循環(huán)彩燈課程設(shè)計講解

1、課程設(shè)計說明書課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)設(shè)計題目：循環(huán)彩燈院 系：電子信息與電氣工程學院學生姓名：學 號：2010002040039專業(yè)班級：電氣工程及其自動化 2010 級指導(dǎo)教師：2012 年 5 月 25 日課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目循環(huán)彩燈學生姓名* 所在院系 氣電工子程信學息院與電 專業(yè)、年級、班 2及0其10自級動電化氣工程設(shè)計要求：1、設(shè)計制作一個循環(huán)彩燈電路。2、彩燈數(shù)量為 8 個，8 個彩燈依次循環(huán)閃爍，彩燈亮燈時間為1秒。學生應(yīng)完成的工作： 設(shè)計一個循環(huán)彩燈的電路，并利用 Multisim 軟件進行電路仿真。利用 DXP 軟件繪 制電路原理圖，并設(shè)計制作電路的 PCB

2、 板。根據(jù)設(shè)計原理對電路進行安裝、調(diào)試，完成課程設(shè)計工作， 并提交課程設(shè)計報告。參考文獻閱讀：1童詩白 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) M.北京：高等教育出版社， 2005.2臧春華 .電子線路設(shè)計與應(yīng)用 M.北京:高等教育出版社， 2005.3邱關(guān)源，羅先覺 . 電路（第五版） M. 北京：高等教育出版社， 2006.4閻 石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版） M. 北京：高等教育出版社， 2005.5張陽天，韓異凡 Protel DXP 電路設(shè)計 M. 北京：高等教育出版社， 2005.工作計劃： 5月 14號 16 號用 Multism 完成電路設(shè)計與仿真； 5月 17 號18 號用 Altium Desig

3、ner09 進行 PCB 設(shè)計；5月 21號 23號完成 PCB板的制作安裝； 5月 24 號 25號完成電路板調(diào)試，提交課 程設(shè)計報告。任務(wù)下達日期： 2012 年 5 月 14 日任務(wù)完成日期： 2012 年 5 月 25 日指導(dǎo)教師（簽名） ：學生（簽名） ：循環(huán)彩燈摘 要： 設(shè)計制作了一個循環(huán)彩燈電路，該電路能控制的八個彩燈按順序 依次循環(huán)閃爍，間隔時間為 1 秒。其中，時鐘電路用 NE555N 實現(xiàn)；計數(shù) 電路是由十進制可逆 計數(shù)器 74LS192P；驅(qū)動電路由三線八線譯碼器 74LS138P構(gòu)成，顯示電路用八個彩色發(fā)光二極管實現(xiàn)， 并采用 5V 電壓作為 整個電路的供電電源。用 5

4、55 定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生振蕩周期為 1 秒的時鐘信號； 74LS192P 構(gòu)成八進制計數(shù)器，并對時鐘信號進行計數(shù)； 74LS138P對 74LS192P的低 3 位輸出代碼進行譯碼，并驅(qū)動對應(yīng)的發(fā)光二 極管點亮。利用 Multisim 10 對設(shè)計的電路進行仿真，可以看到八個彩燈循 環(huán)閃爍，間隔周期為 1 秒。關(guān)鍵詞： 循環(huán)彩燈； NE555定時器； 74LS192計數(shù)器； 74LS138譯碼器目錄1. 設(shè)計背景 11.1 了解數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字電路的定義及組成 11.2 了解計數(shù)器、譯碼器的基本功能及時鐘電路的構(gòu)成 12. 設(shè)計方案 12.1 任務(wù)分析 22.2 方案論證 23. 方

5、案實施 23.1 原理圖設(shè)計 23.2 電路仿真 53.3 PCB 制作63.4 安裝與調(diào)試 74. 結(jié)果與結(jié)論 75. 收獲與致謝 76. 參考文獻 87. 附 件 87.1 電路原理圖 87.2 PCB 布線圖 87.3 元器件清單 91. 設(shè)計背景1.1 了解數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字電路的定義及組成數(shù)字電子技術(shù)主要研究各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應(yīng)用，邏輯門電路 組合和時序電路的分析和設(shè)計、 集成芯片各腳功能。 555 定時器等。 隨著計算機科學 與技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，用數(shù)字電路進行信號處理的優(yōu)勢也更加突出。為了充分發(fā)揮和 利用數(shù)字電路在信號處理上的強大功能，我們可以先將模擬信號按比例轉(zhuǎn)

