循环彩灯课程设计讲解

1、课程设计说明书课程名称：数字电子技术、模拟电子技术设计题目：循环彩灯院 系：电子信息与电气工程学院学生姓名：学 号：2010002040039专业班级：电气工程及其自动化 2010 级指导教师：2012 年 5 月 25 日课程设计任务书设计题目循环彩灯学生姓名* 所在院系 气电工子程信学息院与电 专业、年级、班 2及0其10自级动电化气工程设计要求：1、设计制作一个循环彩灯电路。2、彩灯数量为 8 个，8 个彩灯依次循环闪烁，彩灯亮灯时间为1秒。学生应完成的工作： 设计一个循环彩灯的电路，并利用 Multisim 软件进行电路仿真。利用 DXP 软件绘 制电路原理图，并设计制作电路的 PCB

2、 板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作， 并提交课程设计报告。参考文献阅读：1童诗白 .模拟电子技术基础 M.北京：高等教育出版社， 2005.2臧春华 .电子线路设计与应用 M.北京:高等教育出版社， 2005.3邱关源，罗先觉 . 电路（第五版） M. 北京：高等教育出版社， 2006.4阎 石.数字电子技术（第五版） M. 北京：高等教育出版社， 2005.5张阳天，韩异凡 Protel DXP 电路设计 M. 北京：高等教育出版社， 2005.工作计划： 5月 14号 16 号用 Multism 完成电路设计与仿真； 5月 17 号18 号用 Altium Desig

3、ner09 进行 PCB 设计；5月 21号 23号完成 PCB板的制作安装； 5月 24 号 25号完成电路板调试，提交课 程设计报告。任务下达日期： 2012 年 5 月 14 日任务完成日期： 2012 年 5 月 25 日指导教师（签名） ：学生（签名） ：循环彩灯摘 要： 设计制作了一个循环彩灯电路，该电路能控制的八个彩灯按顺序 依次循环闪烁，间隔时间为 1 秒。其中，时钟电路用 NE555N 实现；计数 电路是由十进制可逆 计数器 74LS192P；驱动电路由三线八线译码器 74LS138P构成，显示电路用八个彩色发光二极管实现， 并采用 5V 电压作为 整个电路的供电电源。用 5

4、55 定时器构成多谐振荡器，产生振荡周期为 1 秒的时钟信号； 74LS192P 构成八进制计数器，并对时钟信号进行计数； 74LS138P对 74LS192P的低 3 位输出代码进行译码，并驱动对应的发光二 极管点亮。利用 Multisim 10 对设计的电路进行仿真，可以看到八个彩灯循 环闪烁，间隔周期为 1 秒。关键词： 循环彩灯； NE555定时器； 74LS192计数器； 74LS138译码器目录1. 设计背景 11.1 了解数字电子技术和数字电路的定义及组成 11.2 了解计数器、译码器的基本功能及时钟电路的构成 12. 设计方案 12.1 任务分析 22.2 方案论证 23. 方

5、案实施 23.1 原理图设计 23.2 电路仿真 53.3 PCB 制作63.4 安装与调试 74. 结果与结论 75. 收获与致谢 76. 参考文献 87. 附 件 87.1 电路原理图 87.2 PCB 布线图 87.3 元器件清单 91. 设计背景1.1 了解数字电子技术和数字电路的定义及组成数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，逻辑门电路 组合和时序电路的分析和设计、 集成芯片各脚功能。 555 定时器等。 随着计算机科学 与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和 利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转

6、换成数字信 号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输 出。自 20世纪 70 年代开始，这种用数字电路处理模拟信号的所谓 “数字化 ”浪潮已经席 卷了电子技术几乎所有的应用领域。数字电路是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路， 又叫数字系 统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由 半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存 储器是用来存储二值数据的数字电路。从功能上分，数字电路可以分为组合逻辑电路和 时序逻辑电路两大类，按结构分为分立元件电路和集成电路。数字电路同时具有算术运

7、 算和逻辑运算功能，还具有实现简单，系统可靠，集成度高，功能实现容易等特点。数 字电路与数字电子技术广泛的应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天 等科学技术领域。1.2 了解计数器、译码器的基本功能及时钟电路的构成 计数器就是实现计数运算的逻辑电路， 计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进 行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，是在数字电子技术中应 用的最多的时序逻辑电路， 计数器不仅能用于对时钟脉冲计数， 还可以用于分频、 定时、 产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等； 译码器是可以将输入二进制代码的状态 翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。根据需要，输

