數(shù)電課程設(shè)計---多路彩燈控制器

1、<p>　　數(shù)字電路課程設(shè)計報告書</p><p><b>　　——多路彩燈控制器</b></p><p>　　多路彩燈控制器的設(shè)計</p><p>　　一 、課程設(shè)計題目（與實(shí)習(xí)目的）</p><p>　?。ㄒ唬?、題目：多路彩燈控制器</p><p><b>　　（二）、實(shí)習(xí)

2、目的：</b></p><p>　　1．進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識。</p><p>　　2．熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應(yīng)用，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會使用其進(jìn)行電路設(shè)計。</p><p>　　3．了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本思想和方法，學(xué)會科學(xué)分析和解決問題。 </p><p>　　4．培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求

3、是的工作態(tài)度。</p><p>　　5．?dāng)?shù)點(diǎn)課程實(shí)驗是大學(xué)中為我們提供的唯一一次動手實(shí)踐的機(jī)會，增強(qiáng)動手實(shí)踐的能力。</p><p><b>　　二、 任務(wù)和要求</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)彩燈控制的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機(jī)、單片機(jī)等，都可以組成大型彩燈控制系統(tǒng)。因為本次實(shí)習(xí)要求設(shè)計的彩燈路數(shù)較少，且花型變換較為簡單

4、，故采用移位寄存器型彩燈控制電路。</p><p>　?。?）彩燈控制器設(shè)計要求</p><p>　　設(shè)計一個8路移存型彩燈控制器，基本要求：</p><p>　　1. 8路彩燈能演示三種花型（花型自擬）；</p><p>　　2. 彩燈用發(fā)光二極管LED模擬；</p><p>　　選做：實(shí)現(xiàn)快慢兩種節(jié)拍的變換。<

5、;/p><p>　?。?）課程設(shè)計的總體要求</p><p>　　1．設(shè)計電路實(shí)現(xiàn)題目要求；</p><p>　　2．電路在功能相當(dāng)?shù)那闆r下設(shè)計越簡單越好；</p><p>　　3. 注意布線，要直角連接，選最短路徑，不要相互交叉；</p><p>　　4. 注意用電安全，所加電壓不能太高，以免燒壞芯片和面包板。</

6、p><p><b>　　三 總體方案的選擇</b></p><p>　?。?）總體方案的設(shè)計</p><p>　　針對題目設(shè)計要求，經(jīng)過分析與思考，擬定以下二種方案：</p><p>　　方案一：總體電路共分三大塊。第一塊實(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制；第三塊實(shí)現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生。</p><p>

7、;<b>　　主體框圖如下： </b></p><p>　　方案二：在方案一的基礎(chǔ)上將整體電路分為四塊。第一塊實(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制；第三塊實(shí)現(xiàn)節(jié)拍控制；第四塊實(shí)現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生。并在部分電路的設(shè)計上與方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。</p><p><b>　　主體框圖如下：</b></p><p&g

8、t;　　根據(jù)所提供的實(shí)驗器材各模塊總體思路如下：</p><p>　　時鐘信號CP電路：參見高等教育出版社 王淑銀主編的《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計》課本P404圖10-3-6（a）;</p><p>　　花型控制電路：由1614位二進(jìn)制同步計數(shù)器完成；</p><p>　　花型演示電路：由195 雙向移位寄存器完成（可左移右移完成花型變化）；</p><

9、;p>　　節(jié)拍控制電路：節(jié)拍變化由151八選一數(shù)據(jù)選擇器完成，節(jié)拍的快慢變化可有74雙上升沿D觸發(fā)器完成，它可實(shí)現(xiàn)二分頻。</p><p>　　（2）總體方案的選擇</p><p>　　方案一與方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而設(shè)計的，方案二加入了節(jié)拍的變化，花型控制電路和花型演示電路的CP都是節(jié)拍控制之后的CP。</p><p>　　兩種方案的基本

10、思路相同，將整個設(shè)計電路的功能模塊化，設(shè)計思想比較簡單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。這么設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)是：電路設(shè)計模塊化，易于檢查電路，對后面的電路組裝及電路調(diào)試都很方便。。花型控制電路簡單，花型也比較簡單。</p><p>　　由于在設(shè)計的構(gòu)想時期，已經(jīng)確定將電路模塊化，設(shè)計的過程中又已經(jīng)將節(jié)拍控制電路設(shè)計出來，通過仿真軟件也實(shí)現(xiàn)了設(shè)計要求——分頻。方案二同時完成了選做的要求，只要確保每一模塊實(shí)現(xiàn)其功