6、換成數(shù)字信 號，然后送到數(shù)字電路進行處理，最后再將處理結(jié)果根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號輸 出。自 20世紀 70 年代開始，這種用數(shù)字電路處理模擬信號的所謂 “數(shù)字化 ”浪潮已經(jīng)席 卷了電子技術(shù)幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字電路是用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算的電路， 又叫數(shù)字系 統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。現(xiàn)代的數(shù)字電路由 半導(dǎo)體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存 儲器是用來存儲二值數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從功能上分，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和 時序邏輯電路兩大類，按結(jié)構(gòu)分為分立元件電路和集成電路。數(shù)字電路同時具有算術(shù)運

7、 算和邏輯運算功能，還具有實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠，集成度高，功能實現(xiàn)容易等特點。數(shù) 字電路與數(shù)字電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天 等科學技術(shù)領(lǐng)域。1.2 了解計數(shù)器、譯碼器的基本功能及時鐘電路的構(gòu)成 計數(shù)器就是實現(xiàn)計數(shù)運算的邏輯電路， 計數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要是對脈沖的個數(shù)進 行計數(shù)，以實現(xiàn)測量、計數(shù)和控制的功能，同時兼有分頻功能，是在數(shù)字電子技術(shù)中應(yīng) 用的最多的時序邏輯電路， 計數(shù)器不僅能用于對時鐘脈沖計數(shù)， 還可以用于分頻、 定時、 產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進行數(shù)字運算等； 譯碼器是可以將輸入二進制代碼的狀態(tài) 翻譯成輸出信號，以表示其原來含義的電路。根據(jù)需要，輸

8、出信號可以是脈沖，也可以 是高電平或者低電平；時鐘電路就是產(chǎn)生象時鐘一樣準確的振蕩電路。它屬于一種控制 電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng) 分頻后形成各種時鐘脈沖的電路，設(shè)計時鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的 頻率，并注意與其他控制信號結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。2. 設(shè)計方案-1-2.1 任務(wù)分析根據(jù)課程設(shè)計的要求，為了控制整個電路的信號輸入，需要用到 555 定時器和設(shè)計 所需要的電阻和電容一起構(gòu)成周期為一秒的時鐘信號發(fā)生器， 從而為整個電路提供所需 要的連續(xù)時鐘信號。為了實現(xiàn)對輸入脈沖的計數(shù)，需要用到計數(shù)器。為了將計數(shù)器輸出 的二進制

9、代碼翻譯成輸出信號，需要用到譯碼器。最后為了將輸出信號顯示出來，需要 用到八個發(fā)光二級管等。2.2 方案論證本次課程設(shè)計中，為了產(chǎn)生時鐘脈沖信號，需要用到多諧振蕩器，多諧振蕩器是一 種自激振蕩器，在接通電源后不需要外加觸發(fā)信號，便能自動地產(chǎn)生時鐘脈沖，它可以 由多種方式構(gòu)成，如對稱式多諧振蕩器，非對稱式多諧振蕩器，環(huán)形振蕩器，用施密特 觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器，石英多諧振蕩器，用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器等，其中 環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，是利用延遲負反饋產(chǎn)生振蕩的，它利用門電路的傳輸延遲時間將 奇數(shù)個反相器首尾相接而構(gòu)成，但是由于門電路的傳輸延遲時間極短，導(dǎo)致其振蕩頻率 太高，而且不易調(diào)節(jié)；其

10、他幾種多諧振蕩器雖然各有自己的特點與功能，但由于本次課 程設(shè)計中所給器材有限， 所以選用由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路來產(chǎn)生設(shè)計中所需 的時鐘脈沖信號；在計數(shù)電路中，為使彩燈循環(huán)，需要將計數(shù)器的清零端與其高位輸出 端相接，然后由三個低位輸出端輸出二進制信號 07 的循環(huán)；將計數(shù)電路輸出的二進 制信號通過譯碼器輸出相應(yīng)的高低電平，從而實現(xiàn)彩燈的循環(huán)閃爍。3. 方案實施3.1 原理圖設(shè)計1、時鐘電路設(shè)計555 定時器集成電路是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，可連接成多諧振 蕩電路，產(chǎn)生單位脈沖，用于觸發(fā)計數(shù)器。 555定時器的邏輯符號圖如圖 1 所示。圖 1 555 定時器的邏輯符號圖

