4、路的設計116. 總體電路圖127. 各個單元電路的輸入輸出波形128. 電路調試159. 元器件清單1610. 分析與總結1711. 致謝1912. 參考文獻1913.指導教師評語20 循環(huán)彩燈控制器的設計1.摘要本次循環(huán)彩燈的設計制作由時鐘信號CP電路、花型控制電路、花型演示電路、節(jié)拍控制電路構成的集成電路來實現(xiàn)，其中花型控制電路由1614位二進制同步計數(shù)器完成，花型演示電路由195 雙向移位寄存器完成（可左移右移完成花型變化），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.關鍵字循環(huán)彩燈、時鐘信號CP電路、花型控制電路、花型演示電路

5、、節(jié)拍控制電路。3.設計背景 3.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。模擬信號則需要通過模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。 3.2掌握時鐘電路的作用及基本構成時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成

6、各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。4. 設計方案的選擇 針對題目設計要求，經過分析與思考，擬定以下二種方案：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)時鐘信號的產生。主體框圖如下： 時鐘信號CP產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)時鐘信號的產生。并在部分電路的

7、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?？傮w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

8、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。花型控制電路簡單，花型也比較簡單。由于在設計的構想時期，已經確定將電路模塊化，設計的過程中又已經將節(jié)拍控制電路設計出來，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。5. 單元電路的設計 5.1 花型控制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

9、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：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3100000000000000000000000021000100000011000100000003110011000011110011000000411101110011111101110000051111111

10、111111111111100006011101111110011111111000700110011110000111111110080001000110000001111111109111111111001111111110011111112000111111300001111140000011115000000111600000001 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

11、過161的輸出反饋來控制經過觀察每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、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)花型低位片節(jié)拍控制信號SLSRS1S0SLSRS1S0QE QF1XL801XL801002L8X10XL801103XL801XL40101XL801xL40111列出卡諾圖分析194低位片 QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 X

12、L8 0 0 1 1 X X 1 0 0SL=L8 S1=QE . QF QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 L8 X 0 1 0 1 L8 L8 1 1 1SR=L8SL= ( QE . Q F)194高位片 QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 X X 0 L8 L8 1 X X 1 L4 X L4SL=XSR= QF .L8+ QF .L4 QE QF 0 1 QE QF 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QE 、QF和本身輸出端L4和L

13、8控制。用去QAQH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=QE . QFS1=0S0=S1S0=1SL=L8SL=XSR=L8SR=QF.L4+QF. L8電路圖如下：5.2花型演示電路 由二片161級聯(lián)的模128（三種花型節(jié)拍每種顯示兩遍，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74的輸出端Y。 電路

14、圖如下：5.3 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接低電平，Vcc接高電平，D0接時鐘信號的CP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

15、的是161的高位片的QG即當?shù)竭_第64拍時QG為1接下來的65128拍為變慢后的脈沖輸出。 電路圖如下:5.4 時鐘信號電路 由一片555加上適當電容及電阻實現(xiàn)。 電容取：4.7f 0.01f 電阻?。?50 k 4.7 k 電路圖如下：6. 總體電路圖注:由于仿真畫圖時芯片復雜，CP產生電路產生用電源代替（已試驗，可以等效）。7.各個單元電路輸入輸出波形1基本CP脈沖產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：花型三：8.電路調試用194去實現(xiàn)一個花型很簡單，如果是三個分開也難，但是本

16、次設計要同時實現(xiàn)三個花形，是通過151來選擇嗎？是手動嗎？手動有些不切實際。經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<<數(shù)字系統(tǒng)設計數(shù)字電路課程設計指南>> （北京郵電學院出版社 高書莉編）所提供的前兩種，第三種是我自己設計的。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，但是書中介紹比較組略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接輸入的。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，每個花

17、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個，具體怎么控制呢？想不通的，就回歸到數(shù)電中設計的基本思路，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。好不容易設計好了，卻發(fā)現(xiàn)與非門和非門不夠用，還有哪里可以化簡呢？對，194輸出端反饋，兩個片子串行輸入端有時輸入的是一樣的，還可以進一步簡化，著用就用了最少的與非門和非門實現(xiàn)。由于已經設計好，便開始進行最近單元CP脈沖產生電路。因為書上有完好的電路圖直接照著連就行?？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

