电子课程设计电工的电骰挑战

摘要

棋牌类游戏集趣味与益智于一体，是人们平常生活中不可或缺的娱乐项目O

而骰子作为游戏公平的象征，在其中起着重要作用。本设计融电子技术于现实生

活中，具有现实意义。本文详细论述了电子化骰子的原理，用它来随机口勺选用1

至6的数。本系统以经典施密特反相器74HC14作为时钟脉冲发生器结合逻辑门

电路控制4位二进制同步加法计数器74LS161,实现1至6时随机输出，并最终

通过译码器74LS48控制七段数码管实现随机数的显示。

关键词：时钟脉冲随机数计数显示

电骰子日勺设计与制作

1.试验原理和原理框图

1.1试验原理分析

骰子是有6个面的正六面体。六个面上分别刻有1到6的数。掷骰子后，就

可以从1到6中随机的选用一种数。也许出现的数只有1,2,3,4,5,6这6个数。

这6个数中，每个数出现的概率为1/6,即每个数口勺出现是随机的。

图L1是根据实际掷骰子的动作画出的功能框图

图1.2是基于所要实现日勺功能画出日勺电路总体框图

掘下开关相称于摇动骰子。开关在这里是作为计数器的时钟控制电路，当开

关握下，此时控制电路输出为高，从而时钟脉冲会通过与非门去触发计数器，让

其开始从1到6计数。

时钟脉冲通过与非门的这段时间就相称于骰子摇动的时间。

由于骰子的点数有6种，因此计数器的输出状态只要有6种即可。

当七段数码管确定显示1到6中日勺一种数时，就相称于骰子停止了滚动，显示出

了确定日勺数。图1.2就是基于以上考虑所得日勺电骰子原理框图。下面将进行实际

电路的设计。

1.2电路原理框图

图i.i从基本功能到构造框图

图1.2电骰子框图

2设计思绪和电路分析

在原理框图的基础上，着手进行各模块内容内设计，各模块电路出了必须保

证本模块单元电路功能n勺实现外，还需要使得各模块之间的接口电路以便可行。

2.1第一种方案设计思绪

2.1.1振荡电路

第一种方案采用施密特反相器作为产生时钟口勺振荡电路，电路如下:

R11=R12=100kC1=10nF

图2.1时钟产生电路

输出时钟脉冲为：

当输出为高电平时，根据RC电路过渡过程日勺分析可知，此时V1由VT-升到

VT+,其所需要日勺时间为T1=RC1D(VDD-VT-)/：VDD-VT+)

当输出为低电平时，此时皆由降到件。其所需要的时间为

T2=RCln(Vn/VT-)

则整个振荡周期为

T=Tl+T2=RCln[(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+ln(VT+/VT-)]=4.2RC

查74HC14的手册可知

T=4.2ms

SiMulatedTektronixOscilloscope-XSC3

*Ttekfronix

Tek_JV

po^innejPOSHIO

•CURSOR1•CURSOR

0fCHlAfCH2

Il哽吗IIMENU

0VOLT5/DIVVOLT5/C

CH2

图2.2时钟波形

T=Tl+T2=RCln[(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+ln(VT+/VT-)]=4.2RC

因此T=4.2ms

施密特反相器引脚及功能表如下

74HC14的引脚图如图2.3。

巨

1A

1Y

2A[z

叵

2Y

叵

3A

叵

3Y

叵

GND

[z

图2.374HC14引脚图

74HC14的功能表如表2.1所示。

表1.174HC14功能表

INPUT(A)OUTPUT(Y)

LH

HL

2.1.2六进制计数器

这是电骰子日勺关键部分。计数器采用4位二进制同步加法计数器74LS161o

由于骰子的点数是1到6,因此必须使用六进制计数器。

六进制计数器的输出变化为1—2—3—4—5—6,因此在输出为6的瞬间

74LS161必须置数10图2.4中是当计数器输出为110（十进制6）时进行预置数

使计数器输出迅速由6变1,从而实现1到6循环计数。

电路接线如图2.4所示。

tst

mu

图upt

uT

线OOel

接-,bd

1c器aa

6cABcDno

1VQQQQEL

S智]

L]]

HID461oi

7回㈣亘-回£可

BJO〜4图

.脚

QHOq〜2

h引

图1

6

INM示1

S

ODZlNM所L

a4

57

.

