八路循环彩灯设计报告

课程设计说明书（论文）
题 目： 循环彩灯电路设计
课程名称： 数字电子技术
学 院： 电子信息与电气工程学院
学生姓名： 李振振
学 号： 201202010115
专业班级： 自动化2012级2班
指导教师： 翟亚芳
2014 年 6 月 6日
课程设计任务书
循环彩灯电路设计
摘要：设计了一个循环彩灯电路，该电路可以实现8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，且点亮和熄灭的时间间隔均为1秒的功能。

该电路主要由555定时器、74LS164移位寄存器、74LS00与非门、LED等组成，555定时器提供周期为1s的脉冲信号，74LS164和74LS00共同提供顺序脉冲，从而达到设计要求。

经Multisim仿真测试，该电路可以实现功能要求。

利用Altium Designer软件对电路进行了原理图设计和PCB设计，并对电路进行了安装和调试，调试结果正常。

关键词：循环彩灯；555定时器；74LS164移位寄存器；74LS00与非门；电路仿真；PCB设计
目录
1.设计背景 (1)
1.1数字电路的介绍 (1)
1.2时钟电路的作用及基本结构 (1)
1.3Multism和Aultism软件的功能及使用 (1)
2.设计方案 (2)
2.1 课题任务 (2)
2.2 任务分析 (2)
3.实施方案 (2)
3.1原理图设计 (2)
3.2电路仿真 (5)
3.3 PCB制作 (7)
3.4安装与调试 (7)
4.结果与结论 (8)
5.收获与致谢 (8)
6.参考文献 (9)
7.附件 (9)
7.1电路原理图 (9)
7.2仿真图 (11)
7.3PCB布线图 (11)
7.4实物图 (12)
7.5元器件清单 (13)
1．设计背景
1.1数字电路的介绍
数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。

数字电路系统的主要内容：数值、逻辑门电路、数模/模数转换电路、半导体存储器等。

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。

输入电路主要作用是将被控制信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。

比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。

模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号在进行处理。

1.2时钟电路的作用及基本构成
多谐振荡器是产生举行脉冲的典型电路，常用来做脉冲信号源。

多谐振荡器没有输入端，接通电源变自激振荡。

多谐振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的脉冲信号。

用555定时器构成的多谐振荡器，先用定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出经RC积分电路接到施密触发器的输入端。

可以通过调节其RC的值来产生所需要周期大小的脉冲信号。

1.3 Multism和Aultism软件的功能及使用
Multism以W indows为仿真基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，所以可以使用M ultism交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

通过Multism和虚拟仪器技术，工作者可以完成理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计。

Aultism Designer软件是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。

通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，DXP提供了全面的设计解决方案。

因此我们可以使用DXP和Aultism软件进行设计和仿真。

2.设计方案
2.1 课题任务
设计一个循环彩灯，彩灯数量为8个，8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭的时间间隔为1秒。

该循环彩灯的时钟脉冲是由555定时器控制的，要求555定时器周期为一秒的脉冲信号，驱动部分由74LS164和74LS00组成，提供顺寻脉冲，以实现彩灯依次点亮和熄灭。

2.2 任务分析
根据设计任务可知，LED灯有两种工作状态，依次点亮和依次熄灭。

通过555
定时器构成多谐振荡器通过电阻和电容来控制计时，产生周期为一秒的脉冲信号，
从而实现八个彩灯灯亮和灯熄的时间均为一秒；再选用74LS164移位寄存器，该
寄存器通过输入端输入高低电平，将脉冲信号依次左右或上下传递，将处于
74LS164移位寄存器最高位的循环彩灯作为74LS00反相器的输入端，反相器的
输出端作为移位寄存器的输入端，以此达到脉冲信号的改变，从而实现LED灯一
次闪亮和依次熄灭。

3. 实施方案
3.1 原理图设计
1. 时钟电路设计
555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。

用它可以
构单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。

本次设计选用的是它
构成的多谐振荡器，产生单位脉冲，用于出发计数器。

555定时器的逻辑符号如
图1所示。

图1 555定时器的逻辑符号图
555定时器的功能表如表1所示。

555定时器可以很方便地构成多谐振荡器，多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。

由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。

本实验正是利用其产生震荡脉冲，作为信号发生器使用。

电源电压取5V
，我们用占空比为2/3的脉冲信号，理论上R 1、R 2应均为48k ，电容C 为10uF,但实际应用中R 1、R 2阻值选的分别为47k 、48k 。