11、- 2 -由 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖的電路如圖 2 所示。采用圖 2 所示電路圖的接法，則取占空比 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，則 R3=R2=48K 由于器材限制，取 R3=51k, R2=47K 由此計算出 T=(R3+2R2) Cln2=1.00485 s圖 2 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器2、計數(shù)電路設(shè)計計數(shù)電路由 74LS192 構(gòu)成，其邏輯符號如圖 3所示。圖 3 74LS192 的邏輯符號圖中: VCC為電源輸入端， GND為接地端， A、B、C、D為數(shù)據(jù)輸出端

12、， QA、QB、QC、QD 為輸出端， LD 為置數(shù)端， CLR 為清零端， UP 為加計數(shù)端，接 555 定時器的 輸出端， DWN 為減計數(shù)端， BRW 為非同步進位輸出端， CO 為非同步借位輸出端，將A,B,C,D 分別接低電平， LD 、DWN 接高電平，為使彩燈循環(huán)， CLR 端與 QD 相接，然 - 3 -后 QA、QB、QC 三個輸出端輸出的就是 07的二進制循環(huán)，分別接到 74LS138N的三 個輸入端進行譯碼。接成的計數(shù)電路如圖 4 所示。圖 4 計數(shù)電路3、驅(qū)動電路設(shè)計八個循環(huán)彩燈由 74LS138N 譯碼器驅(qū)動，其邏輯符號如圖 5 所示圖 5 74LS138 的邏輯符號

13、圖中：74LS138N的功能是將三個輸入端 A、B、C 的高低電平譯出，從 Y0Y7的 八個輸出端的其中一個輸出。將上面接好的 74LS192N 的 QA、QB、QC 三個輸出端分 別接 A、B、C三個輸入端； OE2A 和OE2B接地， OE1接電源， GND 管腳及 VCC 管 腳分別接地和電源。然后就可用 Y0 Y7 的八個輸出端分別驅(qū)動八個發(fā)光二極管。接成的驅(qū)動電路如圖 6 所示。圖 6 驅(qū)動電路3、顯示電路設(shè)計顯示電路由 8個發(fā)光二極管和 1個 100的電阻和一個高電平組成。只有當從驅(qū)動 電路過來的是低電平，才可以讓發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，用因此 74LS138N 的輸出端接二 極管的負

14、極比較簡便。另外，為防止通過發(fā)光二級管電流過大，在高電平與發(fā)光二級管 之間接入一個 100的電阻，顯示電路的接法如上圖 6 所示。4、整個電路工作原理總結(jié)把 555 定時器的輸出端接 74LS192 計數(shù)器的加數(shù)計數(shù)器端，將 74LS192 計數(shù)器的 輸出端分別接 74LS138 譯碼器的輸出端，再把 74LS138 譯碼器的 8 個輸出端分別接 8 個彩燈。因為只需要 8 個彩燈依次點亮，也就是 8 種狀態(tài)，然后進入下一個循環(huán)，而 74LS192計數(shù)器是十進制計數(shù)器，有十種輸出狀態(tài)，所以采取把 74LS192 計數(shù)器的 QD 輸出端返回接其置位端，以實現(xiàn)當計數(shù)到 8 時，返回從零開始計數(shù)。這

15、樣就完成了循環(huán) 彩燈的循環(huán)控制。3.2 電路仿真在各單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，用 Multisim10.0 軟件把各單元電路連接起來，畫出符 合軟件要求的系統(tǒng)整體邏輯電路圖。選擇合適的電阻電容，然后啟動開關(guān)觀察，根據(jù)彩 燈的閃爍情況判斷電路是否正常。經(jīng)過耐心的連接，檢查與調(diào)試，仿真結(jié)果終于無誤， 驗證了設(shè)計的正確性。 電路原理圖的設(shè)計任務(wù)至此完成， 可以制板，仿真圖如圖 7 所示用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的振蕩頻率理論值為 1Hz ，可能因為電壓的不穩(wěn)定， 在開始時彩燈亮的時間并不為 1s，在循環(huán)過一次后，彩燈按照時長為 1 秒進行依次發(fā)亮根據(jù)仿真結(jié)果可知電路原理無誤，可以進行 PCB 板

