数字电子技术课程设计-彩灯循环数字控制电路的设计与实现.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 湖南工学院数字电子技术 课程设计彩灯循环数字控制电路的设计与实现 指导老师：系部： 电气与信息工程系专业： 电气自动化姓名： 学号： 401050406组内成员： 2006年12月 一 摘要循环彩灯的电路很多，循环方式更是多种多样。有的更是专门的可编程彩灯集成电路。但大多数的彩灯控制电路是数字电路来实现的，用中等集成电路实现的彩灯控制主要用计数器，译码器,触发器和一些门电路等集成。本次设计的七彩循环彩灯控制器就是用计数器和触发器来实现的，其特点是用发光二极管，能发出其种不同颜色的光。关键词：计数器，触发器，集成，发光二极管 Abstractcirculate the way is more multifarious, and has specialized programmable colourful light。integrated circuit.The colourful light control electric circuits of the great majority all carry out with the numerical electric circuit of, but the colourful light control electric circuit that uses a medium scale integrated circuit realization mainly uses to count a machine, translating the code machine,trigger machine and gate circuiit etc. integration.The double color of this designs circulating colourful light controller is to use to count a machine and translate the code machine to carry out, its characteristics gives out light diode with a pair of colors, can flush the differents light.Keywords：count a machine, translating the code machine,integration，light diode with a pair of colors目录1. 设计方案的选择 -42. 原理说明 -43.设计任务及要求-104. 设计流程图 -105.安装工艺 -156.元件清单-167.调试与检测 -168.误差分析-189.心得体会-1810.鸣谢-2011.参考文献-20 一设计方案的选择信号发生器：从我们学习过以及我们这学期所用过的电子元件中，能产生信号的很多，而且根据不同的设计电路和所使用的不同的元件，可以得到不同的信号波形在这个课程设计中，我们所需要的信号要求输出稳定的矩形脉冲。经过我们现在所掌握的知识中，熟悉的电子芯片以及各种产生波形电路中，芯片是我们的首选.记数器：在我们这学期所学过的记数器中多是有各种触发器构成的，在学过的各种触发器中更是有RS触发器，JK触发器，D触发器等等。在这些中又主从触发器，同步触发器等。在这个设计中，根据操作方便和实用的方面考虑我们选择74LS160。译码器： 我们现在所掌握的译码器除显示译码器外主要有3线8线译码器74LS138和2线10线译码器74LS42两种，根据设计要求的四位二进制数码。我们在这选择74LS138。而且我们得需要两块这样的芯片才能满足要求，至于连接方式下面会有具体的介绍，在这我们不做具体介绍。彩灯的布置： 设计要求是根据个人审美观布置各种图案，在布置灯时考虑到美观和布置的方面等方面来综合考虑，经过我们小组四人的讨论决定采用整体成三角形的形状来布置。由于每层的灯泡数目不相同，我们从上到下灯的数目从一个开始逐渐增加。共四层，且最下面一层有四个灯，四层共记19个灯泡。在亮灯时有一种动态的层次美感。二、 原理说明信号发生器： 555其结构图如上图所示。其中CB555的功能如表2所示：比较器C1 的输入端（也称阈值端，用TH标注）：比较器C2 的输入端（也称触发端，用 标注）C 和C 的参考电压（电压比较的基准） 和 由V 经三个5k电阻分压给出。(在控制电压输入端 悬空时， ， 。如果 外接固定电压，则 )是置零输入端， 则输出端 ，不受其他输入状态的影响。正常工作时必须使 。图中的数码18为器件引脚的编号。通过分析可以得到如下所示的CB555的功能表。CB555的功能表输入输出0低导通1低导通1不变不变1高截止1高截止为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器G4 。 如果将 端经过电阻接到电源上，那么只要这个电阻的阻值足够大， 为高电平时 也一定为高电平， 为低电平时 也一定为低电平。555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极性555定时器的电源电压范围为516 V，最大的负载电流达200mA。CMOS型7555定时器的电源电压范围为318 V，但最大负载电流在4mA以下。可以设想，如果使 和 的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在 加上一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在 端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使 和 的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。