8、出信号可以是脉冲，也可以 是高电平或者低电平；时钟电路就是产生象时钟一样准确的振荡电路。它属于一种控制 电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经 分频后形成各种时钟脉冲的电路，设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的 频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。2. 设计方案-1-2.1 任务分析根据课程设计的要求，为了控制整个电路的信号输入，需要用到 555 定时器和设计 所需要的电阻和电容一起构成周期为一秒的时钟信号发生器， 从而为整个电路提供所需 要的连续时钟信号。为了实现对输入脉冲的计数，需要用到计数器。为了将计数器输出 的二进制

9、代码翻译成输出信号，需要用到译码器。最后为了将输出信号显示出来，需要 用到八个发光二级管等。2.2 方案论证本次课程设计中，为了产生时钟脉冲信号，需要用到多谐振荡器，多谐振荡器是一 种自激振荡器，在接通电源后不需要外加触发信号，便能自动地产生时钟脉冲，它可以 由多种方式构成，如对称式多谐振荡器，非对称式多谐振荡器，环形振荡器，用施密特 触发器构成的多谐振荡器，石英多谐振荡器，用 555 定时器构成的多谐振荡器等，其中 环形振荡器结构简单，是利用延迟负反馈产生振荡的，它利用门电路的传输延迟时间将 奇数个反相器首尾相接而构成，但是由于门电路的传输延迟时间极短，导致其振荡频率 太高，而且不易调节；其

10、他几种多谐振荡器虽然各有自己的特点与功能，但由于本次课 程设计中所给器材有限， 所以选用由 555 定时器构成的多谐振荡电路来产生设计中所需 的时钟脉冲信号；在计数电路中，为使彩灯循环，需要将计数器的清零端与其高位输出 端相接，然后由三个低位输出端输出二进制信号 07 的循环；将计数电路输出的二进 制信号通过译码器输出相应的高低电平，从而实现彩灯的循环闪烁。3. 方案实施3.1 原理图设计1、时钟电路设计555 定时器集成电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振 荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。 555定时器的逻辑符号图如图 1 所示。图 1 555 定时器的逻辑符号图

11、- 2 -由 555定时器构成的多谐振荡器产生时钟脉冲的电路如图 2 所示。采用图 2 所示电路图的接法，则取占空比 q=(R3+R2)/(R3+2R2)=2/3得 R3=R2由公式 T=(R3+2R2)Cln2=1 s 可知若取 C=10uF，则 R3=R2=48K 由于器材限制，取 R3=51k, R2=47K 由此计算出 T=(R3+2R2) Cln2=1.00485 s图 2 555 定时器构成的多谐振荡器2、计数电路设计计数电路由 74LS192 构成，其逻辑符号如图 3所示。图 3 74LS192 的逻辑符号图中: VCC为电源输入端， GND为接地端， A、B、C、D为数据输出端

12、， QA、QB、QC、QD 为输出端， LD 为置数端， CLR 为清零端， UP 为加计数端，接 555 定时器的 输出端， DWN 为减计数端， BRW 为非同步进位输出端， CO 为非同步借位输出端，将A,B,C,D 分别接低电平， LD 、DWN 接高电平，为使彩灯循环， CLR 端与 QD 相接，然 - 3 -后 QA、QB、QC 三个输出端输出的就是 07的二进制循环，分别接到 74LS138N的三 个输入端进行译码。接成的计数电路如图 4 所示。图 4 计数电路3、驱动电路设计八个循环彩灯由 74LS138N 译码器驱动，其逻辑符号如图 5 所示图 5 74LS138 的逻辑符号

13、图中：74LS138N的功能是将三个输入端 A、B、C 的高低电平译出，从 Y0Y7的 八个输出端的其中一个输出。将上面接好的 74LS192N 的 QA、QB、QC 三个输出端分 别接 A、B、C三个输入端； OE2A 和OE2B接地， OE1接电源， GND 管脚及 VCC 管 脚分别接地和电源。然后就可用 Y0 Y7 的八个输出端分别驱动八个发光二极管。接成的驱动电路如图 6 所示。图 6 驱动电路3、显示电路设计显示电路由 8个发光二极管和 1个 100的电阻和一个高电平组成。只有当从驱动 电路过来的是低电平，才可以让发光二极管导通发光，用因此 74LS138N 的输出端接二 极管的负

14、极比较简便。另外，为防止通过发光二级管电流过大，在高电平与发光二级管 之间接入一个 100的电阻，显示电路的接法如上图 6 所示。4、整个电路工作原理总结把 555 定时器的输出端接 74LS192 计数器的加数计数器端，将 74LS192 计数器的 输出端分别接 74LS138 译码器的输出端，再把 74LS138 译码器的 8 个输出端分别接 8 个彩灯。因为只需要 8 个彩灯依次点亮，也就是 8 种状态，然后进入下一个循环，而 74LS192计数器是十进制计数器，有十种输出状态，所以采取把 74LS192 计数器的 QD 输出端返回接其置位端，以实现当计数到 8 时，返回从零开始计数。这