所以根据振荡周期计算公式T=(R 1+R 2)Cln2可得，该电路的振荡周期为1.028s ，误差为2.8%。

由555定时器构成的时钟信号产生电路如图2所示。

图2 由555定时器构成的时钟信号产生电路图
2．驱动电路设计
该模块由74LS164移位寄存器和74LS00与非门组成，用以驱动发光二极管正常工作，并且在时钟电路的控制下让八个二极管循环工作。

设计原理把555定时器的输出端OUT接74LS164的CLK端，在上升沿的作用下，输入数据被送入移位寄存器。

将移位寄存器的最高位输出端接反相器，与非门的输出端接移位寄存器的输入端A、B。

当移位寄存器的输入端输入为高电平时，输出端依次移位，使彩灯点亮，移动到最高位时，输入端经过反相器后转化为低电平，从而彩灯依次熄灭，于此反复，形成了循环。

驱动原理图如图3所示。

图3 驱动原理图
3. 输出电路设计
输出电路有八个发光二极管、八个100欧姆的电阻和一个低电平组成。

只有当从驱动电路过来的是高电平，才可以让发光二级管导通发光。

输出电路如图4所示。

图4 输出电路图
3.2电路仿真
在元件库中找出所需的元件，并在各单元电路设计的基础上，按照设计电路图，用Multisim 软件把各单元电路连接起来，画出符合要求的系统整体逻辑电路图。

系统整体电路设计完成后，要进行认真的检查之后再对系统整体进行仿真，来验证设计的正确性。

根据彩灯的闪烁情况判断电路是否正常，并利用示波器分别接入各单元电路输入输出端，调整示波器合适的测量和观察范围，对各单元电路输入输出端进行输入输出的信号波形的观察，看它的实际输入输出与理论上是否有差别，若有差别，要找出原因，并分析它是否影响电路正常工作。

若影响，要进行修改，直到仿真成功为止。

通过仿真，确定我们的电路原理图无误，可以制板。

在仿真过程中，我们仿真的周期为1.004s ，而实际上周期应该为1s ，这是由于仿真软件的仿真环境没有设置好，经过老师的设置，最终仿真周期变成1s ，仿真误差为：%8.2100%11
-1.028≡⨯=∆T
用555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz ，可能因为电压的不稳定，在开始时彩灯亮的时间并不为1s ，在循环过一次后，彩灯按照时长为1秒进行依次发亮，电路仿真的结果为八个彩灯依次发亮，然后一次熄灭，并且亮灯时间为1秒，依次循环。

根据仿真结果可知电路原理无误，可以进行PCB 板布线。

仿真图如图5、图6所示。

原理仿真图如图5所示。

图5 原理仿真图
仿真电路的脉冲工作状态如图6所示。

图6 定时器输入输出波形图
红线表示输出OUT波形，蓝线表示输入TRI波形。

3.3 PCB制作
经过仿真以后，在Altium Designer Summer 09软件中新建四个文件：工作空间文件、工程文件、原理图文件、PCB板文件，然后把设计好的原理图按原部件连接起来。

对其进行元件的封装的选择，选择合理的封装之后，进行编译执行，再进行PCB布局，最后进行PCB布线，布线时要遵守布线规则。

要不断地进行修改，合理地布局，使其达到整体合理、紧凑、美观。

要尽量避免焊盘、跳线的出现，还要注意导线之间的间距，以及焊盘的内径大小和一些特别的要求。

PCB板制作要求：要采用公制单位（mm）；接地线和电源线用0.8mm或者0.6mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或者0.3mm；焊盘的内径用0.9mm 或者0.85mm，外径根据需要修改，一般情况下是X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或者X方向2.0mm，Y方向1.6mm；过空的大小与焊盘的大小一样；PCB板的大小应设计的紧凑美观，一般采用5×6（单位厘米）。

3.4 安装与调试
在电路的安装过程中，我们要注意元器件特别是发光二极管有没有插反，所以在安装前，请教了老师怎样辨认正负极，找到所需要的元件，按照打印好的电路图，然后安装好所有的芯片和电路原件后，在PCB板上利用电烙铁进行各元件的焊接。

按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路。

在线路没有问题的情况下连接电源调试，之后用电源逐个模块进行检查。

观看制作出来的电路板是否符合设计的要求。

若不能实现预期结果要分析出错的原因。

安装的过程中需要注意的事项：第一，元器件的正反向和电阻、电容的大小对应的位置；第二，芯片555定时器、74LS164、74LS00的管脚应全部插入槽内才能用力按，轻轻的用力，不能把芯片的管脚弄断；第三，发光二级管的正负极、电容的正负极。