记数器：（1）8421BCD码同步加法计数器74160其功能表如表6.3.7所示。各功能实现的具体情况参见74161的逻辑图。其中进位输出端RCO的逻辑表达式为： RCO=图6.3.19 74160的逻辑功能示意图和引脚图 （a）逻辑功能示意图 （b）引脚图表6.3.7 74160的功能表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式RDLDEP ETCPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q0011110111 0 01 1 d3 d2 d1 d0 0 0 0 0d3 d2 d1 d0保 持保 持十进制计数异步清零同步置数数据保持数据保持加法计数译码器：74LS138与74HC的引脚图用与非门组成的3线-8线译码器74LS13874LS138的功能表如下图所示：图一无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。当附加控制门的输出为高电平（S1）时，可由逻辑图写出由上式可以看出，同时又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。71LS138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（S1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表3.3.5所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图3.3.8电路中如果把作为“数据”输入端（同时），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。彩灯的布置：彩灯由10个发光二极管组成，至于发光二极管工作原理有：发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。极限参数的意义 ：（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 电参数的意义 (1)正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。 (2)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 (3)V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系其符号为：。图二其中二极管的具体布置为：总体为一三角形图三三.设计任务及要求1、设计任务 首先根据个人审美，将四组不同颜色的彩色发光二极管布置成各式各样图案。然后选用熟悉的LSI、MSI数字集成电路，设计并组装一数字电路产生四位二进制数码对彩灯进行控制，每一位控制一组彩灯的亮灭。要求电路所产生的四位二进制数码以最佳状态序列循环变化，使彩灯发光并形成多种多样的美丽动感画面。3、设计要求1. 拟定四位数码状态序列循环变化方法及其产生方案。2. 画出电路框图、原理图，并选用LSI、MSI数字集成电路对之进行设计。3. 组装所设计的电路，并采用适当方法对其功能进行测试，分析排除可能产生的各种故障。 4. 总结自己所进行的研究设计及组装调试工作，撰写课程设计论文。四. 设计流程图1、基本原理设计任务中所要求的3种循环方式并不复杂，用中小规模集成电路就能实现。本控制应由方式选择，振荡器，控制电路组成，其框图如图1所示： 图1 彩色三循环方式彩灯控制器框图1、 LED显示电路LED显示电路如上图三所示。由于输出有四个信号，所以共有10种状态。我们只去其中的8 种状态，要把其中的2种置去，加在其它的状态中，一旦进入我们所设置的状态中，信号将在中间自动循环。由于发光二极管的极限电流一般为2030mA，发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取为1015mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。2、振荡器由555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图四所示。接通电源后，电容C被放电， 上升，当 上升到 时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时 为低电平，电容C通过 和T放电，使 下降。当 下降到 时，触发器又被置位， 翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为当C放电结束时，T截至， 将通过 向电容器C充电， 由 上升到 所需的时间为 当 上升到 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为 由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。(a)电路图 (b)工作波形 图四 由555定时器构成的多谐振荡器图四所示电路 ,而且占控比固定不变。如果将电路改成如图四所示的形式，3、记数器：由74LS160构成。具体连接方式如图5所示，在这需要注意的是这加入了一个非门。图54、译码器：至于74138的工作原理，在上面已经有具体介绍过了。在这我们只说明如何实现连接成我们所需要的状态。在次电路连接中我们将G1脚接入高电平，而将G2A和G2B接地。其输出的电平是高低电平。