數(shù)電課程設計電子色子的設計與制作

1、鄭州科技學院數(shù)字電子技術(shù)課程設計題 目 電子色子的設計與制作 學生姓名 李 康 專業(yè)班級 11級電子科學與技術(shù)一班學 號 201131007 院 （系） 電氣工程學院 指導教師 周 喜 完成時間 2013年 12月 8 日 前 言21世紀，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人類歷史即將進入一個嶄新的時代信息時代。其鮮明的時代特征是，支撐這個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎產(chǎn)業(yè)均將得到高度發(fā)展，并能充分滿足社會發(fā)展及人民生活的多方面需求。信息科學的基礎是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)，它們同屬于教育部本科專業(yè)目錄中的一級學科“電子科學與技術(shù)”。本專業(yè)培養(yǎng)具備物理電子、光電子與微電子學領域內(nèi)寬廣理論基礎、

2、實驗能力和專業(yè)知識，能在該領域內(nèi)從事各種電子材料、元器件、集成電路、乃至集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)的設計、制造和相應的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的研究、開發(fā)等方面工作的高級工程技術(shù)人才。本專業(yè)學生主要學習數(shù)學、物理、物理電子、光電子、微電子學領域的基本理論和基本知識，受到相關(guān)的信息電子實驗技術(shù)、計算機技術(shù)等方面的基本訓練，掌握各種電子材料、工藝、零件及系統(tǒng)的設計、研究與開發(fā)的基本能力。其中實踐、動手能力尤為重要。數(shù)電課程設計的實訓恰好滿足我們電子科學與技術(shù)專業(yè)學生的需要，不僅使得我們鞏固了科學文化知識，還增強了我們的動手能力。我們學習了仿真軟件，學會了辨認各種元器件，加強了自己的焊接技術(shù)。自身得到了

3、很大的提高。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對電子制作有很大的興趣。在日常生活中，許多娛樂項目都用到了色子，所以，我們通過學習的電子制作，應用74ls00與非門和74ls161計數(shù)器以及4511譯碼器芯片自己制作一個電子色子。目 錄1 課程設計的目的12 課程設計的任務與要求12.1 課程設計任務12.2 課程設計要求13 設計方案與論證23.1 設計方案34 設計原理及功能說明54.1 原理圖54.2 原理圖功能說明65 單元電路的設計106 硬件的制作與調(diào)試137 總結(jié)14參考文獻15附錄1：總體電路原理圖16附錄2：元器件清單181 課程設計的目的 1、提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力；

4、2、對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；3、能夠正確使用實驗儀器進行電路的調(diào)試與檢測；4、使用適當?shù)能浖M行仿真和制作PCB板圖；5、更加熟練地掌握焊接技術(shù)；6、模擬制作電子色子，使其更簡單、直觀、方便。2 課程設計的任務與要求2.1 課程設計任務 1、使用邏輯門電路、集成芯片等器件設計完成電子色子的設計；2、用開關(guān)代替擲骰子，按下開關(guān)則LED從1-7隨機顯示點數(shù)；3、用七段LED顯示點數(shù)；4、電路的焊接調(diào)配過程盡量簡化、便捷；5、對所做的電路總結(jié)，寫出設計報告。2.2 課程設計要求 1、方案比較及認證； 2、系統(tǒng)框圖，原理說明 ；3、利用仿真軟件Dxp或Multisim仿真電路，并

5、學習PROTEL軟件，并用其繪制電路的原理圖和PCB圖，要求圖紙繪制清晰，布線合理，符合繪圖規(guī)范；4、完成課程設計報告（應包含電路圖、清單、調(diào)試及設計總結(jié)）。3 設計方案與論證 制作電骰子即要在電路控制下每次隨機地產(chǎn)生一個17中的數(shù)。為了保證所設計出來的骰子性能，應該使得17出現(xiàn)的概率是一樣的。產(chǎn)生隨機數(shù)的方法有很多，原理都是采集利用自然中的隨機量來產(chǎn)生。如采集放大空間中的噪聲信號，然后利用D/A轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，產(chǎn)生隨機數(shù)；又如用時間作隨機量，采用循環(huán)計數(shù)的方式產(chǎn)生隨機數(shù)。還可以在以上的基礎上加上亂碼電路來增加隨機性。因為利用噪聲信號產(chǎn)生隨機數(shù)的方法比較復雜、不易實現(xiàn)、制作成本較高，所以采用時