15、样就完成了循环 彩灯的循环控制。3.2 电路仿真在各单元电路设计的基础上，用 Multisim10.0 软件把各单元电路连接起来，画出符 合软件要求的系统整体逻辑电路图。选择合适的电阻电容，然后启动开关观察，根据彩 灯的闪烁情况判断电路是否正常。经过耐心的连接，检查与调试，仿真结果终于无误， 验证了设计的正确性。 电路原理图的设计任务至此完成， 可以制板，仿真图如图 7 所示用 555 定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为 1Hz ，可能因为电压的不稳定， 在开始时彩灯亮的时间并不为 1s，在循环过一次后，彩灯按照时长为 1 秒进行依次发亮根据仿真结果可知电路原理无误，可以进行 PCB 板

16、布线。图 7 仿真图先用 DXP 画好原理图，一定要做好对每个器件的封装，封装完成后，打开 PCB 向 导，对所要编辑的器件参数做一个大概的修改，设置 PCB 板布线规则，把电源线和地 线设为： 0.8mm 信号线设为： 0.5mm 焊盘内孔： 0.9mm ，为保证导线能在焊盘之间顺 利通过，设置外孔： X 方向 1.5mmY 方向 2.0mm，设置焊盘之间只能通过一根导线，设 置完成后，将原理图导入到 PCB 版，然后摆放器件，原则是使尽量少的线重叠，然后根据上述 PCB 布线的规则进行手动布线，布线时要仔细观察，尽量减少使用飞线，布 线时为保证导线能顺利通过焊盘，将过焊盘的导线设置为0.3

17、-0.4mm，另外为了提高电路的集成度，应尽量将各元器件紧密排列，但需要注意不能将器件放重叠了，否则焊接 的时候会出现问题。完成布线后，对 PCB图打印输出， 在计算机上装上虚拟打印机， 按 1:1打印出 PFD 格式的文件，进行预览，观察各条线之间没有重叠后进行打印，否则再在 PCB 中进行 修改，直到各线之间没有重叠为止，随后将合适的 PCB 图打印到转印纸上，通过转印 机转印到铜板上，裁掉多余的部分，用笔修补缺失的线条，修补的时候一定要避免不同 线路间的接触，修补完成后将板子放入准备好的试剂中溶解，晾干后打孔。- 6 -3.4 安装与调试进行焊接时一定要小心谨慎，我这次焊接时没有注意二极

18、管的正负极，误将蓝色二 极管的正负极接反，以致电路调试时不能正常工作，后来经过耐心观察才发现了错误， 改正后电路终于正常工作。4. 结果与结论 在老师与同学的帮助下，我基本完成了本次课程设计的任务，发现自己在很多方面 有欠缺，更重要的是本次课程设计是我充分认识到了动手能力与认真仔细对待问题的重 要性，并使我更进一步的掌握了 Altium Designer 与 Multisim10 的应用，激发了我学习 这门课程的兴趣，虽然最后八个彩灯也能循环闪烁，但总是从第二个彩灯开始闪烁，后 来经过老师指导才明白是自己在调试的时候所加电压不够，导致了错误的结果。另外在 布线的时候一定要首先摆放好元器件的位置

19、，这会达到事半功倍的效果，最初我就是没 摆放好元器件的位置才导致了几根飞线，后来经过同学的建议，才能顺利的完成布线。 还有布线的时候一定要仔细观察，不能着急，只有拥有足够的认真细心耐心，才能感受 到山重水复疑无路，柳暗花明又一村的喜悦。5. 收获与致谢这次时间为两个星期的课程设计试验大大培养了我的动手能力和同学间的相互合 作精神。能够初步掌握自动化专业常用软件的基本工具的应用，使我认识到了理论联系 实际和认真细心的治学精神的重要性，使我对所学的知识有了更深的理解与感情，这次 课程设计我深刻意识到认真的重要性，也许是第一次做数电课程设计，难免会遇到过各 种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识认识得 不够深刻，掌握得不够牢固，理解的不够透彻。总体来说 ,这次实习我受益匪浅 .在摸索 该如何设计程序使之实现所需功能的过程中 ,特别有趣 ,培养了我的设计思维 , 增加了实 际操作能力。如果不能够认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。还有不论 遇到什么困难，不要对自己失去信心。在以后我要更加努力学习，培养自己独立思考的 能力，弥补自身的不足，提高自己