25.

图2

如图

图

78

脚2l叵叵信叵-|

引r

1akcAB0DPD

6elol-[elN

1CCbG

Satsta

Laun

4DpE

7nI

74LS161功能表如表2.2

表L274LS161功能表

俺预置控制时钟预置数据输入输出一

忌LDEPETCP%%4aaa

0XXXXXXX>:0000

10XXt心q%心4

110XXXXxX悸

1X0XXXxX

1111tXX*X计数

2.1.3译码器及显示电路

译码器采用4线一一7线译码器74LS48并驱动七段数码管发光。

电路接线图如图所示”

I

RO

L4O0Q

5

务U1

/74LS48N

S习

，

m1。子CC

vcc

图2.6译码及显示电路原理图

发光二极管（LED）由特殊的半导体材料种化铁，磷神化钱等制成，可以单

独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示屏件（半导体显示屏）。分段式

显示

（LED数码管）由7条线段围成“日”字型，每一段包括一种发光二极管。外加

正向电压时二极管导通。只要按规律控制各发光段的亮，灭就可以显示多种字形

或符号

数字显示方式目前以分段式应用最普遍，图表达七段式数字显示屏运用不一

样发光段组合方式，显示0〜15等阿拉伯数字如图2.7

忘EHIR'TI引匕1一;1

丁EEEKEEEI

图2.7BCD码七段数字显示屏发光光段显示组合图

74LS48七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示屏。该

集成显示译码器设有多种辅助控制端，以增强器件日勺功能。7448H勺功能表如表

所示，它有3个辅助控制端RBI、47/%。,现简要阐明如下：

1.灭灯瑜入BI/RBO

〃〃应力是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当应47%作输

入使用且〃/=0时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输入H〜g均为0,

因此字形熄灭。

2.试灯输入£7

当£7=0时，以/W是输出端，RRBO=1,此时无论其他输入端是什

么状态，所有各段输出a〜g均为1,显示字形80该输入端常用于检查7488自身

及显示屏的好坏。

表1.374LS48功能表

+18*(ABf/■M*

吱功LTRBIDCBARBOabcd/

OHHLLLLHHHHHHHL

1HXLLLHHLHHLLLL

2HxLLHLHHHLHHLH

3HXLLHHHHHHHLLH

4HXLHLLHLHHLLHH

5HXLHLHHHLHHLHH

6HXLHHLHLLHHHHH

7HXLHHHHHHHI.L!.L

8HXLLLHHHHHHHH

9HXLLHHHHHHLHH

10HXLHLHLLLHHLH

11HXHLHHHLLHHLLH

12HXHHLLHLHLLLHH

13HXHHLHHHLLHLHH

14HXHHHLHLLLHHHH一

15HXHHHHHLLLLLLLt

mMIXXXXXXLLLLLLLL

MedinaHLLLLLLLLLLLLL

nMucLXXXXXHHHHHHHH8

3.动态灭零输入RBI

当£7=1,RBI=O且输入代码DCBA=0000时，各段输出a〜g均为低电

平，与BCD码对应的I字形口熄灭，故称“灭零”。运用£7M与的=0可以实现

某一位口勺“消隐”。此时引力?仇2是输出端，且敬月）。

4.动态灭零输出砌

87"%作为输出使用时,受控于£7和部/。当£7=1且您/=0,输入

代码比阱0000时，RB80；若£氏0或者£7=1且超/=1,则做＞1。该端重要

用于显示多位数字时，多种译码器之间的连接。

从功能表还可看出，对输入代码0000,译码条件是：£7和曲同步等

于1,而对其他输入代码则仅规定£7=1,这时候，译码器各段a〜g输出的电平

是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形口勺规定。

74LS48引脚图如图2.8所示。

Vccfgabcde

同同臼向阳同旧