6、間做隨機量的方法來產(chǎn)生16的隨機數(shù)。電路分為三塊：脈沖產(chǎn)生電路、循環(huán)計數(shù)電路和譯碼顯示電路。即：脈沖產(chǎn)生部分譯碼顯示部分循環(huán)計數(shù)部分3-1 電骰子結(jié)構(gòu)框圖 脈沖產(chǎn)生電路有很多實現(xiàn)方法：可以利用門電路組成的多諧振蕩器實現(xiàn)，也可以使用555定時器來實現(xiàn)，還可以用石英晶體來實現(xiàn)。門電路組成的多諧振蕩器是利用電容的充放電和門電路的開啟電壓來實現(xiàn)的，所需器件簡單，是最基本的脈沖發(fā)生電路。3.1 設計方案方案一仿真電路圖如下：3-2 仿真圖方案二 仿真電路圖如下：3-3 仿真圖3.2 方案的論證 經(jīng)過上述分析，可以看出各個方案的基本原理都很類似，對于計數(shù)部分74LS161與40192的邏輯功能相似，都是通

7、過反饋置數(shù)法構(gòu)成16的循環(huán)計數(shù)器，在使用上沒有多大區(qū)別，74LS161較40192控制更加簡單，只需要一個二輸入與非門即可實現(xiàn)反饋置數(shù)，故選用74LS161。對于時鐘脈沖產(chǎn)生電路雖然由555定時器構(gòu)成的電路比較穩(wěn)定，然而由兩個與非門搭建的基本多諧振蕩器則更加簡便，而且考慮到成本因素，在這里選用門電路搭建的脈沖發(fā)生電路。譯碼顯示電路都一樣，不予考慮。綜上所述，選用方案二。4 設計原理及功能說明4.1 原理圖4-1 原理圖4.2 原理圖功能說明時鐘脈沖信號的設計，時鐘脈沖電路有兩個與非門和兩個電阻、一個電容構(gòu)成。R5可以減少電壓源電壓變化對振蕩頻率的影響當VTh=VDD/2時，有R5>>

8、;R6(一般去R5=10R)。在電骰子的電路時鐘脈沖的輸出端接到計數(shù)電路的脈沖輸入端CP控制計時器芯片工作74LS161實現(xiàn)加法計數(shù)功能，理論上要保證頻率足夠大，使數(shù)碼管顯示數(shù)字不能被人眼分辨，保證所顯示數(shù)字的隨機性即可，但又不能太高，這樣電路運行將不穩(wěn)定，所以只需要50Hz左右即可滿足要求。電容C1的充電時間：T1=R6C2；放電時間：T2=R6C2； 矩形波的振蕩周期：T=T1+T2= R6C4；頻率：f=1/T；選擇電阻：R6=6k，R5=12k，C=10uF， 則得出：f=1/ R6C448Hz。計數(shù)器的設計在計數(shù)器的設計中，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

9、六進制循環(huán)，采用反饋預置數(shù)的方式。把計數(shù)器的輸入端置為莫一串序列，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PE，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7的循環(huán)計數(shù)。然而74192為異步置數(shù)，在反饋時要將輸出Q1Q2Q3通過與非門接到74192的反饋置數(shù)端。設UO1為低電平0、UO為高電平1時，稱為第一暫穩(wěn)態(tài)；UO1為高電平1 ,UO為低電平0時，稱為第二暫穩(wěn)態(tài)。設接通電源后，由于某種原因使UI1產(chǎn)生了很小的

