数电课程设计_八路彩灯控制器

工程学院
课程设计
课程名称电子技术课程设计
课题名称彩灯控制器
专业电气工程及其自动化
班级 1102
学号 0
姓名郭昕
指导教师田莉
2013年 12月 27日
工程学院
课程设计任务书
课程名称：电子技术课程设计
题目：多功能数字钟电路
专业班级：电气1102
学生：郭昕学号：0
指导老师：田莉
审批：田莉
任务书下达日期 2013年 12月 16日
设计完成日期 2013年 12月 27日
目录
一课程设计题目（与实习目的） (7)
（一）、题目：多路彩灯控制器 (7)
（二）、实习目的： (7)
二总体方案的选择 (7)
（1）总体方案的设计 (7)
（2）总体方案的选择 (8)
三单元电路的设计 (9)
（1）花型演示电路 (9)
（2）花型控制信号电路 (13)
（3）节拍控制电路 (14)
（4）时钟信号电路原理图 (16)
四总体电路图（见附页） (18)
五电路组装后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形18 六安装、调试过程 (21)
七故障分析与电路改进 (22)
（一）、巩固数电知识 (23)
（二）、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路； (23)
（三）、和同学共同合作、互相学习、共同进步 (24)
八总结： (24)
九附录（元器件清单）： (25)
十参考文献。

(25)
一课程设计题目（与实习目的）
（一）、题目：多路彩灯控制器
（二）、实习目的：
1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。

2．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。

3．了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。

4．培养认真严谨的工作作风和实事的工作态度。

5．数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。

二总体方案的选择
（1）总体方案的设计
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：方案一：总体电路共分三大块。

第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现时钟信号的产生。

主体框图如下：
方案二：在方案一的基础上将整体电路分为四块。

第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。

并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。

主体框图如下：
根据所提供的实验器材各模块总体思路如下：
时钟信号CP电路：参见高等教育王淑银主编的《数字电路与逻辑设计》课本P404图10-3-6（a）;
花型控制电路：由1614位二进制同步计数器完成；
花型演示电路：由195 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化）；
节拍控制电路：节拍变化由151八选一数据选择器完成，节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。

（2）总体方案的选择
方案一与方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而设计的，方案二加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。

两种方案的基本思路相同，将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。

元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。

这么设计的出发点是：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试都很方便。

花型控制电路简单，花型也比较简单。

由于在设计的构想时期，已经确定将电路模块化，设计的过程中又已经将节拍控制电路设计出来，通过仿真软件也实现了设计要求——分频。

方案二同时完成了选做的要求，只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂，为了确保短时间完成课程设计和高效率，我选择了方案二。

三单元电路的设计
（1）花型演示电路
由二片移位寄存器194实现。

其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。

而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出控制（它们由同一个CP脉冲控制）。

三种花型变换样式
花型1：8路灯分两半。

从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。

循环两次；
花型2：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。

循环两次；
花型3：从左至右顺次渐亮。

全亮后逆序渐灭。

循环两次。

移存器输出状态编码表
我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1~16显示第一个花型，17~32显示第二个花型，33~64显示第三个花型。

要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变,通过161的输出反馈来控制经过观察每16个CP低位片输出Q1—Q4变化比较频繁,根据变化的花型频率选用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的变化从
而实现滑行的变化。

现将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。

列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL 、SR 的输入信号及节拍控制信号列表如下：(用^Li 表示Li 的取非)
列出卡诺图分析 194低位片
SL=^L8
S1=Q B . ^ Q A
SR=^L8 SL=^ ( Q
A . ^Q
B
)
194高位片
SL=X SR=^ Q
B . L4+ Q
B
.^L8
S1=0 S0=1
由上图分析可以得到控制194高、低位片的左移右移变化控制端S1、S0以及串行输入端的由161的输出
端Q
A
、Q
B
和本身输出端L4和^L8
控制。

用去Q
A
—Q
D
表示161从低位到高位的个输出端。

控制结果表达式如下：
电路图如下：
（2）花型控制信号电路
由二片161级联的模128（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。

161的级联用的是同步，并用^QH清零。

当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为00000100
所以将161高位片的Q
2（即Q
G
）信号输给节拍控制电路的151的A
来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。

161的CP脉冲来自节拍控制电路中74LS151的输出端Y。

电路图如下：
（3）节拍控制电路
由一片151和一片74级联实现。

整体上实现脉冲频率的变换，即交替产生快慢节拍。

令74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将^Q的输出接到D端，Q端的输出接到151的D1端。

令151的B,C,G~,GND,D2~D7接低电平，Vcc
接高电平，D0接时钟信号的CP脉冲，A端接由花型控制电路的QG 输出。

所以Y端的输出就为：Y=C P·^A+Q·A
(Q是74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能，记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲的上升沿，Q输出为上一次的记录（即一个脉冲）。

也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。

所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。

A端接的是161的高位片的QC即当到达第64拍时QC为1接下来的65~128拍为变慢后的脉冲输出。

电路图如下:
（4）时钟信号电路原理图
由一片555加上适当电容及电阻实现。

电容取：4.7μf0.01μf
电阻取：150 kΩ 4.7 kΩ
电路图如下：
四总体电路图（见附页）
注:由于仿真画图时芯片复杂，CP产生电路产生用电源代替（已试验，可以等效）。

五电路组装后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形
1．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2. 测试波形: (列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片
194A,B,C,D即Q
A ---Q
H
)
花型一：
花型二：
花型三：
六安装、调试过程
本次数字电路课程设计总共用了4天完成的，这几天都在学习思考，每一天都有所收获，都有所进步。

