循環(huán)彩燈課程設(shè)計(jì)

1、成績(jī)課程設(shè)計(jì)說明書 題 目： 循環(huán)彩燈電路設(shè)計(jì) 課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù) 學(xué) 院：電子信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 李 倩 學(xué) 號(hào)： 201102020025 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程2011級(jí)1班 指導(dǎo)教師： 翟亞芳 2013 年6 月7 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)題目 循環(huán)彩燈學(xué)生姓名李倩所在學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級(jí)、班電子信息工程2011級(jí)1班設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)循環(huán)彩燈電路；2、設(shè)置彩燈數(shù)量為8個(gè)，8個(gè)彩燈從左到右依次點(diǎn)亮，然后依次熄滅，點(diǎn)亮和熄滅的時(shí)間間隔為1秒。學(xué)生應(yīng)完成的工作：設(shè)計(jì)循環(huán)彩燈的工作原理，并利用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。利用DXP軟件

2、繪制電路原理圖，并設(shè)計(jì)制作電路的PCB板。根據(jù)設(shè)計(jì)原理對(duì)電路進(jìn)行安裝調(diào)試，完成課程設(shè)計(jì)工作，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)：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(jì)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(jì)M.北京：高等教育出版社，2005.工作計(jì)劃： 5月27號(hào)30完成原理圖設(shè)計(jì)；5月31號(hào)進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)；6月3號(hào)到4號(hào)制作PCB板；6月5到7號(hào)電路板安裝與調(diào)

3、試，提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。任務(wù)下達(dá)時(shí)期： 2013 年5月27日 任務(wù)完成時(shí)期： 2013 年6月 7 日指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）： 循環(huán)彩燈摘 要：設(shè)計(jì)制作了一個(gè)循環(huán)彩燈控制電路，該電路可以控制8個(gè)彩燈從左到右依次點(diǎn)亮，然后依次熄滅，點(diǎn)亮和熄滅的時(shí)間間隔為1秒。電路主要由555定時(shí)器、同步十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS161和8位串行輸入、并行輸出移位寄存器74LS164以及2輸入端4與非門74LS00組成。555定時(shí)器可以產(chǎn)生振蕩周期為1秒的時(shí)鐘信號(hào)；74LS161對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；74LS00對(duì)74LS161產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行取反，74LS164對(duì)74LS00輸出的信號(hào)移位寄存輸出并驅(qū)

4、動(dòng)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管工作，使其可以達(dá)到可以依次點(diǎn)亮依次熄滅的目的。 關(guān)鍵詞：555定時(shí)器；加法計(jì)數(shù)器；反相器；移位寄存器；目 錄1. 設(shè)計(jì)背景11.1 了解數(shù)字電路系統(tǒng)和數(shù)字電路的定義和組成11.2 掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成12. 設(shè)計(jì)方案12.1 任務(wù)分析12.2 方案論證23. 方案實(shí)施23.1 原理圖設(shè)計(jì)23.2 電路仿真43.3 PCB制作53.4 安裝與調(diào)試64. 結(jié)果與結(jié)論 65. 收獲與致謝66. 參考文獻(xiàn)77. 附件77.1 電路原理圖87.2 仿真圖87.3 PCB布線圖97.4 實(shí)物圖107.5 元器件清單111. 設(shè)計(jì)背景1.1 了解數(shù)字電路系統(tǒng)和數(shù)字電路的定義和組成數(shù)

5、字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計(jì)中，通過輸入電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)則需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)輸入電路時(shí)，必須首先了解輸入信號(hào)的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計(jì)合適的輸入接口電路。數(shù)字電路是用數(shù)字信號(hào)完成對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路，又叫數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運(yùn)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(chǔ)器是用來

6、存儲(chǔ)二值數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類。1.2 掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成時(shí)鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個(gè)系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時(shí)鐘電路包括主時(shí)鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計(jì)中的基準(zhǔn)時(shí)間形成電路等都屬于時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時(shí)鐘的頻率，并注意與其他控制信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘脈沖。2. 設(shè)計(jì)方案2.1 任務(wù)分析根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，設(shè)置彩燈數(shù)量為8個(gè)，8個(gè)彩燈從左到右依次點(diǎn)亮，然后依次熄滅，點(diǎn)亮和熄滅的時(shí)間間隔為