10、正躍變，經(jīng)G1放大后，輸出UO1產(chǎn)生負躍變，G輸出UO產(chǎn)生較大的正躍變，使UI1進一步增大，于是電路產(chǎn)生正反饋過程。正反饋使電路迅速翻到G1開通、G關(guān)閉的狀態(tài)。輸出UO1負躍到低電平UOL，UO1正躍到高電平UOH，電路進入第一暫穩(wěn)態(tài)。G2輸出UO的高電平經(jīng)對電容C進行反向充電，使UI1下降。同時，UO的高電平又對C充電，Uo1隨之上升，當UI2上升到G2的閾值電平UTH時，電路又產(chǎn)生另一個正反饋過程。正反饋的結(jié)果使G2開通，輸出由高電平UOH躍到低電平UOL，使UI1迅速下降到小于G1的閾值電壓UTH，使G1關(guān)閉，它的輸出由低電平UOL躍到了高電平UOH，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。接著，G1輸出的

11、高電平UO1對C進行反向充電，UI2隨之下降，同時， UI1隨之升高。當UI1上升到G1的UTH時，G1開通、G2關(guān)閉，電路又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)。4-2 多諧振蕩器結(jié)構(gòu)圖4-3 多諧振蕩器波形圖在電骰子的電路中，時鐘脈沖的輸出端接到計數(shù)電路的脈沖輸入端CP控制計時器芯片74LS161實現(xiàn)加法計數(shù)功能，理論上要保證頻率足夠大，使數(shù)碼管顯示數(shù)字不能被人眼分辨，保證所顯示數(shù)字的隨機性即可，但又不能太高，這樣電路運行將不穩(wěn)定，所以只需要50Hz左右即可滿足要求。電容C1的充電時間T1=R6C2；放電時間：T2=R6C2；矩形波的振蕩周期：T=T1+T2= R6C4；頻率：f=1/T；選擇電阻：R6=6k

12、，R5=12k，C=10uF，則得出：f=1/ R6C448Hz。共有三個部分：震蕩、計數(shù)、顯示。將多諧振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖通過一個單刀雙擲開關(guān)送到計數(shù)器74LS161的CP端。將單刀雙擲開關(guān)的一端接在多諧振蕩器的輸出端，單刀雙擲開關(guān)的另一端接到連到地。這樣，當開關(guān)擲多諧振蕩器一端時，時鐘脈沖通過開關(guān)送入計數(shù)器，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，時鐘脈沖不能通過開關(guān)，故計數(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。5 單元電路的設計 循環(huán)計數(shù)部分也有多種實現(xiàn)辦法：可以利用單個的觸發(fā)器自己搭建，也可利

13、用集成的計數(shù)器通過外加控制信號變成所需進制的計數(shù)器。其中使用集成的計數(shù)器添加必要的控制電路組成使得電路結(jié)構(gòu)簡單清晰，而且具有很高的穩(wěn)定性。又在集成芯片基礎上的循環(huán)計數(shù)器可以采用反饋清零法和反饋置數(shù)法，因為此處要使用1到7的循環(huán)計數(shù)，所以采用反饋置數(shù)法實現(xiàn)?！胺答侇A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)。預置數(shù)從D3D2D1D0輸入，同步預置數(shù)功能的預置數(shù)應該為（1111-M）+1（加法）或（M-1）（減法）；異步預置數(shù)數(shù)據(jù)為（1111-M）（加法）或M（減法）。如九進加法計數(shù)，同步預置控制功能的預置數(shù)數(shù)據(jù)為D3D2D1D0=0111，即第八個CP作用后，產(chǎn)生預置數(shù)信號，第

14、九個CP時預置數(shù)為0111；異步預置數(shù)據(jù)為0101。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，則應該按照計數(shù)過程推算得出結(jié)論。 最后的譯碼顯示電路由譯碼器和七段數(shù)碼管組成，將計數(shù)器的輸出端輸出的四位二進制數(shù)送到譯碼器的輸入端，譯碼之后，驅(qū)動點亮七段數(shù)碼管進行顯示。 5-1 計數(shù)單元電路譯碼顯示電路的設計，顯示部分采用七段數(shù)碼管和七段顯示譯碼器CD4511一起實現(xiàn)，將數(shù)碼管與七段顯示譯碼器CD4511按照圖所示的方式連接，然后將七段顯示譯碼器CD4511的四個輸入端連接到計數(shù)器74LS161的四個輸出端即可。 5-2

