電子色子的設(shè)計

1、西安電子科技大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計題 目 電子色子的設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué) 號 院 （系） 信息工程學(xué)院 指導(dǎo)老師 完成時間 2013年11月29日 目 錄 1 課程設(shè)計的目的12 課程設(shè)計的任務(wù)與要求13 設(shè)計方案及論證23.1 設(shè)計的方案23.2 方案的論證24 設(shè)計原理及功能說明34.1 設(shè)計原理34.2 各器件功能說明45 硬件的制作與調(diào)試85.1 電子色子的制作85.2 電子色子的調(diào)試96 總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附錄1：元器件清單11附錄2：總體電路原理圖12附錄3：實物圖131 課程設(shè)計的目的此次課程設(shè)計是將學(xué)過的數(shù)字電子技術(shù)課程的加以鞏固，增強(qiáng)獨(dú)立思考的能力，實現(xiàn)理論和實踐相

2、統(tǒng)一的目的。通過繼續(xù)鞏固知識，將課程設(shè)計與松散的各部分知識進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)系，應(yīng)用于一項獨(dú)立的設(shè)計當(dāng)中，啟發(fā)了創(chuàng)新思想的能力。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)(1) 使用邏輯門電路、集成芯片及555定時器等器件完成電子色子的設(shè)計。(2) 用7個LED燈模擬色子顯示1-7點(diǎn)。(3) 按下開始按鍵后，1-7點(diǎn)高速循環(huán)，最后逐漸減慢，并停留在一個1-7點(diǎn)上。2.2 設(shè)計要求 (1) 當(dāng)將開關(guān)閉合的時候，電子骰子隨機(jī)變化，7個點(diǎn)，每隔大約0.042秒左右變化一次。 (2) 在變化過程中，根據(jù)設(shè)定的功能隨機(jī)用LED燈亮的個數(shù)來表示。（3）當(dāng)開關(guān)斷開后，繼續(xù)工作0.042秒左右停止變化。（4）對電路

3、進(jìn)行仿真和調(diào)試。 3 設(shè)計方案及論證3.1 設(shè)計的方案 此次設(shè)計主要利用的74LS系列集成電路芯片和555芯片，并通過劃分功能模塊進(jìn)行各個部分的設(shè)計，最后完成了電子骰子的總設(shè)計要求。設(shè)計主要由方波發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的輸入信號達(dá)到數(shù)字隨機(jī)變化的要求，再由555定時器組裝成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器達(dá)到斷開電源后延時的作用達(dá)到隨機(jī)效果。另外由555定時器組成的多諧振蕩器控制數(shù)字變化時間間隔，最后顯示LED燈亮的個數(shù)，即確定色子的點(diǎn)數(shù)。LED顯示驅(qū)動器計數(shù)器脈沖信號 圖3-1 系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，脈沖信號由555定時器連接成的多諧振蕩器，計數(shù)器部分采用74LS161循環(huán)產(chǎn)生數(shù)字；驅(qū)動器采用74LS48;顯示

4、器采用七個LED燈。3.2 方案的論證(1) 時鐘脈沖的選擇 時鐘脈沖可采用石英晶體多諧振蕩器和555定時器。555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，能極方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與交換、測量與控制、家用電器等方面廣泛應(yīng)用。雖然石英晶體多諧振蕩器的諧振頻率很穩(wěn)定，但考慮到仿真的簡單快捷該設(shè)計選擇555定時器。(2) 七進(jìn)制計數(shù)器的選擇由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖源，送到集成計數(shù)74LS161使其完成加計數(shù)，其輸出通過驅(qū)動器74LS48連接到LED燈上，將點(diǎn)數(shù)顯示出來，當(dāng)集成計數(shù)器74LS161計數(shù)到“

5、7”時，將其兩個高電平輸出端通過一個兩輸入與非門74LS00反饋到集成計數(shù)器74LS161的同步置數(shù)端置“1”完成循環(huán)，由于脈沖源的頻率較大，肉眼不能識別LED燈管上的數(shù)在不停得從0到7循環(huán)，因此可以認(rèn)為LED燈管上顯示的數(shù)是隨機(jī)數(shù)，如圖即為74LS161計數(shù)器的電路圖。U174LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2A74LS00NVCC5V圖3-2 74LS161計數(shù)器4 設(shè)計原理及功能說明4.1 設(shè)計原理 通過555延時器的輸出端控制555震蕩電路，信號的發(fā)生部分一共用了兩個555集成電路。將輸出的脈沖一個作為

