《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告—可編程彩燈控制電路的設(shè)計(jì)

1、?數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告可編程彩燈控制電路的設(shè)計(jì)可編程彩燈控制電路的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握計(jì)數(shù)器、移位存放器電路的原理及應(yīng)用。2. 掌握比擬器或譯碼電路的應(yīng)用方法。3. 掌握555電路的應(yīng)用方法。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1. 分析下列圖所示電路功能。2. 完成振蕩電路及分頻電路的設(shè)計(jì)。3. 連接整體電路，測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。要求：1. 彩燈電路循環(huán)速度肉眼可辨。2. 可2燈循環(huán)，3燈循環(huán)，8燈循環(huán)。最少6燈，可擴(kuò)展成可逆循環(huán)。3. 要求有功能擴(kuò)展。三、 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)思想可編程彩燈電路實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的四個(gè)時(shí)序電路：移位存放器、計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器和組合實(shí)驗(yàn)綜合為一個(gè)完整的設(shè)計(jì)型時(shí)序、組合電

2、路綜合實(shí)驗(yàn)。如電路圖所示，10線4線優(yōu)先編碼器74LS147和3線8線譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的編碼、譯碼功能，兩片單向移位存放器74195級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)6位信號(hào)的邏輯右移，集成定時(shí)器7555用來產(chǎn)生定時(shí)脈沖，通過調(diào)節(jié)電阻和電容值可改變脈沖頻率，分頻器局部主要功能是改變輸入移位存放器的信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)彩燈亮滅頻率的改變。根本的設(shè)計(jì)原理和思想如上所述，但我們小組在分頻器局部進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在老師已給的電路根底上，又加了6個(gè)芯片三片74LS161、兩片74LS151、一片74LS00，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率選擇的功能。而且設(shè)計(jì)了7個(gè)邏輯電平開關(guān)和一個(gè)復(fù)位開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻和手動(dòng)變頻的切換。四、 整體電

3、路圖整體電路共分為六大模塊：555振蕩電路模塊、編碼譯碼模塊74LS147、74LS138、移位存放器模塊兩片74LS195、顯示模塊25盞LED燈、計(jì)數(shù)器模塊74LS161、分頻器模塊兩片74LS161和數(shù)據(jù)選擇器模塊兩片74LS151。五、 單元電路分析1. 振蕩電路模塊設(shè)計(jì)（1） 電路圖2555工作原理及功能表555定時(shí)器是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，由于內(nèi)部電壓基準(zhǔn)使用了3個(gè)5k電阻，故名555電路。3個(gè)5k的電阻組成分壓器，其內(nèi)部的兩個(gè)電壓比擬器構(gòu)成一個(gè)電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平23UCC，下觸發(fā)電平為13UCC，在5角控制斷外接一個(gè)參考電壓UC，可改變上下觸發(fā)電平值，兩比擬器

4、的輸出端分別接RS觸發(fā)器，由于與兩個(gè)或非門組成的RS觸發(fā)器必須用負(fù)性信號(hào)才能觸發(fā)，因此只有同相端的電位高于反相端時(shí)，RS觸發(fā)器才能翻轉(zhuǎn)。外接控制電壓時(shí)，555的邏輯功能表：輸入比擬器輸出輸出uTHuTRRDR(C1)R(C2)OUT放電三極管TdD0dd0導(dǎo)通UR1UR21101截止UR1UR2111不變不變UR1UR21010導(dǎo)通不外接控制電壓時(shí)，555邏輯功能表：輸入輸出uTHuTRRDOUT放電三極管dd00導(dǎo)通23UCC13UCC11截止23UCC13UCC1不變不變23UCC13UCC00導(dǎo)通當(dāng)接通電源時(shí)，由于電容C2兩端的電壓不能突變，定時(shí)器的低觸發(fā)端2端為低電平，輸出端3端為高電

5、平內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。電源經(jīng)過R1、R2給電容充電，當(dāng)電容電壓充到電源電壓的2/3時(shí)，555內(nèi)部的CMOS管導(dǎo)通，輸出為低電平。電容通過R2和CMOS管放電，當(dāng)電容兩端的電壓下降到低于1/3電源電壓時(shí)，CMOS管截止，電容放電停止，電源通過R1、R2再次向電容充電。如此反復(fù)，形成振蕩。忽略CMOS管導(dǎo)通電阻可得：振蕩周期為：T=0.7(R2+2R1)*C1充電時(shí)間為：tw1=0.7(R2+R1)*C11*C1根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需，我們?cè)O(shè)計(jì)的元件參數(shù)如下：，R2=1K，C1=1uF，C2=10nF計(jì)算得：T=7.84×10-3s f=127.55Hz128Hz2. 分頻器及數(shù)據(jù)選擇器模塊設(shè)計(jì)（1）

6、電路圖（2） 兩片74LS161構(gòu)成的分頻器74LS161的管腳圖及功能表如下：輸入輸出CPRLDCTPCTTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0×0×××××××0 0 0 010××D3D2D1D0D3D2D1D0×110×××××保持×11×0××××保持1111××××計(jì)數(shù)由于555產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率為128Hz，接到U11的時(shí)鐘輸

7、入端，由QA口輸出的為二分頻64Hz，QB口輸出的為四分頻32Hz，再將32Hz接到U2的時(shí)鐘輸入端，由QA口輸出二分頻16Hz，QB口輸出四分頻8Hz，QC口輸出八分頻4Hz，QD口輸出十六分頻2Hz。（3） 兩片74LS151構(gòu)成的16選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151的功能表如下：SA2A1A0FF1×××010000D0D00001D1D10010D2D20011D3D30100D4D40101D5D50110D6D60111D7D716選1數(shù)據(jù)選擇器有16個(gè)數(shù)據(jù)通道，要用A3A0四位地址碼才能形成16個(gè)地址，以選擇16個(gè)對(duì)應(yīng)的通道。將低位片U4的使能端S經(jīng)過一

