应用电子技术基础课程设计-16路循环彩灯.doc

应用电子技术基础课程设计报告书应用电子技术基础课程设计报告书循环彩灯学院： 机电学院 专业： 机械工程及自动化 学号： 09042127 姓名： 指导教师： 日期： 2012年04月18日目录一、电路原理图：2二、工作原理分析21.概述22.主要模块功能分析43.整体电路功能分析9三、电路的仿真及结果分析10四、元器件选择2五、电路的制作与实验测试121.电路仿真问题与解决方案22.电路制作问题与解决方案23.电路板实物图24.测试实验2六、线路改进意见2七、思考题2八、课程设计的收获和体会2循环彩灯作者：马轩 09010102指导教师：崔晶l 摘要 “循环彩灯”可以通过CD4024-7位串行2进制计数器，产生不同频率的电压，从而获得不同的规律的脉冲电压。同时，得到的电压作为触发电压接入74ls164-8位串入，并出移位寄存器，从而得到循环输出的低电平电压，输出口接发光二级管就制作成循环彩灯，其中5个开关可控制得到不同频率的触发电压。关键词 串行计数器 移位寄存器 循环 一、电路原理图：图1 电路原理图二、工作原理分析1.概述“循环彩灯”的工作原理是通过自身的7位2进制计数器模块产生的不同周期的电压，利用其中四路并联输出电压作为74ls164的时钟输入电压，另取一个周期较小的电压作为74ls164的DSA数据输入端。74ls164是一个移位寄存器，时钟由低变高时右移一位，DSA与DSB作为寄存器的Q0并联输入端，另有Q1-Q7 -7个输出端。利用两个74ls164的16个电压输出连接16个发光二级管并通过CD4024和74ls164产生的移位低电压来实现彩灯的循环点亮。5个开关控制并联脉冲电压频率。电路中最重要的部分是7位串行2进制计数器，频率为50Hz，负责产生不同频率的脉冲电压。各模块间关系图如下：图2 模块关系图2.主要模块功能分析（1）二进制计数器模块： CD4024是7位二进制串行计数器。所有的计数器为主从触发器。计数器在时钟下降 沿进行计数。CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。内部逻辑图如下：图3 CD4024逻辑图各引脚功能如下：CP 时钟输入端 1CR 清除端 2Q0Q6 计数器脉冲输出端 12 11 9 6 5 4 3 VDD 正电源 14Vss 地 7图4 引脚功能图计数器功能如下： 计数器在时钟CP下降沿进行计数。CR为高电平时，对计数器进行清零。图5 CD4024功能简介计数器因是二进制所以Q0-Q6的输出电压（2）74ls164模块：74LS164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 其引脚图如下：图6 74ls164引脚图 引脚功能说明如下：符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0Q336输出GND7 地 (0 V)CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R9中央复位输入（低电平有效）Q4Q71013输出VCC14正电源功能表（真值表） 工作模式输入输出/M/RCPDSADSBQ0Q1 至Q7复位（清除）LLXXLL 至 L移位HllLq0至 q6HlhLq0 至 q6HhlLq0 至 q6HhHHq0 至 q6图7 74ls164功能表输出示意图如下：图8 74ls164输出示意图由功能表可以看出74ls164的功能是将Q0的数值逐渐向后移动，Q1-Q6也向高位移动，由此可已得到彩灯的循环点亮（3）开关控制器开关控制器的本质改变CD4024计数器中Q3-Q7的并联输出电压的幅值和频率，并作为74ls164的CP输入时钟。当不同的开关闭合时，得到的并联电压会有不同的幅值和频率示意图如下：图9开关连接图CD4024 Q2作为DSA输入端接74ls164； CD4024 Q3-Q6连接五个开关，并由线15引出作为74ls164 的CP 脉冲输入电压；改变开关的闭合可以得到不同的脉冲电压值，进而得到不同规律的彩灯循环（4）16个彩灯16个彩灯作为最终的电路功能的实现结果其排列如图图10 彩灯连接示意图每个彩灯接入一个74ls164的输出端，由输出端控制灯的亮或灭。输出端为低电平的时候灯亮，高电平是灯灭。3.整体电路功能分析CD4024模块产生的50Hz脉冲控制两个74LS164移位寄存器，开关作为调节频率功能至于中间。74ls164的输出端与彩灯相连接。