15、譯碼顯示單元電路 前面已經(jīng)討論了各個單元電路的具體組成，現(xiàn)將但與電路連接起來組成一個完整的整體電路。將多諧振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖通過一個單刀雙擲開關(guān)送到計數(shù)器74LS161的CP端。將單刀雙擲開關(guān)的一端接在多諧振蕩器的輸出端，單刀雙擲開關(guān)的另一端接到連到地。這樣，當開關(guān)擲多諧振蕩器一端時，時鐘脈沖通過開關(guān)送入計數(shù)器，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，時鐘脈沖不能通過開關(guān)，故計數(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。 5-3 整體電路圖 軟件仿真調(diào)試：由于起初的方案是將控制的單刀雙擲開關(guān)放在譯碼顯示

16、電路部分，在開關(guān)按下時，數(shù)碼管不顯示，當開關(guān)彈起時數(shù)碼管上靜態(tài)地顯示一個16的數(shù)字，但是仿真的時候出現(xiàn)了亂碼，分析得知在開關(guān)彈起后譯碼器工作在鎖存狀態(tài)，會將開關(guān)彈起瞬間的中間狀態(tài)鎖存下來，故會在數(shù)碼管上顯示一個亂碼。將單刀雙擲開關(guān)移動到脈沖發(fā)生電路與計數(shù)電路部分之間后，譯碼器一直工作在計數(shù)狀態(tài)，只要計數(shù)器暫停計數(shù)，數(shù)碼管就顯示一個固定的數(shù)，不存在亂碼的問題。6 硬件的制作與調(diào)試將整體電路圖輸入到仿真軟件Multisim進行仿真測試，Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件

17、描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。其元器件采用庫的方式管理，方便調(diào)用，豐富多樣的虛擬儀器方便對仿真結(jié)果進行觀察。 由于起初的方案是將控制的單刀雙擲開關(guān)放在譯碼顯示電路部分，在開關(guān)按下時，數(shù)碼管不顯示，當開關(guān)彈起時數(shù)碼管上靜態(tài)地顯示一個16的數(shù)字，但是仿真的時候出現(xiàn)了亂碼，分析得知在開關(guān)彈起后譯碼器工作在鎖存狀態(tài)，會將開關(guān)彈起瞬間的中間狀態(tài)鎖存下來，故會在數(shù)碼管上顯示一個亂碼。將單刀雙擲開關(guān)移動到脈沖發(fā)生電路與計數(shù)電路部分之間后，譯碼器一直工作在計數(shù)狀態(tài)，只要計數(shù)器暫停計數(shù)，數(shù)碼管就顯示一個固定的數(shù)，不存在亂碼的問題。7 總結(jié) 通過本次數(shù)電課程設計實訓，我學習到了很多東西。我學習到的不僅

18、是數(shù)電的知識，還學習到了其他的知識。我學習了仿真軟件和電路模擬制作軟件，例如protel dxp、Multisim 等軟件。掌握一些思考的方法，對待問題比較嚴謹。解決一個問題，應該選用正確的方法，否則將會很難甚至無法解決一個問題。制作電骰子的方法有很多，本設計方案采用了最簡便的方法以達到設計要求，即以最小的成本和代價來達到要求，這是我的設計宗旨。通過軟件仿真可以讓我及時的更改電路，嘗試不同的電路結(jié)構(gòu)，以達到找到最簡、最優(yōu)方案的目的。由于側(cè)重了簡便的目標，沒有任何的附加，所以難免所做成的東西會比較粗糙，這是本設計方案的缺點。我們小組有四人，我們團結(jié)協(xié)作，共同完成任務。我們買制作成品所需要的元器件，我們用電路制作軟件制作電路圖，我們用仿真軟件測試電路，我們用焊接工藝技術(shù)焊接成品。凡此種種，無不需要我們共同努力，更加提高了我們的動手能力?？傊@次數(shù)電課程設計實訓讓我學到了很多東西，我的動手能力得到了較大的提高。從本次課程設計中，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，我們學會了運用很多以前學過的知識，去實現(xiàn)我們想要做的東西；我們也學會了執(zhí)著與堅持，因為要想獲得成功就得需要很強的毅力。參考文獻1 康華光.電子技術(shù)基