UUJUJUJhJLdLULL

BCErBI/RBORBIDAGND

图2.874LS48引脚图

2.1.4时钟控制电路

时钟是进入计数器还是停止是有RC电路来实现控制的，

当开关没有闭合时4.7uF电容上端电压为+5V,下端为0V此时反相器输入端

为“H”电平，从而输出为“L”电平，因此此时与非门输出恒为高电平，时钟不

能通过与非门。

当据下按钮开关时，4.7uF的电容会放电，其上的电荷很快变为0。然后电

流通过与+5V连接的100K电阻流过开关，不会通过电容。这样反相器的输入就

会变为“L”电平，输出也对应变为了“H”电平，此时时钟信号可以通过与非门,

从而控制计数器进行正常计数。

当开关闭合后乂断开时，来自+5V日勺电流通过100K的电阻流向4.7uF日勺电

容，使电位逐渐升高。在电容上端电压从0V逐渐升高到反向器日勺阀值电压VT+

后，反向器输出变为低电平，使时钟不能再通过与非门。其电路接线图如下。

如图2.9所示。

图2.9时钟控制电路

不过在电容电压上升的过程中会出现一定的延时，这样就使得不是开关一断

开，计数器就停止计数，而是在通过RC时常数电路延时一段时间后计数器才停

止计数。实际上这一段延时大故意义，只要RC时常数点路延时日勺时间远不小于

时钟脉冲一种周期的时间，就可以在开关断开后，计数器还在计数（相称于毁子

在人掷出去后还在不停滚动，等过了一定期间才会停止）。假如是换成单刀双掷

开关，则计数器计数的时间（骰子滚动的时间）会受人的控制，这与实际不符。

因此加一种RC时常数电路大有裨益。

以上是第一种方案电路各模块的电路分析。

2.2第二种方案设计思绪

2.2.1时钟发生电路

第二种方案采用555定期器构成的多谐振荡器作为时钟脉冲产生电路。

555定期器是一种集模拟，数字于一体日勺中规模集成电路，其应用极为广泛。它

不仅用于信号的产生和转换，还常用于控制与检测电路中

1)电路接线如图2.10所示

图2.10555接线图

2)555定期器的电路构造如图2.11所示。

图2.11555定期器内部电路构造

3)555定期器引脚分布如图2.12所示

VCC

DISCHARGE

THRESHOLD

CONTROLVOLTAGE

图2.12555引脚图

4)555定期器原理及功能表

1.555定期器原理：

555定期器内部电路由电压比较器G和C2,RS触发器和集电极开路H勺三极

管T三部分构成。

555定期器有两个输入端，一种输出端，共8个引脚。器件的第6脚接电压

比较器C出勺反相输入端，称为阈值端，用符号TE来标注；第2脚接电压比较器

C2的同相输入端，称为触发端，用符号乐来标注；第5脚是控制电压输入端，

用符号”来标注；第4脚是RS触发器的复位端；第3脚是信号输出端，第1脚

是接地端，第8脚是电源电压输入端。

,当第5脚悬空时，第8脚所接的电源电压Vcc经三个5kCH勺电阻R分压,

2噎

电压比较器G同相输入端的电压为3b,该电压是电压比较器G的参照电压;

%

电压比较器C2反相输入端H勺电压为3a,该电压是电压比较器C2的参照电压。

2\

Un<一匕rr，"门《一匕Tr

555定期器的工作原理是；当输入电压303"1f时，电压比较器

G反相输入端日勺输入电压不不小于参照电压，相称于在电压比较器G的反相输入

端输入一种负极性日勺信号，电压比较器G的输出电压为正极性日勺信号，即高电

平信号“1”；电压比较器C,同相输入端日勺输入电压不不小于参照电压，相称于

在电压比较器&的同相输入端输入一种负极性日勺信号，电压比较器C?日勺输匕电

压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS触发器被置位，输出电压U。等于1。

211

u.<-r<-v>-r

当输入电压3"时，口2从3"变化到3"时，电压比较器C

反相输入端口勺输入电压不不小于参照电压，电压比较器G的输出电压为高电平

信号“1”：电压比较器G同相输入端的输入电压从不不小于参照电压变化到不

小于参照电压，电压比较器C?的输出电压从低电平信号”0”变为高电平信号“1”；

口2

RS触发器处在保持的状态，保持"“"百"必u2<5r"时的输出状态，输出电压

2Tr1”