11、能方案二并不難也不復(fù)雜，為了確保短時間內(nèi)完成課程設(shè)計和高效率，我選擇了方案二。</p><p><b>　　四 單元電路的設(shè)計</b></p><p>　　1.設(shè)計所使用的元件及工具：</p><p>　　74LS161（四位二進(jìn)制同步計數(shù)器） ---------------------------- 2個；</p><p&

12、gt;　　74LS194（移位寄存器） ----------------------------------- 2個；</p><p>　　74LS151（八選一數(shù)據(jù)選擇器） -------------------------------- 1個；</p><p>　　74LS74（雙D 觸發(fā)器） --------------------------------------- 1個；

13、</p><p>　　74LS00（四二輸入與非門） ---------------------------- ------1個；</p><p>　　74LS04（六非門） ------------------------------------------- 1個；</p><p>　　發(fā)光二極管-----------------------------

14、---------------- ------8個；</p><p>　　555 ----------------------------------------------------- 1個；</p><p>　　電容： 4.7μf ----------------------------------------------1個；</p><p>　

15、　0．01μf -----------------------------------------------1個；</p><p>　　電阻： 150kΩ ------------------------------------------------------------ ---------1個；</p><p>　　100Ω ------------------------

16、----------------------4個；</p><p>　　4.7kΩ ------------------------------------------------1個；</p><p><b>　　實(shí)驗板一塊；</b></p><p><b>　　萬用表一個；</b></p><p&g

17、t;<b>　　鉗子一個；</b></p><p><b>　　導(dǎo)線若干。</b></p><p><b>　　2.各個單元電路</b></p><p><b>　?。?）花型演示電路</b></p><p>　　由二片移位寄存器194實(shí)現(xiàn)。其八個輸出信號

18、端連接八個發(fā)光二極管，用其輸出信號控制發(fā)光二級管的亮滅實(shí)現(xiàn)花型演示。而花型之間的變化通過花型控制電路的輸出即161級聯(lián)的計數(shù)器輸出控制（它們由同一個CP脈沖控制）。</p><p><b>　　三種花型變換樣式</b></p><p>　　花型1：8路燈分兩半。從左至右漸亮，全亮后，再分兩半從左至右漸滅。循環(huán)兩次；</p><p>　　花型2：

19、從中間到兩邊對稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅。循環(huán)兩次；</p><p>　　花型3：從左至右順次漸亮。全亮后逆序漸滅。循環(huán)兩次。</p><p>　　移存器輸出狀態(tài)編碼表</p><p>　　我的設(shè)計是每種花型完整顯示兩遍，所以三種花型完全顯示一遍需要的總結(jié)拍數(shù)為64，即1~16顯示第一個花型，17~32顯示第二個花型，33~64顯示第三個花型。<

20、;/p><p>　　要用194實(shí)現(xiàn)三個花型的連續(xù)顯示必須對兩片194的S1、S0和SL、SR一句節(jié)拍的變化進(jìn)行相應(yīng)的改變,通過161的輸出反饋來控制經(jīng)過觀察每16個CP低位片輸出Q1—Q4變化比較頻繁,根據(jù)變化的花型頻率選用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的變化從而實(shí)現(xiàn)滑行的變化?，F(xiàn)將兩片194分為低位片1和高位片2，再將其輸出端從低位到高位記為L1~L8。列出各花型和其對應(yīng)的194的S1、S0

21、、SL、SR的輸入信號及節(jié)拍控制信號列表如下：(用^Li表示Li的取非)</p><p><b>　　列出卡諾圖分析</b></p><p><b>　　194低位片</b></p><p>　　SL=^L8 S1=QE . ^ QF</p><p>　　SR=^L8

22、SL=^ ( QE . ^Q F)</p><p><b>　　194高位片</b></p><p>　　SL=XSR=^ QF .^L8+ QF .L4</p><p>　　S1=0S0=1</p><p>　　由上圖分析可以得到控制194高、低位片的左移

23、右移變化控制端S1、S0以及串行輸入端的由161的輸出端QE 、QF和本身輸出端L4和^L8控制。用去QA—QH表示161從低位到高位的個輸出端。</p><p>　　控制結(jié)果表達(dá)式如下：</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　?。?）花型控制信號電路</p><p>　　由二片161級聯(lián)的