第一天刚刚分到题目的时候有些兴奋和激动，数电的基础不差，加上数电试验都是踏踏实实认真完成的。

对于161、194和其他器件的功能和应用都很熟悉。

但是在具体设计电路时出现了疑惑。

用194去实现一个花型很简单，如果是三个分开比较麻烦，但是本次设计要同时实现三个花形，是通过151来选择呢还是是手动呢？手动有些不切实际。

经过思考没有得到解决，只觉得161的计数器如果不去反馈控制194的变化，那么它的存在价值不大，接下来我看了一些参考书籍，大概有了自己的思路，于是开始设计，我用了学校发的教材里所提供的前两种，并在网上找了一些资料后，我自己也在前两种的基础上设计了几种。

所以刚开始的几天就一直在想怎样将三种花型衔接起来，书中介绍比较粗略，但并不影响设计，只要知道S1、S0、SL、SR的作用即可。

还是在思考一下，如果给161和194的CP是同步的那么就每来一个上升沿161计数一次同时194的变化一次，每个花型需要的CP脉冲数是固定的，也就是说只要通过计数器的反馈就可以控制滑行之间的转换。

但是161的输出端有8各，具体怎么控制呢？想不通的，就回归到数电课本上去，列出状态转移表，来找规律。

通过观察终于成功用两个161的输出端来反馈，这样电路就非常简单了，还能实现功能，经过一天的努力拼搏终于把它解决，真的很有成就感。

期间确实遇到了许多问题，但经过课本和网络的资料在向老师询问才得以把它解决。

第二天，由于已经设计好，我们就准备找老师检查我们的仿真图，由于我们这组十人，所以分了两组，我们这组与另一组的有些不同，但原理基本上差不多，老师看见我们仿真的很成也很欣慰。

第三天我们就去老师那里领取器材，便开始进行最近单元——CP脉冲产生电路。

因为书上有完好的电路图直接照着连就OK。

可是问题并不是想的那么简单，因为我一开始操作就不知道怎样布线才合理，常出现看着电路图不知道这条线该走哪儿连过去，看过老师的示电路板的布线后，特别的佩服，所以当然要学习了，于是自己也那样连线，尽量走直线。

连完时钟电路后，满以为会很成功，因为我的电路连得很简洁，随后我就继续连接其他的芯片，看着电脑的仿真图大约用了一个多小时去连线，最终联好了，正当我们欣喜不已的时候，结果通上脉冲信号电后灯居然不能按仿真图上那样运行，检查电路没什么问题，我开始不知所措，但我没有放弃，我就逐步的检查看那里出了错误，仿真没错的话那肯定是接线的错误，所以经过我仔细检查后，最终花了一下午的时间把它给接好。

555芯片在仿真图里面是没有的，所以需要重新制作，但经过多次试验，发现555可用脉冲信号代替。

第四天我们开始叫老师检查，灯的花絮确实像昨天仿真的那样按次序亮，经老师检查无误并记录我们的名字后我们这一组的课程设计就算圆满成功了。

七故障分析与电路改进
本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正
是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。

而且从本次课程设计中收获很多。

可以总结为以下的几点：
（一）、巩固数电知识
这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。

我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。

而且还参考了数字电路实验指导书，关于芯片的管脚，里面有详细的描述。

（二）、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；
虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课实验也用过，但当时的运用也只是囫囵吞枣的感觉。

这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。

实习过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。

在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。

一个完美的作品不仅要能很好的完成要现功能，还要在感官上给人美的享受。

所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。

（三）、和同学共同合作、互相学习、共同进步
最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，每个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。

我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。

理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。

在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的意见，他人的设计也可能有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法，所以团结合作在一个团队里面是很重要的。

八总结：
本次试验中包括CP的产生电路用的555芯片，但我觉得555芯片国语复杂，所以我就用脉冲信号代替。

基本电路我用了6芯片（两片161、两片194、一片00、一片04），分频电路用74和151实现，一共用了8个芯片。

是目前我想出的用最少的器件，最简单的布线来实现所要求的功能。

从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。

掌握了Multisim的用法，感觉这款软件的制作者很伟大，用所学习过的芯片设计电路，并用面包板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。

总而言之，这次课程设计让我学会了很多东西，不仅做好了设计而且还复习了数电的知识，这是收货甚大。

再此我感学校给我们提
供的此次实习的机会，感我们指导老师的教导，最终让我努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。

九附录（元器件清单）：
74LS161（四位二进制同步计数器）-------------- 2个；
74LS194（移位寄存器）--------------------- 2个；
74LS151（八选一数据选择器）------------------ 1个；
74LS74（双D 触发器）------------------------- 1个；
74LS00（四二输入与非门）---------------------1个；
74LS04（六非门）------------------------------ 1个；
555 --------------------------------------- 1个；
电容： 4.7μf --------------------------------1个；
0．01μf --------------------------------1个；
电阻：150kΩ--------------------------------1个；
100Ω---------------------------------4个；
4.7kΩ----------------------------------1个；
实验板一块；
万用表一个；
钳子一个；
导线若干。

十参考文献。

<<电子线路设计、实验、测试>>（第二版）
华中理工大学----------自美主编<<电子技术基础实验>>
高等教育----------大钦主编<<数字电子技术基础>>（第五版）
高等教育----------闫石主编<<电子技术课程设计指导>>
高等教育------鹏介华主编
电气与信息工程系课程设计评分表
指导教师签名：________________
日期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。