18、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，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。結果是加電后LED二極管居然常不亮，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，萬用表電池還么有配備，因此無法檢測哪里出錯了，于是我把電路重新連了一遍。布線特別的好，后來老師看到還說我做得好，可是連接電源，還是不行。于是去咨詢其他同學，她也有類似問題，換一個555就行了，于是我也換了55芯片，就好了?？墒堑谌煸偌由想娫从植粚α?，LED二極管居然常是常亮，檢查電路沒什么問題，而且好多同學都有和我一樣的問題，有同學說那可能是線的而問題，也可能是

19、板子的問題，也可能是電容的正負極插反了不管是什么問題，一個個排除吧。最終其實也沒很確切的知道問題的所在，因為不同的方法都在試具體是哪個也不確定了。我覺得最可能是電容的正負極和LED的插穩(wěn)與否的問題。于是我檢測了電路測試了電位，都正確。老師過來看時讓我加電他看看，結果居然是我給的電壓太高了，我在加電是不小心把電壓調的太高了，自己還沒意識到那個問題，幸好沒把芯片燒壞。在接下來的幾天中似乎對電路著迷了，放學了也繼續(xù)做，一個模塊一個模塊兒的實現(xiàn)，在電路組裝過程中，看到遇到的最大問題是，芯片分布不夠合理，無法很好的布線。于是在分析了我的設計后計算了要用芯片的個數(shù)和個芯片之間的關系，按照各個控制電路的走向

20、較合理的插好了芯片。其次就是布線，因為要求不準交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫，做到了我所見過的電路里最清晰和整齊的，對于檢查和排錯非常的方便。唯一不足就是用線的顏色有點混亂，因為前后發(fā)的線的顏色不同，非我力所能及。調試過程中，第一輪用萬用表歐姆檔測試，就遇了實驗板上有插孔不通的情況，導致芯片不能正常工作。相對于別的辦法，我選擇了導線顯示連通，因為其更明晰，更易實現(xiàn)。對于高阻導線則只能換掉。第二輪接電后，用萬用表的電壓檔測試單元電路的狀態(tài)。如：時鐘信號電路的信號是否正常產生，控制信號電路中的計數(shù)器能否正常計數(shù)，D觸發(fā)器能否每2拍翻轉一次，最后在整體上測試一遍。在

21、整個調試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時有時正常有時混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細檢查各端子的連接情況，發(fā)現(xiàn)清“0”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發(fā)現(xiàn)問題解決了。之所以我比別人先設計好，甚至我們班做相同設計的好多同學都是我講解后設計的，我卻比別人后完成，是因為我的面包板不好，不只一個芯片無法放置好，找很多個位置都不行，最后不得不等最先完成的同學拆了再重新連線和再次測驗。而發(fā)現(xiàn)這些問題就有些晚。所以盡管最后一遍效率高，也是周五下午才完成，第二周一造成才去檢查。9. 元器件清單 74LS161（四位二進制同步計數(shù)器） - 2個； 74LS194（移位寄存器） - 2個； 74L

22、S151（八選一數(shù)據(jù)選擇器） - 1個； 74LS74（雙D 觸發(fā)器） - 1個； 74LS00（四二輸入與非門） - -1個； 74LS04（六非門） - 1個； 發(fā)光二極管- -8個； 555 - 1個； 電容： 4.7f -1個；001f -1個； 電阻： 150k - -1個；100 -4個；4.7k -1個； 實驗板一塊；萬用表一個；鉗子一個；導線若干。10.分析與總結 從本次課程設計中我收獲很多?？梢钥偨Y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

23、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，里面有清晰的描述。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插些導線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。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

24、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。三理論聯(lián)系實際據(jù)老師介紹，這是大學里唯一一次比較大型的動手實踐機會。我當然不會錯過。課程設計，通過選擇的題目，根據(jù)要求，運用所學知識將其付諸實踐來完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程中的深入理解，這需要的是一種理論聯(lián)系實踐的能力。理論知識往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設論，而實際的動手操作則完全不同，需要考慮實際中的很多問題。有些知識在理論上可能完全沒錯但到了實際中則不然。比如在動筆做題時我們是不用考慮導線、電阻是否連

25、接的牢固合理，但在實際中，導線電阻有時是會帶來時延造成花型變化的錯亂，所以我們應盡量在連接電路時選擇最短路徑。平時試驗中，我就很認真，所以會比平時不動手的要輕松地多。四和同學共同合作、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，們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idea，其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?？偨Y本次試驗中包括CP的產生電路用的555芯片，基本電路我用了7個芯片（一片555、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9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ModelSim軟件的操作，用所學習過的芯片設計電路，并