24、模128（三種花型節(jié)拍每種顯示兩遍，再總體重復(fù)一遍的總節(jié)拍數(shù)）計數(shù)器。</p><p>　　161的級聯(lián)用的是同步，并用^QH清零。</p><p>　　當(dāng)三種花型全新顯示一遍后（總共64拍）161的輸出變?yōu)?0000100所以將161高位片的Q2（即QG）信號輸給節(jié)拍控制電路的151的A來通過節(jié)拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來自節(jié)拍控制電路中74的輸出端Y。<

25、/p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p><b>　　（3）節(jié)拍控制電路</b></p><p>　　由一片151和一片74級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。整體上實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的變換，即交替產(chǎn)生快慢節(jié)拍。</p><p>　　令74的Vcc，CLR，PR都接高電平，將^Q的輸出接到D端，Q端的輸出接到15

26、1的D1端。令151的B,C,G’,GND接低電平，Vcc接高電平，D0接時鐘信號的CP脈沖，A端接由花型控制電路的QG輸出。</p><p>　　所以Y端的輸出就為：Y=CP·^A+Q·A</p><p>　　(Q是74D觸發(fā)器的輸出端)由D觸發(fā)器具有記憶功能，記錄上一個狀態(tài)，所以在每一個CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個脈沖）。也就比時鐘信號電路的CP脈

27、沖慢了一拍。</p><p>　　所以通過A為0或1選擇Y端輸出的脈沖的頻率。A端接的是161的高位片的QG即當(dāng)?shù)竭_(dá)第64拍時QG為1接下來的65~128拍為變慢后的脈沖輸出。</p><p><b>　　電路圖如下:</b></p><p>　?。?）時鐘信號電路9(由于仿真是無法弄出555片子，故是原理圖)</p><p

28、>　　由一片555加上適當(dāng)電容及電阻實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　電容取：4.7μf 0.01μf</p><p>　　電阻?。?50 kΩ 4.7 kΩ</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　　五 總體電路圖（見附頁）</p><p>　　注:由于

29、仿真畫圖時芯片復(fù)雜，CP產(chǎn)生電路產(chǎn)生用電源代替（已試驗，可以等效）。</p><p>　　六 電路組裝完成后，實(shí)際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形</p><p>　　1．基本CP脈沖產(chǎn)生電路波形圖與分頻電路波形圖</p><p>　　2. 測試波形: (列依次為CP脈沖,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即QA---QH)</p&g

30、t;<p><b>　　花型一：</b></p><p><b>　　花型二：</b></p><p><b>　　花型三：</b></p><p>　　七 電路組裝、調(diào)試過程中發(fā)生的問題及解決的方法。</p><p>　　本次數(shù)字電路課程設(shè)計總共用了5天完成的，

31、這幾天每一在學(xué)習(xí)思考和時間中天都有所收獲，都有所進(jìn)步。</p><p>　　第一天剛剛分到題目的時候有些興奮和激動，數(shù)電的基礎(chǔ)不差，加上數(shù)電試驗都是踏踏實(shí)實(shí)認(rèn)真完成的。對于161、194和其他器件的功能和應(yīng)用都很熟悉。但是在具體設(shè)計電路時出現(xiàn)了疑惑。用194去實(shí)現(xiàn)一個花型很簡單，如果是三個分開也難，但是本次設(shè)計要同時實(shí)現(xiàn)三個花形，是通過151來選擇嗎？是手動嗎？手動有些不切實(shí)際。經(jīng)過思考沒有得到解決，只覺得161

32、的計數(shù)器如果不去反饋控制194的變化，那么它的存在價值不大，接下來我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始設(shè)計，我用了<<數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計——數(shù)字電路課程設(shè)計指南>> （北京郵電學(xué)院出版社 高書莉編）所提供的前兩種，第三種是我自己設(shè)計的。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，但是書中介紹比較組略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接輸入的。還是在思考一下，如果給161和194的CP是同步的那么就每

33、來一個上升沿161計數(shù)一次同時194的變化一次，每個花型需要的CP脈沖數(shù)是固定的，也就是說只要通過計數(shù)器的反饋就可以控制滑行之間的轉(zhuǎn)換。但是161的輸出端有8各，具體怎么控制呢？想不通的，就回歸到數(shù)電中設(shè)計的基本思路，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，來找規(guī)律。</p><p>　　第二天，老師發(fā)了所有的實(shí)驗器材，由于已經(jīng)設(shè)計好，便開始進(jìn)行最近單元——CP脈沖產(chǎn)生電路。因為書上有完好的電路圖直接照著連就OK?？墒菃栴}并不是想的那么