7、1秒。要想達(dá)到這樣的目的，我們應(yīng)該用什么樣的元器件呢？首先8個(gè)彩燈要依次亮，時(shí)長(zhǎng)為一秒，因此我們必須要找一個(gè)能提供周期為一秒的脈沖信號(hào)，多諧振蕩器可以滿足，多諧振蕩器可以產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖后，要想辦法將脈沖計(jì)數(shù)，這樣才能控制八個(gè)LED燈，因此這時(shí)可以接一個(gè)74LS161加法計(jì)數(shù)器，除了要控制八個(gè)燈，還要使八個(gè)燈依次點(diǎn)亮，依次熄滅，因此還需要一個(gè)移位寄存器，74LS164可以滿足我們的條件，因?yàn)?4LS161的Q4端口依次輸出的是00000000，而別的端口的信號(hào)不能滿足這樣，而且我們后面的電路二極管是共陽極的，為了使其先出現(xiàn)11111111，所以用一個(gè)反相器74LS00將其反一下

8、。然后用移位寄存器將產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行移位，使LED燈產(chǎn)生依次點(diǎn)亮依次熄滅的結(jié)果。2.2 方案論證電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。顯示輸出端移 位 寄 存 器 反 相 器加 法 計(jì) 數(shù) 器時(shí) 鐘 發(fā) 生 器 圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖 3. 方案實(shí)施3.1 原理圖設(shè)計(jì)1、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 555集成定時(shí)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)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，用于觸發(fā)計(jì)數(shù)器。其振蕩周期由R1，R2和C1、C2決定，方便計(jì)算,調(diào)節(jié)555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示。根據(jù)振蕩周期計(jì)算公式可得，該電路的振蕩周期為1s，因此可以計(jì)算出555定時(shí)器中需要47K、51K電阻和10nF、10uF

9、的電容。圖2 多諧振蕩器2、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由74LS161加法計(jì)數(shù)器、74LS00與非門和74LS164移位寄存器組成,用以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管正常工作，并且在時(shí)鐘電路的控制下讓八個(gè)發(fā)光二極管根據(jù)要求工作。設(shè)計(jì)原理：74LS161可以將多諧振蕩電路產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，是為了能夠控制八個(gè)LED燈，然后用74LS00將74LS161產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行反相，是為了使傳入74LS164的脈沖為11111111，然后將74LS00傳入的脈沖進(jìn)行移位，這樣就可以使得LED燈依次點(diǎn)亮依次熄滅。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示。圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖3、輸出電路設(shè)計(jì) 輸出電路有8個(gè)發(fā)光二極管和2個(gè)100的電阻和一個(gè)低電平組成。只有當(dāng)從驅(qū)動(dòng)

10、電路過來的是高電平，才可以讓發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。輸出電路如圖4所示。圖4 輸出電路3.2 電路仿真在各單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照總體電路圖在仿真軟件Multisim上一一選擇芯片并進(jìn)行連接，然后啟動(dòng)開關(guān)觀察。將電路在Multisim上連接好后，為各個(gè)電阻和電容選取適當(dāng)值，為各個(gè)開關(guān)設(shè)置好適當(dāng)?shù)逆I盤打開數(shù)值連接，然后打開Multisim的開關(guān)，根據(jù)彩燈的閃爍情況判斷電路是否正常。用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的振蕩頻率理論值為1Hz，可能因?yàn)殡妷旱牟环€(wěn)定，在開始時(shí)彩燈亮的時(shí)間并不為1s，而且亮燈不穩(wěn)定，在經(jīng)過我們的仔細(xì)檢查修改之后，彩燈按照時(shí)長(zhǎng)為1秒進(jìn)行依次發(fā)亮。根據(jù)仿真結(jié)果可知電路原理無誤，可

11、以進(jìn)行PCB板布線。仿真圖如圖5所示，多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)如圖6所示。 圖5 仿真圖 圖6 多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)3.3 PCB制作 在布線前要在DXP中完成對(duì)電路圖各元件的封裝。在封裝時(shí)，要注意，因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)元件可能有多種封裝方式。封裝時(shí)根據(jù)所給元件的類型選擇合適的封裝，然后對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行封裝。封裝完成后，把原理圖導(dǎo)入PCB板。導(dǎo)入PCB板后，再對(duì)元件的位置重新手動(dòng)擺放，使盡量少的線重疊，以減少布線時(shí)的跳線出現(xiàn)。最開始的時(shí)候我們?cè)O(shè)計(jì)的原理圖不對(duì)，但是通過老師和搭檔的仔細(xì)觀察，我們及時(shí)的發(fā)現(xiàn)了問題，然后及時(shí)糾正我們的原理圖，最后我們的跳線也減少到了一根，為我們的后期的焊板減少了麻煩。3