16、布線。圖 7 仿真圖先用 DXP 畫好原理圖，一定要做好對每個器件的封裝，封裝完成后，打開 PCB 向 導(dǎo)，對所要編輯的器件參數(shù)做一個大概的修改，設(shè)置 PCB 板布線規(guī)則，把電源線和地 線設(shè)為： 0.8mm 信號線設(shè)為： 0.5mm 焊盤內(nèi)孔： 0.9mm ，為保證導(dǎo)線能在焊盤之間順 利通過，設(shè)置外孔： X 方向 1.5mmY 方向 2.0mm，設(shè)置焊盤之間只能通過一根導(dǎo)線，設(shè) 置完成后，將原理圖導(dǎo)入到 PCB 版，然后擺放器件，原則是使盡量少的線重疊，然后根據(jù)上述 PCB 布線的規(guī)則進行手動布線，布線時要仔細觀察，盡量減少使用飛線，布 線時為保證導(dǎo)線能順利通過焊盤，將過焊盤的導(dǎo)線設(shè)置為0.3

17、-0.4mm，另外為了提高電路的集成度，應(yīng)盡量將各元器件緊密排列，但需要注意不能將器件放重疊了，否則焊接 的時候會出現(xiàn)問題。完成布線后，對 PCB圖打印輸出， 在計算機上裝上虛擬打印機， 按 1:1打印出 PFD 格式的文件，進行預(yù)覽，觀察各條線之間沒有重疊后進行打印，否則再在 PCB 中進行 修改，直到各線之間沒有重疊為止，隨后將合適的 PCB 圖打印到轉(zhuǎn)印紙上，通過轉(zhuǎn)印 機轉(zhuǎn)印到銅板上，裁掉多余的部分，用筆修補缺失的線條，修補的時候一定要避免不同 線路間的接觸，修補完成后將板子放入準備好的試劑中溶解，晾干后打孔。- 6 -3.4 安裝與調(diào)試進行焊接時一定要小心謹慎，我這次焊接時沒有注意二極

18、管的正負極，誤將藍色二 極管的正負極接反，以致電路調(diào)試時不能正常工作，后來經(jīng)過耐心觀察才發(fā)現(xiàn)了錯誤， 改正后電路終于正常工作。4. 結(jié)果與結(jié)論 在老師與同學的幫助下，我基本完成了本次課程設(shè)計的任務(wù)，發(fā)現(xiàn)自己在很多方面 有欠缺，更重要的是本次課程設(shè)計是我充分認識到了動手能力與認真仔細對待問題的重 要性，并使我更進一步的掌握了 Altium Designer 與 Multisim10 的應(yīng)用，激發(fā)了我學習 這門課程的興趣，雖然最后八個彩燈也能循環(huán)閃爍，但總是從第二個彩燈開始閃爍，后 來經(jīng)過老師指導(dǎo)才明白是自己在調(diào)試的時候所加電壓不夠，導(dǎo)致了錯誤的結(jié)果。另外在 布線的時候一定要首先擺放好元器件的位置

19、，這會達到事半功倍的效果，最初我就是沒 擺放好元器件的位置才導(dǎo)致了幾根飛線，后來經(jīng)過同學的建議，才能順利的完成布線。 還有布線的時候一定要仔細觀察，不能著急，只有擁有足夠的認真細心耐心，才能感受 到山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村的喜悅。5. 收獲與致謝這次時間為兩個星期的課程設(shè)計試驗大大培養(yǎng)了我的動手能力和同學間的相互合 作精神。能夠初步掌握自動化專業(yè)常用軟件的基本工具的應(yīng)用，使我認識到了理論聯(lián)系 實際和認真細心的治學精神的重要性，使我對所學的知識有了更深的理解與感情，這次 課程設(shè)計我深刻意識到認真的重要性，也許是第一次做數(shù)電課程設(shè)計，難免會遇到過各 種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，對以前所學過的知識認識得 不夠深刻，掌握得不夠牢固，理解的不夠透徹。總體來說 ,這次實習我受益匪淺 .在摸索 該如何設(shè)計程序使之實現(xiàn)所需功能的過程中 ,特別有趣 ,培養(yǎng)了我的設(shè)計思維 , 增加了實 際操作能力。如果不能夠認真謹慎的工作，我們的設(shè)計不會達到預(yù)期的效果。還有不論 遇到什么困難，不要對自己失去信心。在以后我要更加努力學習，培養(yǎng)自己獨立思考的 能力，彌補自身的不足，提高自己