焊接的过程中需要注意的事项：第一，将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡；第二，首先注意电路板上的铜片，不能划掉了，烙铁不能再铜片上停留时间过长，以至于铜片翘起；第三，用锡尽量少，但是要保证把元器件的管脚焊结实，并且不能虚焊；第四，不要把电烙铁猛力敲打，以免震断电烙铁内部电热丝或引线而产生
故障；第五，电烙铁使用一段时间后，可能在烙铁头部留有锡垢，在烙铁加热的条件下，可以用湿布轻檫。

如有出现凹坑或氧化块，应用细纹锉刀修复或者直接更换烙铁头。

调试的过程中需要注意的事项：第一，先用万用表测试电路板的所有铜铺导线是否有短路、断路和虚焊等；第二，注意电源的正负极；第三，注意电源的电压不能太大，不能烧坏整个电路板、芯片和发光二级管。

刚开始调试时，彩灯一个都不亮，对此，我和协会的大神李英奇了一个多小时进行了精心调试和排除障碍，发现原因两个。

一，在转印PCB时，转印机没有调好，导致铜板上的碳墨有狭缝（不仔细看看不出来），从而导致电路部分短路或虚焊；二，在安装器件时，没有注意LED彩灯正负极，给安反了。

综合以上两个故障导致彩灯不亮，最终故障排除，后经调试，设计的循环彩灯正常工作，从而实物达到了预期效果，即8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，且点亮和熄灭的时间间隔为1秒。

所以这次设计是成功的。

4. 结果与结论
实验达到了预期目的，8个彩灯依次点亮，然后依次熄灭，且彩灯亮灯和熄灭时间均为1秒，依次循环，然后开始下一个循环，循环彩灯正常工作。

此次课程设计圆满完成，但也存在不足，比如安装与调试中LED灯正负极放反，改正后实物才达到设计要求。

通过此次课程设计，我们进一步加深了对数字电子技术知识的认知与理解，掌握了循环彩灯电路的设计、组装与调试方法。

学会了熟练运用仿真软件Multisim，PCB板设计软件Altium Designer。

培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。

5. 收获与致谢
这次时间为两个星期的课程设计试验大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神。

通过本次课程设计，我收获了很多。

首先通过实践加深了对数字电子技术理论知识的理解，能够初步掌握自动化专业常用软件的基本工具的应用，并且亲身感觉到与数字生活是如此的近距离，有说不出的喜悦与甜蜜。

此次设计中，我们组选的是第三种设计方案，在原理图设计中遇到困难了，多次设计也没
有达到要求，后经过张老师和翟老师的帮助，问题才得以解决。

我留在电子协会两年了，对于仿真软件、PCB设计等相对来说比较熟悉些，因此在这些过程中没有月到什么困难。

实物图刚出炉时并没有达到预期效果，LED灯不亮，经检测发现在安装原件时LED灯的正负极放反了。

所以我们在设计的过程中，不可对其中任意一个环节不耐心，要认真检查到每一个元器件、每一根导线、每一个焊点。

这次课程设计我深刻意识到认真的重要性，也许是第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识认识得不够深刻，掌握得不够牢固，理解的不够透彻。

总体来说，这次实习我受益匪浅。

在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

如果不能够认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。

它要求我必须一丝不苟，这在很大程度上考验了我的耐心，还有不论遇到什么困难，不要对自己失去信心。

在以后我要更加努力学习，培养自己独立思考的能力，弥补自身的不足，提高自己的综合素质。

这次课程设计要特别感谢张天鹏老师、翟亚芳老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，以及搭档所做的帮助与支持，在此表示深深的感谢！
6. 参考文献
[1] 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：北京大学出版社，2012.
[2] 班春华.电子线路设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2005.
[3] 张睿.Altium Desiner6.0原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
[4] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M] .北京：高等教育出版社，2005.
7.附件
7.1仿真图
原理仿真如图7。

图7 原理仿真图555定时器波形仿真图如图8所示。

图8 仿真图
该电路设计原理图如图9所示。

图9 原理图7.3PCB布线图
该电路PCB布线图如图10所示。

图10 PCB布线图
经安装调试，本组做的课程设计实物图图11所示。

图11 实物图
7.5元器件清单
元器件清单如表2所示。

表2 元器件清单表。