u。等于1。当输入电压”3"3"时，电压比较器G反相输入端的输入

电压不小于参照电压，相称于在电压比较器GU勺反相输入端输入一种正极性的

信号，电压比较器G09输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”；电压比

较器G同相输入端的输入电压不小于参照电压，相称于在电压比较器Cz的同相

输入端输入一种正极性的信号，电压比较器CH勺输出电压为正极性信号，即高

电平信号“1”；RS触发器被复位，输出电压w等于0。

122

当输入电压3"时，u“从3"变化到3"时，电压比较器C2

同相输入端日勺输入电压不小于参照电压，电压比较器CJ勺输出电压为高电平信

号“1”；电压比较器G反相输入端日勺输入电压从不小于参照电压变化到不不小

于参照电压，电压比较器G时输出电压从低电平“0”变为高电平“1”；RS触发

器处在保持的状态，保持,u">5-V"必u2>>-5V”时的输出状态，输出电压U。等于

0o

2.555定期器功能表如图

表1.4555定期器功能表

Ruilui2“T的工作

状态

0XX0导通

1＜京1截止

3

1从＜口蚊虫,1截止

3

>k>1以

10导通

33金

从宁“变化到多>\

13金0导通

在本次电路中555定期器是构成了多谐振荡器。

其振荡波形如图2.13所示。

Si*ulatedTektronixOscilloscope-XSC1

TektronixIDS2024谶:0

0

0

0

0

0

图2.13555定期器口勺振荡波形

用555定期器构成的多谐振荡器如图4.2所示。接通电源后，电容C2被充电,

当Vc上升到2VCC/3时，使Vo为低电平,同步放电三极管T导通,此时电容C2

通过R1和T放电，Vc下降。当Vc下降到VCC/3时，Vo翻转为高电平。电容C放

电所需H勺时间为tPL=RiCln2.

当放电结束时T截止,VCC将通过Ri.R2向电容器C充电,Vc由VCC/3上升到2VCC/3

所需的时间为tp«=(R2+Ri)ln2.

当Vc上升到2VCC/3时，电路乂翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的

输出端就得到一种周期性的矩形波。电路的工作波形如图2.14所示。

其振荡频率为

f=l/(tpL+tPH)=l/[(2R1+R2)Cln2]