6、JK觸發(fā)器的同步時鐘脈沖部分，由定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖源，送到集成計數(shù)器74LS16使其完成加計數(shù)，其輸出通過數(shù)碼管驅(qū)動器74LS48連接到數(shù)碼管，將數(shù)字顯示出來，當(dāng)集成計數(shù)器計數(shù)到“7”時，將其兩個高電平輸出端通過一個兩輸入與非門74LS00反饋到集成計數(shù)器的74LS161異步置數(shù)端置“1”完成循環(huán)，由于脈沖源的頻率較大，肉眼不能識別LED燈管上的數(shù)在不停得從0到7循環(huán)，因此可以認(rèn)為上顯示的數(shù)是隨機(jī)數(shù)LED燈亮的個數(shù)。4.2 各器件功能說明如圖4-1所示電路中，4端輸入低電平時，基本RS觸發(fā)器置“0”，三極管導(dǎo)通；4端輸入高電平時，基本RS觸發(fā)器處于正常工作狀態(tài)，其輸出狀態(tài)取決于C

7、1和C2輸出狀態(tài)的組合。當(dāng)Q端輸出高電平3輸出低電平時，晶體管T截止；當(dāng)Q端輸出低電平3輸出高電平時，晶體管T導(dǎo)通。在5端開路或者未加基準(zhǔn)電壓，4端外加高電平時，C1和C2運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器的基準(zhǔn)電壓分別為2/3 Vcc和1/3 Vcc。若2端的輸入信號電壓小于1/3 Vcc，則C2運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器輸出電壓很低， 接近于零點(diǎn)幾伏電壓（定義為低電平），對基本RS觸發(fā)器置“1”；若2端輸入信號電壓大于1/3 Vcc，則C2運(yùn)算放大器的輸出電壓接近于電源電壓（定義為該電平）。若6端的輸入信號電壓小于2/3 Vcc，則C1運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器輸出電壓接近于電源電壓（定義為高電平

8、）；若6端的輸入信號電壓大于2/3 Vcc，則其輸出電壓很低，接近于零點(diǎn)幾伏電壓（定義為低電平），對基本RS觸發(fā)器置“0”。當(dāng)電路接通瞬間，C1兩端沒有存儲電荷。兩端的電壓為零，555定時器的2和6端輸入電壓為0，即出現(xiàn)6端輸入電壓小于2/3 Vcc，2端的輸入電壓小于1/3 Vcc的情況，集成運(yùn)算放大器的C1輸出高電平，C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置“1”工作狀態(tài)，輸出信號為高電平，使晶體管截止，電源Vcc 經(jīng)R1，R2和C1到公共端對電容C1充電。這種情況一直維持到C1的兩端電壓略超過2/3 Vcc;當(dāng)C1的兩端電壓略超過2/3 Vcc時，出現(xiàn)6端輸入電壓大于2/3 Vcc，2端輸入電壓

9、大于1/3 Vcc的情況，集成運(yùn)算放大器的C1輸出大低電平，C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器處于清零工作狀態(tài)，輸出信號為高電平，使晶體管導(dǎo)通，電容C1經(jīng)C1、R2和晶體管T到公共端放電。這種情況一直維持到C1的兩端電壓略低于1/3 Vcc。此后又重新回到上述的充電過程，如此周而復(fù)始，形成振蕩，產(chǎn)生矩形脈沖波輸出。電路的工作波形圖如圖4-2示。圖4-1 555定時器的內(nèi)部結(jié)圖4-2 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的工作波形充電所用時間，即脈沖維持時間：t1 =（R1 + R2）C1 ln2=0.7（R1 + R2）C1 放電所用時間，即脈沖低電平時間：t2 = R2 C1 ln2=0.7 R2 C1所

