數(shù)電課程設(shè)計_八路彩燈控制器

1、湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 電子技術(shù)課程設(shè)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(xué) 號 201101010210 姓 名 郭昕 指導(dǎo)教師 田莉 2013年 12月 27日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書 課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目： 多功能數(shù)字鐘電路 專業(yè)班級：電氣1102 學(xué)生姓名：郭昕 學(xué)號：201101010210 指導(dǎo)老師：田莉 審 批：田莉任務(wù)書下達(dá)日期 2013年 12月 16日設(shè)計完成日期 2013年 12月 27日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一、設(shè)計內(nèi)容；該控制器實現(xiàn)以下功能：設(shè)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(shè)計要求：1設(shè)計電路實現(xiàn)題目要求；2設(shè)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(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；4. 安裝、測試電路；5. 故障分析與電路改進(jìn)；6. 寫出設(shè)計報告。主要設(shè)計條件1. 在南院四樓“綜合實驗室”和“電子實驗室”調(diào)試; 2. 提供調(diào)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(shè)計封面；2、 任務(wù)書；3、 說明書目錄；4、 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖；5、 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6、 總電路設(shè)計（總電路圖）；7、 安裝、調(diào)試步驟；8、 故障分析與

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

4、大學(xué)出版社 梁宗善 主編3.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗 高等教育出版社-陳大欽 主編4.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)高等教育出版社-鵬介華 主編目 錄一 課程設(shè)計題目（與實習(xí)目的）7（一）、題目：多路彩燈控制器7（二）、實習(xí)目的：7二 總體方案的選擇7（1）總體方案的設(shè)計7（2）總體方案的選擇8三 單元電路的設(shè)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(diào)試過程21七 故障分析與電路改進(jìn)22（一）、鞏固數(shù)電知識23（二）、學(xué)會用電路板、芯片、導(dǎo)線等組裝各種功

5、能的電路；23（三）、和同學(xué)共同合作、互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步24八 總結(jié)：24九 附錄（元器件清單）：25十 參考文獻(xiàn)。25一 課程設(shè)計題目（與實習(xí)目的）（一）、題目：多路彩燈控制器（二）、實習(xí)目的：1進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識。2熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應(yīng)用，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會使用其進(jìn)行電路設(shè)計。3了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本思想和方法，學(xué)會科學(xué)分析和解決問題。 4培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實事求是的工作態(tài)度。5數(shù)點課程實驗是大學(xué)中為我們提供的唯一一次動手實踐的機(jī)會，增強(qiáng)動手實踐的能力。二 總體方案的選擇（1）總體方案的設(shè)計針對題目設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)計課本P404圖10-3-6（a）;花型控制電路：由1614位二進(jìn)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(shè)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(shè)計電路的功能模塊化，設(shè)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(shè)計的出發(fā)點是：電路設(shè)計模塊化，易于檢查電路，對后面的電路組裝及電路調(diào)試都很方便?；ㄐ涂刂齐娐泛唵危ㄐ鸵脖容^簡單。由于在設(shè)計的構(gòu)想時期，已經(jīng)確定將電路模塊化，設(shè)計的過程中又已經(jīng)將節(jié)拍

8、控制電路設(shè)計出來，通過仿真軟件也實現(xiàn)了設(shè)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(fù)雜，為了確保短時間內(nèi)完成課程設(shè)計和高效率，我選擇了方案二。三 單元電路的設(shè)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(shè)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(jié)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(jìn)行相應(yīng)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。現(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(yīng)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(jié)果表達(dá)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(fù)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(dāng)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(dāng)?shù)竭_(dá)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(dāng)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：四 總體電路圖（見附頁）注:由于仿真畫

15、圖時芯片復(fù)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(diào)試過程本次數(shù)字電路課程設(shè)計總共用了4天完成的，這幾天都在學(xué)習(xí)思考，每一天都有所收獲，都有所進(jìn)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(chǔ)不差，加上數(shù)電試驗都是踏踏實實認(rèn)真完成的。對于161、194和其他器件的功能和應(yīng)用都很熟悉。但是在具體設(shè)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(shè)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(shè)計，我用了學(xué)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(chǔ)上設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(luò)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(shè)計好，我們就準(zhǔn)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(lǐng)取器材，便開始進(jìn)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(dāng)然要學(xué)習(xí)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(dāng)我們欣喜不已的時候，結(jié)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(xì)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(shè)計就算圓滿成功了。七 故障分析與電路改進(jìn)本次課程設(shè)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(shè)計之前根據(jù)設(shè)計的要求，每個模塊都仔細(xì)的設(shè)計分析了，正是整個過程我都認(rèn)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(shè)計中收獲很多?？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點：（一）、鞏固數(shù)電知識這次課程設(shè)計主要是運用數(shù)字電路邏輯設(shè)計的一些相關(guān)知識，在整個

20、實習(xí)過程中，都離不開對數(shù)字電路課程知識的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實習(xí)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(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設(shè)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(dǎo)書， 關(guān)于芯片的管腳，里面有詳細(xì)的描述。（二）、學(xué)會用電路板、芯片、導(dǎo)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(nèi)實驗也用過，但當(dāng)時的運用也只是囫圇吞棗的感覺。這次的實習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實習(xí)后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運用。實習(xí)中通過對電路的連接也懂得了如何通過設(shè)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(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵，我們應(yīng)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(jìn)行改良是很必要的。（三）、和同學(xué)共同合作、互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)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(shè)計，我做的循環(huán)兩遍，他們的都不是。我們的設(shè)計不同，我只是給大家啟發(fā)了一個思考點。理論上我先設(shè)計出來，但在實習(xí)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(xué)或老師是很好的做法，節(jié)省時間，也會從別人身上

22、學(xué)到更多。在設(shè)計時和同學(xué)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(shè)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(shè)計方法，所以團(tuán)結(jié)合作在一個團(tuán)隊里面是很重要的。八 總結(jié)：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(fù)雜，所以我就用脈沖信號代替?；倦娐肺矣昧?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(shè)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(xué)習(xí)過的芯片設(shè)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。總而言之，這次課程設(shè)計讓我學(xué)會了很多東西，不僅做好了設(shè)計而且還復(fù)習(xí)了數(shù)電的知識，這是收貨甚大。再此我感謝學(xué)校給我們