34、簡單，因為我一開始操作就不知道怎樣布線才合理，常出現(xiàn)看著電路圖不知道這條線該走哪兒連過去，看過老師的示范電路板的布線后，特別的佩服，所以當(dāng)然要學(xué)習(xí)了，于是自己也那樣連線，盡量走直線。連完時鐘電路后，滿以為會很成功，因為我的電路連得很簡潔。結(jié)果是加電后LED二極管居然常不亮，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，萬用表電池還么有配備，因此無法檢測哪里出錯了，于是我把電路重新連了一遍。布線特別的好，后來老師看到還說我做得好，可是連接電源，還是

35、不行。這回徹底頭大了，于是去咨詢其他同學(xué)，她也有類似問題，換一個555就行了，于是我也換了55芯片，就好了。</p><p>　　可是第三天再加上電源又不對了，LED二極管居然常是常亮，檢查電路沒什么問題，而且好多同學(xué)都有和我一樣的問題，有同學(xué)說那可能是線的而問題，也可能是板子的問題，也可能是電容的正負(fù)極插反了…不管是什么問題，一個個排除吧。最終其實(shí)也沒很確切的知道問題的所在，因為不同的方法都在試具體是哪個也不確

36、定了。我覺得最可能是電容的正負(fù)極和LED的插穩(wěn)與否的問題。于是我檢測了電路測試了電位，都正確。老師過來看時讓我加電他看看，結(jié)果居然是我給的電壓太高了，我在加電是不小心把電壓調(diào)的太高了，自己還沒意識到那個問題，幸好沒把芯片燒壞。</p><p>　　在接下來的幾天中似乎對電路著迷了，放學(xué)了也繼續(xù)做，一個模塊一個模塊兒的實(shí)現(xiàn)，在電路組裝過程中，看到遇到的最大問題是，芯片分布不夠合理，無法很好的布線。于是在分析了我的設(shè)

37、計后計算了要用芯片的個數(shù)和個芯片之間的關(guān)系，按照各個控制電路的走向較合理的插好了芯片。其次就是布線，因為要求不準(zhǔn)交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫，做到了我所見過的電路里最清晰和整齊的，對于檢查和排錯非常的方便。唯一不足就是用線的顏色有點(diǎn)混亂，因為前后發(fā)的線的顏色不同，非我力所能及。</p><p>　　調(diào)試過程中，第一輪用萬用表歐姆檔測試，就遇了實(shí)驗板上有插孔不通的情況，導(dǎo)致芯片不

38、能正常工作。相對于別的辦法，我選擇了導(dǎo)線顯示連通，因為其更明晰，更易實(shí)現(xiàn)。對于高阻導(dǎo)線則只能換掉。第二輪接電后，用萬用表的電壓檔測試單元電路的狀態(tài)。如：時鐘信號電路的信號是否正常產(chǎn)生，控制信號電路中的計數(shù)器能否正常計數(shù)，D觸發(fā)器能否每2拍翻轉(zhuǎn)一次，最后在整體上測試一遍。</p><p>　　在整個調(diào)試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時有時正常有時混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細(xì)檢查各端子的連接情況，發(fā)現(xiàn)清“0

39、”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發(fā)現(xiàn)問題解決了。</p><p>　　之所以我比別人先設(shè)計好，甚至我們班做相同設(shè)計的好多同學(xué)都是我講解后設(shè)計的，我卻比別人后完成，是因為我的面包板不好，不只一個芯片無法放置好，找很多個位置都不行，最后不得不等最先完成的同學(xué)拆了再重新連線和再次測驗。而發(fā)現(xiàn)這些問題就有些晚。所以盡管最后一遍效率高，也是周五下午才完成，第二周一造成才去檢查。</p><p

40、><b>　　八 分析和總結(jié)。</b></p><p>　　本次課程設(shè)計我只用了一個星期的時間就全部做完，效率很高，因為在設(shè)計之前根據(jù)設(shè)計的要求，每個模塊都仔細(xì)的設(shè)計分析了，正是整個過程我都認(rèn)真的態(tài)度和方案選擇合適，才有這么高的效率。而且從本次課程設(shè)計中收獲很多?？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點(diǎn)：</p><p>　?。ㄒ唬㈧柟虜?shù)電知識</p><p&