因此根据图中参数f=100HZ,由于电路有干扰存在因此仿真

成果与实际计算有出入。

图2.14由555定期器构成H勺多谐振荡器

2.2.2六进制计数器

第二种方案日勺六进制计数器是采用D触发器均成H勺非同步型计数器。用非同

步型计数器制作n进制计数器时，要把触发器并列并对它日勺输出解码，当为n

的时候对整个计数器复位。

图2.15是由D触发器构成的非同步型六进制计数器的电路图。

图2.15D触发器构成的非同步型六进制计数器

D触发器特性方程。

Qn+1=D

D触发器引脚图如图216

图2.16D触发器引脚图

D触发器功能表如表1.5所示。

表1.5D触发器功能表

D4Qn-1功能

000Qn+l=O,置0

010

101QnU=l,置1

111

当SET=1时,无论D=0还是D=LQn+i=l；

当RESETS时，无论D=0还是D=l,Qn-i=O：

当SET=1,RESETS时,Qn+i=l<,

以二进制计数器为基本器件，共有六种状态，而4<6<8,因此需要3个D触发

器。六进制H勺输出变化为0—1—2—3—4—5—0因此在输出为6日勺瞬间所有D

触发器复位。由于骰子的输出为1到6,因此必须将计数器0到5的输出通过逻

辑门电路改为1到6。则列出真值表如表1.6所示。

表1.6计数器输出与译码器输入转换的真值表

计数器输出译码器74LS48输入

QzQYQxDCBA

0000001

0010010

0100011

0110100

1000101

1010110

1100001

用卡洛图分析可得

D=0,C=Z+XY,B=X㊉Y,A=-X

因此只需要将QzQYQx接对应日勺门电路并输出到74LS48日勺A,B,C,D就可以实现0

到5与1到6的转换。

所用的与非门电路为74LS00

其引脚图如图2.17

图2.1774LS00引脚图

其功能表如表1.7所示

表1.774LS00功能表

InputsOutput

ABY

LLH

LHH

HLH

HHL

所用的异非门电路为74LS86

其引脚图如图2.18

VCCB4A4Y4B3A3Y3

Il4131210|9|8

L5E>Lgi>

rtr>rtpi

123456p

A1B1Y1A282Y2GND

图2.1874LS86引脚图

其功能表如表1.8所示

表1.874LS86功能表

InputsOutput

ABY

LLL

LHH

HLH

HHL

所用的与门电路为74LS08

其引脚图如图2.19

1A□VCC

1B匚213□4B

1Y匚3§12□4A

2A匚4M11□4Y

2B匚51033B

2Y匚69D3A

GND匚78ZJ3Y

图2.1974LS08引脚图

其功能表如表L9所小

表1.974LS08功能表

InputsOutput

ABY

LLL

L长L

Ht.L

HHH

所用的非门电路为74LS04

其引脚图如图411

IA匚14JVCC

1YC213□6A

2AC3312U6Y

2Y匚411D5A

3AC510J5Y

3YC69□4A

GNDL78U4Y

图2.2074LS04引脚图

其功能表如表1.10所示

表1.1074LS04功能表

所用时或门电路为74LS32

其引脚图如图2.21

1A□VCC

1B□4B-

IY□4A

2A匚□4Y

2BC□3B

2YC□3A

GNDC33Y

图2.2174LS32引脚图

其功能表如表1.11所示

表1.1174LS32功能表

ABY

000

011

101

111

2.2.3译码器及显示电路

此部分电路与第一种方案的相似。

时钟控制电路

此部分电路与第一种方案的相似。

2.3方案比较与选择

方案比较

在焊接电路板时，我选择的方案是第一种，第一种方案与第二种方案相比明

显H勺长处是简洁，清晰。

时钟部分功能两者相差不大，均可实现所规定的功能。不过在将其焊接在万

用板上时，第一种方案的施密特反相器跟利于焊接。

产生时钟的振荡电路采用RC振荡电路，而没有采用石英晶体振荡电路口勺原

因是。虽然RC振荡电路在稳定性上比不上石英振荡电路。不过长处是轻易通过

变化电容器或者电阻值来调整振荡频率。并且价格廉价。因此选择RC振荡电路。

计数器部分，由于第一种方案是用H勺集成计数器，因此其比第二种方案由分

立元件搭成日勺计数器要简朴得多。在消耗很少的元件上就可以实现所规定的功

能。

译码及显示部分两者大体相似。

2.3.2方案选择

通过以上分析可知，方案一优于方案二，因此选择方案一。

3硬件设计

3.1电路板焊接

这次我们是将电路焊接在万用板上。

我们硬件设计的过程是首先焊接电源及总开关，并接上电源指示灯。然后

再焊接集成施密特反相器74HC14,并接好对应的电阻和电容。另一方面再焊接

时钟控制电路，并对照74LS00的引脚图和功能表将时钟输出和时钟控制电路输

HI接在同一种与非门匕然后再接上集成计数器74LS161,并接好对应日勺附属电

路，

最终再接上译码器74LS48和七段数码管。到此整个电路焊接完毕。

3.2调试过程和技巧

我们懂得焊完电路板只是完毕了一小部分，重要的是电路板的调试过程。这

样才能完毕电路所规定的功能。在当日焊完电路权后，我们迫不及待的接上了电

源，不过成果却不容乐观，只是数码管亮着并且只显示0,以往在数电试验中的

经验告诉我是时钟脉冲出了问题，不过为了保险起见，我们断开了计数器，给电

源上电后，我们首先检查译码和显示，译码器的输入从0000(B)一直到1111(B)