当对CD 4024输入脉冲电压时Q1-Q7分别输出不同的频率的脉冲电压，其中因是二进制，Q1的频率是初始脉冲电压的1/2，Q2为1/4，Q3为1/8以此类推、因此Q3-Q7的并联电压是一个确定的循环函数。当任意改变一个开关时输出总电压的频率改变，彩灯的循环方式也将改变，Q1-Q7的电压和初始电压值相同，但经过二极管的电压降会出现小于触发电压的情况，而当Q3-Q5的输出有一定数量为高电平时总输出电压可以触发74ls164的DSA端。本题中输入脉冲电压值为5V，CD4024各端的电压值也为5V。Q2作为两个74ls164的共同CP脉冲输入电压。当Q2由低变高时，数据右移一位。彩灯实现一次亮灭交替。而74ls164的输出端Q0作为移位的初始值是由CD4024中5个输出端的并联电压的值赋予的。另一个输入端DSB接入高电平5V，第二个74ls164的DSA端与第一个ls164的Q7输出端相连，以实现上下两排彩灯的接替。74ls164的主复位端MR接入5V电源因此循环彩灯就是以CD4024产生不同频率的脉冲电压，此电压经过一定的处理后接入移位寄存器中，由移位寄存器连接彩灯来实现彩灯的循环。闭和开关可以实现不同规律的彩灯循环。三、电路的仿真及结果分析1.整体仿真电路图图11 仿真电路图当输入端输入5V clock脉冲电压时，仿真显示结果为彩灯实现的循环的亮灭。其中CD4024Q2与并联电压输出端仿真波形图为图12 CD4024输出端仿真结果红色线条为Q2 黄色线条为并联输出端，图显示黄色线条会有跳动。根据仿真结果，CD4024模块与74LS164的配合可以产生在Q0-Q7之间的循环亮灭的低电平使得彩灯循环得以实现。四、元器件选择名称或型号单价（元）数量总价（元）CD402421274LS164122发光二级管0.1161.6芯片座0.531.51K电阻0.110.1二级管0.150.5270电阻0.1161.6开关212总计13.3五、电路的制作与实验测试1.电路仿真问题与解决方案“循环”的工作原理比较简单，在电路的理解方面没遇到太多困难。电路连线也比较简单，因此在仿真过程中并没有遇到什么困难在仿真过程中遇到的最大问题是Multisim 10.0软件的元件库中选择的clock电压的错误使得仿真在很长的时间内都没有得到想要的结果。Multisim软件的仿真速度很慢，仿真的时间与现实的时间倍数通常是几十倍。因此现实中的电压频率在multisim中要放大很多倍才能便于观察。2.电路制作问题与解决方案电路的制作很方便，大概两天就能完成。在线路全部焊完后，调试时用了两周的时间，中间出现很多的错误。第一次是因为引脚连接错误导致没有调试出来，第二次是因为虚焊点的原因导致了调试失败，第三次是因为集成芯片的烧坏等等一系列的原因。当然最重要的原因是对集成芯片的基本了解不够，没有连接集成芯片的Vcc电源端和7脚的接地端。因此，我一度的认为是集成芯片的坏损导致的电路调试不成功。根据电路图，与仿真的对比：进行了以下调整：第一， 调整错误的接线第二， 合并电源节点和接地点第三， 更改输入时钟的频率由1000Hz改为50Hz第四， 重新购买集成芯片第五， 连接所有芯片的14脚Vcc端和7脚接地端以上的种种都是小细节，忽略这些细节浪费我很多时间，但在老师的细心指导和自己的耐心检查下还是解决了所有的问题，实现了仿真和电路的既定功能。3.电路板实物图图13电路板正面与反面图14电路板工作图4.测试实验“循环彩灯”的工作电压需要+5V、+10V、GND。在整个电路中， CD4024模块是相当重要的模块，它的工作情况直接影响结果，所以应着重测试这个模块。测试模块关系图如下：图15测试模块关系图图16 输入电压测试图17 Q2输出测试图18 Q3-Q7会交电压测试六、线路改进意见1.彩灯的输入电压相同，所以应该用同一个电源。2.因为地线是公共端，因此CD4024的地线和74LS164的地线合并。七、思考题思考题： 1.该电路彩灯只能向一个方向旋转，若想让其能向顺时针和逆时针两个方向旋转，应该怎样修改电路。答：在74ls164和彩灯之间加一排16向双向开关并。将第一个ls164的输出端Q0并联一个线头置于下边的164输出端Q7下边位置作为双向开关另一个接触端同理其他并联线头排列为：上Q0 下Q7上Q1 下Q6上Q2 下Q5上Q3 下Q4上Q4 下Q3上Q5 下Q2上Q6 下Q1上Q7 下Q0这样当开关另置时就相当于把彩灯电路逆排列但彩灯空间顺序不变所以当开关拨动时就实现了转向的正逆八、课程设计的收获和体会首先这次课设可以顺利完成不仅仅是因为我个人的努力，同时也离不开指导老师悉心的指导与教诲，是老师在我遇到困难时对我的指引成就我的课设。在此要感谢老师辛勤的付出。这次的课程设计是我们第一次亲手设计改良、焊接制作电路板，第一次体会到了电路设计的艰辛。但这并不会影