41、gt;　　這次課程設(shè)計主要是運(yùn)用數(shù)字電路邏輯設(shè)計的一些相關(guān)知識，在整個實(shí)習(xí)過程中，都離不開對數(shù)字電路課程知識的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實(shí)習(xí)用到的知識通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍（這也是對這門課的復(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設(shè)計起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數(shù)字電路實(shí)驗指導(dǎo)書， 關(guān)于芯片的管腳，里面有清晰的描述。</p><p>　?。ǘ?、學(xué)會用電路板、

42、芯片、導(dǎo)線等組裝各種功能的電路；</p><p>　　雖然這不是第一次用電路板，因為之前的課內(nèi)實(shí)驗也用過，但當(dāng)時的運(yùn)用也只是插些導(dǎo)線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。這次的實(shí)習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實(shí)習(xí)后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運(yùn)用。實(shí)習(xí)中通過對電路的連接也懂得了如何通過設(shè)計的分析對所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵，我們應(yīng)該盡量保證所連電路的

43、簡捷，寧短勿長，合理布線。一個完美的作品不僅要能很好的完成要求實(shí)現(xiàn)功能，還要在感官上給人美的享受。所以站在美的角度對自己的電路進(jìn)行改良是很必要的。</p><p>　　（三）、理論聯(lián)系實(shí)際</p><p>　　據(jù)老師介紹，這是大學(xué)里唯一一次比較大型的動手實(shí)踐機(jī)會。我當(dāng)然不會錯過。課程設(shè)計，通過選擇的題目，根據(jù)要求，運(yùn)用所學(xué)知識將其付諸實(shí)踐來完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程

44、中的深入理解，這需要的是一種理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。理論知識往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設(shè)論，而實(shí)際的動手操作則完全不同，需要考慮實(shí)際中的很多問題。有些知識在理論上可能完全沒錯但到了實(shí)際中則不然。比如在動筆做題時我們是不用考慮導(dǎo)線、電阻是否連接的牢固合理，但在實(shí)際中，導(dǎo)線電阻有時是會帶來時延造成花型變化的錯亂，所以我們應(yīng)盡量在連接電路時選擇最短路徑。平時試驗中，我就很認(rèn)真，所以會比平時不動手的要輕松地多。</p><p&

45、gt;　　（四）、和同學(xué)共同合作、互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步</p><p>　　最初大家沒思路的時候，特別的著急，我想出來了，大家問我，我就說了我的思路，我們不是抄襲，只是探討，們個人都理解了才開始設(shè)計，我做的循環(huán)兩遍，他們的都不是。我們的設(shè)計不同，我只是給大家啟發(fā)了一個思考點(diǎn)。理論上我先設(shè)計出來，但在實(shí)習(xí)中經(jīng)常會遇到一些自己可能暫時無法想明白的問題，請教同學(xué)或老師是很好的做法，節(jié)省時間，也會從別人身上學(xué)到更多。在設(shè)計

46、時和同學(xué)相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的idea，其他人的設(shè)計也可能有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優(yōu)方案最終一定會得到最好的設(shè)計方法。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本次試驗中包括CP的產(chǎn)生電路用的555芯片，基本電路我用了7個芯片（一片555、兩片161、兩

47、片194、一片00、一片04），分頻電路用74和151實(shí)現(xiàn)，一共用了9個芯片。是目前我想出的用最少的器件，最簡單的布線來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。</p><p>　　從電路圖的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)、仿真、實(shí)驗報告，都是自己思考和動手。掌握了ModelSim軟件的操作，用所學(xué)習(xí)過的芯片設(shè)計電路，并用面包板來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的過程中排錯、檢查的能力也得到鍛煉。</p><p>　　總而言之，好好利用了學(xué)校給我們提供

48、的此次實(shí)習(xí)的機(jī)會，努力按要求完成了任務(wù)，提高了自己的綜合思考能力和動手實(shí)踐能。</p><p><b>　　九 參考文獻(xiàn)。</b></p><p>　　<<數(shù)字電路邏輯設(shè)計>> ----------------------------------高等教育出版社 王毓銀編</p><p>　　<<數(shù)字系統(tǒng)設(shè)