都是正常的,这阐明译码和显示是对的口勺，然后我们用相似的措施检查了各模块,

最终我们用排除法证明，问题肯定是出在时钟脉冲上面，最终果然是时钟脉冲的

电阻接错了，改掉后电路就开始正常工作了，我们相称兴奋。

这次调试过程中我们用了示波器去检查脉冲，一开始就发现了它有问题。不

过为了保险，我们也测试了其他部分的模块。

在这次调试过程中，我们通力合作，配合的相称快乐，效率相称高，只用了

1个小时就处理了问题。

4收获及体会

这次课程设计丰富了我口勺知识，同步让我愈加牢固口勺掌握了学习过口勺电路基

础，模拟电子技术基础，数字电子技术基础等课程，这次在真正的焊接电路板之

前，设计方案首先是通过了multisimlO.O仿真软件的验证，在使用该仿真软件

的过程中，我收获了诸多，愈加纯熟口勺掌握了该软件，此前诸多不懂得的地方在

这次使用中都逐渐掌握了。

这次课程设计同步让我懂得理论跟实际是有很大差距日勺，在后来学习和生活

中我会不仅认真学习书本上日勺理论知识，还会多焊接电路板，增强实际的历练，

这样才能更好的学习知识，理论联络实际，才能得到长足的进步。

结束语

这次设计是通过查阅多种资料、以及同同学讨论并且独立思索设计出来的。

在设计过程中，我用到了前一两个学期所学过的数字电路部分中日勺多种芯片，如:

741S14和555定期器以及计数器741S161等。因此,我对他们H勺功能和运用有

了更深一步的理解

同步通过软件multisimlO.0对电路进行模拟仿真，从而使设计成果得到了

验证。通过这次课程设计环节，我理解到模拟电路和数字电路之间的联络，使我

对单元功能电路的理解和运用能力有了一定的提高。

通过这次课程设计，加强了我动手、思索和处理问题日勺能力，目前设计已经

做好了，自己感觉还是比很好的，虽然花了诸多日勺时间，但学到了诸多的东西，

做课程时间日勺时候，自己把整个书本都看了儿遍，增强了自己对知识日勺理解，诸

多此前不是很懂日勺问题目前都已经一一处理了，在课程设计日勺过程中，我想了诸

多种方案，对同一种问题（像施密特反相器日勺接法）都想了诸多不一样的接法，

运用不一样日勺芯片进行了比较，最终还是采用了上面日勺措施进行连接。

在连线过程中，常常会碰到某些问题，例如接错线，无意中删除了某些线之

类日勺问题等，使自己感觉到有点点日勺力不从心，从开始到课程设计那天起，脑中

每天都想到同样日勺问题，怎么去接线，怎么去把电路弄得愈加简朴，完毕后，心

里有一种说不出的快乐。

改善意见，个人认为可以让电骰子更像一点。用七个LED灯像现实生活中日勺

骰子那样摆在。

如图2.22所示

图4.13电骰子

参照文献

[l]CharlesK.AlexanderandMatthewN.0.SadikuFundamentalsOf

ElectricCircuits北京：清华大学出版社2023.12

[2][日]汤山俊夫.数字电路设计与制作.北京：科学出版社,2023,4

[3][日]稻叶保.振荡电路口勺设计与应用.北京：科学出版社,2023,9

[4]蒋立平.数字逻辑电路与系统设计.北京：电子工业出版社,2023.5

[5]康华光.电子技术基础模拟部分一5版.北京：高等教育出版社，2023.1

[6]康华光.电子技术基础数字部分一5版.北京：高等教育出版社，2023.1

附录1方案一电路图

附录2方案二电路图

0

UI6

VCC

R5

R10

1。帆州

67

27

74HC14N创

NANEC

C3U1

7乩渐

I47uF

2931

VCC52

555TIMERRATED

vet

W

：3帆

RJT

DI3

RI

I.

T

附录3元件清单

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