12、.4 安裝與調(diào)試在安裝上，我們要注意發(fā)光二極管有沒有插反，請(qǐng)教了老師怎樣辨認(rèn)正負(fù)極。然后安裝好所有的芯片和電路原件后，按照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊的問題，接下來用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路的。在安裝的過程中我們發(fā)現(xiàn)我們的LED燈和電容C1的極性接反了，還好有搭檔的及時(shí)發(fā)現(xiàn)我們立即得糾正了我們的錯(cuò)誤，后來又發(fā)現(xiàn)了555定時(shí)器的封裝出現(xiàn)了問題，又重新將555定時(shí)器進(jìn)行封裝，這些遇到的問題都不是大的問題，在后來的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)我們的燈不亮，經(jīng)過后期我們的仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)我們的原理圖畫錯(cuò)了，74LS161的CLK端接錯(cuò)了線，我們抓緊時(shí)間調(diào)整我們的原理圖和PCB圖以及我們PCB板的實(shí)物

13、圖連線，當(dāng)后來看到燈終于亮的時(shí)候我們就知道自己的付出沒有白費(fèi)，汗水沒有白流。4. 結(jié)果與結(jié)論 我們這次的調(diào)試歷盡千山萬險(xiǎn)，我們的PCB板終于調(diào)試成功了，很是欣慰啊，終于付出沒有白費(fèi)，汗水沒有白流，也不枉我們指導(dǎo)老師翟亞芳一直的悉心指導(dǎo)，而且我學(xué)會(huì)了很多東西，大家一塊團(tuán)隊(duì)思考問題的感覺真好，這次的課程設(shè)計(jì)確實(shí)讓我學(xué)會(huì)了很多，也發(fā)現(xiàn)了我們?cè)谠O(shè)計(jì)原理圖時(shí)候的粗心，以后的我們會(huì)做事情更加的認(rèn)真、仔細(xì)的。5. 收獲與致謝經(jīng)過兩個(gè)星期的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，首先非常感謝翟亞芳老師的悉心教導(dǎo)，使我在這次的課程設(shè)計(jì)中學(xué)會(huì)很多，學(xué)會(huì)了數(shù)電學(xué)習(xí)中常用的元器件的用法，學(xué)會(huì)了專業(yè)課中常用的Altium Designer以

14、及Multisim軟件的應(yīng)用，更重要的是學(xué)習(xí)了同學(xué)間的相互合作精神。通過本次課程設(shè)計(jì)，我收獲了很多。首先通過實(shí)踐加深了對(duì)數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)的理解，能夠初步掌握電子信息專業(yè)常用軟件的基本工具的應(yīng)用，并且親身感覺到與數(shù)字生活是如此的近距離，有說不出的喜悅與甜蜜。但是由于軟件基本功不行，設(shè)計(jì)過程中遇到了小難題，尤其在PCB布線的時(shí)候，耽誤了大量時(shí)間，在經(jīng)過不懈努力后才完成了我們的PCB板。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中，不可對(duì)其中任意一個(gè)環(huán)節(jié)不耐心，要認(rèn)真檢查到每一根導(dǎo)線。由于剛剛開始的時(shí)候我們的布線不是很合適出現(xiàn)了多根跳線，經(jīng)過老師的悉心指導(dǎo)，我們的成功得把跳線減少到1根，這實(shí)在是令我們喜悅，這也讓我們

15、嘗到了成功的果實(shí)。這次課程設(shè)計(jì)我深刻意識(shí)到認(rèn)真的重要性，也許是第一次做數(shù)電課程設(shè)計(jì)，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)認(rèn)識(shí)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(shí)習(xí)我受益匪淺.在摸索該如何設(shè)計(jì)程序使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中,特別有趣,還培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維, 增加了實(shí)際操作能力。如果不能夠認(rèn)真謹(jǐn)慎的工作，我們的設(shè)計(jì)不會(huì)達(dá)到預(yù)期的效果。還有不論遇到什么困難，不要對(duì)自己失去信心。在以后我要更加努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，彌補(bǔ)自身的不足，提高自己的綜合素質(zhì)。這次設(shè)計(jì)過程中我要感謝翟亞芳老師的悉心教導(dǎo)，同時(shí)還要感謝我的搭檔在我沒有思路為難之際給與我的幫助，教會(huì)我運(yùn)用DXP軟件，讓我知道了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，我再次表示深深的感謝。6. 參考文獻(xiàn)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(jì)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(jì)M.北京：高等教育出版社，2005.7. 附件7.