10、以，脈沖周期時間為t = t1 + t2 = 0.7（R1 + 2R2）C1將C1、R1和R2的值代入算得t = 0.042sf = 1/t = 23.8Hz用集成芯片74LS161完成控制電路，集成74LS161是4位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器，為16腳雙列直插式標(biāo)準(zhǔn)封裝。如圖4-4所示，其中，RD端為異步清零端，低電平有效；LD輸入端為同步預(yù)置數(shù)控制端，低電平有效；預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端包括 D3、D2、D1和D0，D3為最高位，D0為最低位；EP和ET為使能（高電平有效）輸入端；進(jìn)位輸入端（高電平有效）C0=ETQ3Q2Q1Q0；計數(shù)結(jié)果從Q3、Q2、Q1、 Q0等輸出，Q3為最高位，Q0為最低位。

11、為實現(xiàn)七進(jìn)制計數(shù)，采用反饋“置數(shù)法”。圖4-3 4LS161管腳圖從圖4-4可以看出，74LS48的9101112131415腳分別接到LED燈的各腳，1267腳與集成計數(shù)器74LS161相連，345腳接高電平，由于本次所使用的集成計數(shù)器都是在脈沖的上升沿才開始計數(shù)，因此只要在脈沖送入計數(shù)器的前端加一個開關(guān)即可控制脈沖源。當(dāng)開關(guān)閉合時，計數(shù)器正常計數(shù)，LED燈從1到7循環(huán)計數(shù)；當(dāng)開關(guān)斷開時，數(shù)碼管計數(shù)停止。這樣就完成了電骰子的功能。 圖4-4 LS48驅(qū)動數(shù)碼管電路圖 5 硬件的制作與調(diào)試5.1 電子色子的制作通過實驗原理圖進(jìn)行實物焊接，焊接時能深刻體會到焊接工藝的重要性：各個芯片的引腳功能不

12、能混淆，必須了解各個芯片的使用方法，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用時的注意事項，該接電源的一定要接電源，該接地的一定要接地，且不能有懸空。同時在電路板上要預(yù)先確定電源的正負(fù)端，便于區(qū)分及焊接。正確焊接各芯片各管腳連接必須查閱各種資料并記錄，以確保在焊接過程和調(diào)試過程中芯片不被燒壞，同時確保整個電路的正確性。在焊接完后每塊芯片都用萬用表檢測，看是否有短接等，還有焊接時要盡量使布線規(guī)范清晰明了，這樣才有利于在調(diào)試過程中檢查電路。5.2 電子色子的調(diào)試（1） 顯示電路不穩(wěn)定問題在完成電路的焊接進(jìn)入調(diào)試階段時發(fā)現(xiàn)LED燈不能正常顯示點(diǎn)數(shù)。因此著手對電路進(jìn)行檢查，首先檢查驅(qū)動器看是否是引腳焊接錯誤，后又檢查電路發(fā)現(xiàn)有

13、個芯片管腳接錯問題，就進(jìn)行了改正。（2） 控制開關(guān)無法控制電路在調(diào)試是發(fā)現(xiàn)當(dāng)按下開關(guān)時數(shù)字并不能夠按要求每隔0.042秒變化一次，當(dāng)斷開開關(guān)后不存在延時，LED燈點(diǎn)數(shù)立即定在那里，最終發(fā)現(xiàn)電阻、電容值設(shè)置不合理。通過反復(fù)嘗試，最終確定能夠達(dá)到要求的電阻、電容值，LED燈能夠正常顯示點(diǎn)數(shù)。6 總結(jié)課程設(shè)計是我們理論實踐的基礎(chǔ)。從最初的選題，開題到繪圖直到完成設(shè)計。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)思考，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。通過這次實踐，我了解了NE555觸發(fā)器的工作原理，熟悉了電骰子的設(shè)計步驟，鍛煉了我的動手能力，培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計能力。此次課程設(shè)計是對我專業(yè)知識和

14、專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實際檢驗和鞏固，。本次課程設(shè)計收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析問題，但是課程設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解，等等。這次實踐是對自己大學(xué)三年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，但是自己的求學(xué)之路還很長，努力使自己成為一個對社會有所貢獻(xiàn)的人。經(jīng)過這兩個星期來的課程設(shè)計以及對相關(guān)資料的收集，讓我更深刻的了解到隨著網(wǎng)絡(luò)科技的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，從而使我們的生活與它有著很密切的聯(lián)系了。參考文獻(xiàn)1 江曉安，董秀峰. 數(shù)字電子技術(shù)（第三版）. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20082 陳梓城. 實用電子電路設(shè)計與調(diào)試. 北京：中國電力出版社，20063 張旭東. 數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)實驗與課程