8、個(gè)與非門反相后與高位片U12的使能端S相連，作為最高位的地址選擇信號(hào)A3。如果A3=0，那么U4片工作，根據(jù)A2A0，從D7D0中選擇一路輸出；如果A3=1，那么U12片工作，根據(jù)A2A0，從D15D8中選擇一路輸出。這里U4片的輸入信號(hào)為： D0=2Hz ， D1=D2=4Hz ，D3=D4=8Hz ，D5=D6=16Hz D7=32Hz ；U12片的輸入信號(hào)為：D0=32Hz ，D1=D2=64Hz ，D3=D4=D5=D6=D7=128Hz 。這里七個(gè)開關(guān)負(fù)責(zé)控制每一路不同頻率的信號(hào)，Space復(fù)位開關(guān)負(fù)責(zé)控制自動(dòng)變頻與手動(dòng)變頻的切換。3. 計(jì)數(shù)器模塊設(shè)計(jì)（1） 電路圖（2） 功能：移位

9、存放器模塊每右移一個(gè)周期那么反應(yīng)到該計(jì)數(shù)器時(shí)鐘端CLK一次，QA、QB、QC分別接到兩片74LS151的地址輸入端，用以改變所選擇輸出的頻率。4. 主體電路編碼譯碼模塊、移位存放器模塊、設(shè)計(jì)（1） 電路圖210線4線優(yōu)先編碼器74LS147功能表如下：I9I8I7I6I5I4I3I2I1F3F2F1F00××××××××011010×××××××0111110××××××10001110

10、×××××100111110××××1010111110×××10111111110××110011111110×110111111111011101111111111111本實(shí)驗(yàn)中，輸入1、2接低電平，其余接高電平，那么A、B、C對(duì)應(yīng)輸出端輸出為1、0、1。33線8線譯碼器74LS138將三位二進(jìn)制代碼譯為07這8個(gè)數(shù)。輸入輸出均為低電平有效。其功能表如下：輸入輸出G1G2AG2BA2A1A0F0F1F2F3F4F5F6F7×1

11、15;×××11111111××1×××111111110×××××111111111000000111111110000110111111100010110111111000111110111110010011110111100101111110111001101111110110011111111110按照本實(shí)驗(yàn)中的接法，原始狀態(tài)時(shí)輸出端Y5輸出為低電平，其余為高電平。（3） 移位存放器74LS195移位存放器74LS195的復(fù)位端的信號(hào)R為低電平時(shí)，立即將四個(gè)

12、觸發(fā)器清零。LOAD為低電平時(shí)，在CP正沿脈沖的作用下，執(zhí)行并行送數(shù)功能。LOAD為高電平時(shí)，并行數(shù)據(jù)被禁止送入，第一級(jí)J、K輸入數(shù)據(jù)有效，執(zhí)行J、K功能。在CP脈沖的正邊沿作用下，執(zhí)行右移功能。其功能表如下：輸入輸出RCPLOADD0D3JKQ0n+1Q1n+1Q2n+1Q3n+1Q3n+10××××××0000110d0d3××d0d1d2d3d3101××××Q0nQ1nQ2nQ3nQ3n11××01Q0nQ0nQ1nQ2nQ2n11×&#

13、215;000Q0nQ1nQ2nQ2n11××111Q0nQ1nQ2nQ2n11××10Q0nQ0nQ1nQ2nQ2n由電路圖可以看到，從74LS138輸出的八路數(shù)據(jù)中，F(xiàn)0F3接到U9片的輸入端，F(xiàn)4F7接到U8片的輸入端，U8片的J、K接電壓源，輸出QD接U9的J、K端，U9的QD端接最后一個(gè)LED燈，同時(shí)也要反應(yīng)回U8、U9的LOAD端，當(dāng)最后一個(gè)燈滅時(shí)，LOAD都處于高電平，并行數(shù)據(jù)被禁止送入，當(dāng)最后一個(gè)燈亮?xí)rLOAD都處于低電平，在CP正沿脈沖的作用下，執(zhí)行并行送數(shù)功能，從而使小燈實(shí)現(xiàn)循環(huán)亮滅。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的圖案是五角星，每一邊只用五個(gè)LED燈

14、，所以加了兩個(gè)與非門。五個(gè)保護(hù)電阻設(shè)計(jì)值為1K。六、 測(cè)試結(jié)果及分析由于我們焊接的時(shí)候都很仔細(xì)，所以測(cè)試的時(shí)候幾乎是一次成功，但是還有不完美之處。一開始，我們的設(shè)計(jì)的電阻值是R1=R2=10K，電容值是C1=100nF，理論上的振蕩周期T=0.7×(R1+R2)×C1=0.7×(10+10)×100×10-6=0.0014s ，理論上的振蕩頻率f=1T=714.28Hz ，可以說頻率是比擬高的，測(cè)試時(shí)這個(gè)問題表現(xiàn)得很明顯。當(dāng)小燈循環(huán)閃爍到后面時(shí)，肉眼很難分辨出燈的亮滅，所以后來我們經(jīng)過計(jì)算，重新設(shè)置元件參數(shù)值為，R2=1K，C1=1uF，解決了上一問題。七、 仿真報(bào)告A路接第一個(gè)開關(guān)，B路接第三個(gè)開關(guān)第二個(gè)開關(guān)空置，由圖像顯示：