还有就是我们的循环路径是循环变化的100100110110101100100101101011012. 其中方案是“时序电路+组合电路”方案。其中连接方式如下图所示。5、彩灯的布置：上面已有具体介绍。只是加入了很多或门电路。具体连接如总电路图。6、总电路连接图： PCB图5.安装工艺： 首先观察原理图，在电路板上根据电气要求进行合理的整体布局最大限度的减少交叉线和飞线，降低干扰自己要形成一个大致的整体布局和接线方法，而且要尽量美观A. 用数字万用表弄清万能板的结构原理； B. 结合万能板的结构原理合理安排集成块和元器件的位置，为了美观大方要求各元件尽可能的保持在同一条直线上； C. 合理布局，分级装调。稳压电源是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，连线尽可能短，否则很容易产生自激。D. 从整个万能板来说是否美观好看，关键是导线的布置，所以布线要注意整齐不交叉，集成块相邻管脚之间尽量不布线，相对的引脚之间布线不超过四根。要求导线竖要直、横要平，尽量减少飞线的存在。这样便于调整与测试工作的顺利进行。为了最大可能避免错误的出现，应按元件的排列顺序依次布线，同一元件按管脚顺序依次布线。注意：安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装。 开始安装稳压电源，检查万能板内部结构，确定其内部的电气连接属性1) 检查元器件看是否有损坏，或者不符合规格的，要及时更换。2) 安装一个元器件，先要用尖嘴钳将其引脚成型，然后用镊子把引脚放入万能板高度要适中，符合电气标准完毕后，要用万用表测量元器件引脚和万能板之间是否接触良好，然后再安装下一个元器件。3) 对于导线要用斜口钳切成适当的长度，然后成型安装安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,连线的时候要取好元件与元件的距离.连接的时候线与线之间不能交叉。4) 应避免元器件损坏的发生，插元器件时候要垂直插拔以免行成不必要的损坏。6.元件清单：电阻： 50K 2个；电容： 40皮 1个 01皮 1个；电源： 5伏直流稳压电源（试验室提供）；芯片： 555芯片 1块； 74LS138 1块； 74LS160 1块； CT74LS32 3块； 74LS04 2块；发光二级管 ： 10个；7.调试与检测：（1）信号发生器：在这部分非常重要，这个模块决定了下面的周期。在这个电路中，要调节CP的周期，在确定电路连接正确无误的情况下，用示波器观察CP的周期，如果所显示的周期没有满足我们所需要的时候，由周期计算公式： 可得到。我们只需要调节R1、R2或C的值便可以得到不同的周期，如此下去，直到调节得到我们所希望的为止。用设计多谐震荡器，在此电路震荡电路中：、利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激震荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用同样也能产生自激震荡，只要反馈信号足够强。、由于门电路的传输延迟时间极短，电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的震荡是很困难的，而且频率不容易调节。、在电路中接入电路可以有助于获得较低的震荡频率，而且通过改变、的数值可以很容易实现对震荡频率的调节。、多谐震荡器的周期只由、决定，占空比：q = (R1+R2) / (R1+2R2)（2）、记数器：在这部分基本上是连线而已，没有什么误差出现，由于门电路有延时的做用，可能会有竞争冒险现象出现。检查竞争冒险的方法这主要有两种：（1），通过在计算机上运行数字电路的模型程序，能迅速的查出电路是否会存在竞争冒险现象。目前已有这类成熟的次序可供选用。（2），/用实验来检查电路的输出是否有因为竞争冒险而产生的尖峰脉冲。这时加到输入端的信号波形应该包含输入变量的所有可能发生的状态变化。在着部分还有就是芯片增加了预置数、异步置0和保持的功能。（3）、译码器：74138上面已经介绍得非常清楚了，包括它在使用是的注意事项。只是在接线是注意不要接错就行了。而且在这不是也不是很多。（4）、彩灯：在前面的个模块都无误的情况下，按事先已布置好情况下接好就可以了，在接前务必确认每个发光二极管是正常的。接好个部分的电路连线后，在接入电源之前首先要用万用表测量检验一下直流电源电压。这步非常重要，在没有检查情况下如果盲目接通电路，电源电压比较大的情况下很有可能会把芯片和发光二极管烧坏，在电源电压较小的情况下就很难得到我们的结论。8.误差分析：1.综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 电流表内阻串入回路造成的误差; 测得纹波电压时示波器造成的误差; 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差; 可以通过以下的方法去改进此电路: 1 减小接触点的微小电阻;2 测得纹波时示波器采用手动同步;3 采用更高精确度的仪器去检测; 9.心得体会设计完了，第一感觉：让我获益非浅。经过一段时间的努力我的第一个设计做完了，感觉学到了很多书本上没有的东西。不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识，这样实践与理论相结合就可以快而好的掌握知识，理解知识。 在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电子课程设计，图书馆的资料很有限，所以一般通过网上查阅。在调试过程中，故障是不可避免的，或者正如老师所说没有故障反而还不正常。产生故障的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故