1.1系统设计要求 . .................................................................................................................. 2
1.1.1 设计内容及要求 . .................................................................................................... 2 1.2 设计思路及原理框图 . ..................................................................................................... 2 1.3设计原理及方案论证 . ...................................................................................................... 2
1.3.1 脉冲产生电路 . ........................................................................................................ 2 1.3.2 流水灯循环控制电路 . ............................................................................................ 3 1.3.3 流水灯显示电路 . .................................................................................................... 7
2 整体设计及原理说明 . ................................................................................................................ 7
2.1系统总体电路图 . .............................................................................................................. 7 2.2 部分电路的原理说明 . ..................................................................................................... 9 3 调试记录及结果分析 . .............................................................................................................. 13
3.1设计调试过程及遇到问题 . ............................................................................................ 13 3.2 实验过程及现象记录 . ................................................................................................... 13 4 对成果的评价及改进方法 . ...................................................................................................... 14
4.1自我评估 . ........................................................................................................................ 14 4.2作品的改进及提高 . ........................................................................................................ 14 5 小结及体会 . .............................................................................................................................. 14 参考文献 . ...................................................................................................................................... 15 附录:元器件清单 . ...................................................................................................................... 16
电子技术实验是一门重要的实践性技术基础课程,开设本课程的目的在于使学生理论联系实际,在老师的指导下完成大纲规定的实验任务。开发我们分析问题或解决问题的能力,培养严谨的工作作风,实事求是的科学态度,刻苦钻研、勇于探索和创新的开拓精神以及遵守纪律、团结协作和爱护公物的优良品质。
流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮的灯的组合,流水灯控制是可编程控制器的一个应用,其控制思想在工业控制技术领域也同样适用。
流水灯控制可用多种方法实现,如单片机I/O口控制,双向位移寄存器控制,计数器循环控制等,本次选用计数器40193做控制电路,其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成,再通过三线八线译码器输出给发光二极管,实现了所需要的功能。
关键词:流水灯 计数器 二进制译码器 多谐振荡器
彩灯循环控制电路的设计与制作
1 结构设计与方案选择
1.1系统设计要求
1.1.1 设计内容及要求
彩灯循环电路的设计与制作,要求设计八位循环彩灯,可以循环左移,循环右移,并可实现全亮和全灭,彩灯循环显示的频率为1HZ 。
1.2设计思路及原理框图
彩灯循环电路应包括以下几部分:CP 脉冲产生电路,彩灯循环控制电路,彩灯花形演示电路。具体结构如图所示:
图
1-1 彩灯循环电路的结构框图
脉冲电路产生周期为1s 的脉冲送达循环电路的输入端,控制电路的计数器或者移位寄存器开始工作,最后,将产生的高低电平输入到发光二极管,驱动流水灯开始工作。
1.3设计原理与方案论证
1.3.1 脉冲产生电路
方案一:使用CMOS 门电路组成一个简单的多谐振荡器,产生周期为T 的脉冲波
图1-2 门电路多谐振荡器
优点:电路简单,易于搭建,设计原理简单。
缺点:该方案仅适合于R>>CMONS门中NMOS ,PMOS 管的导通电阻,C 远大于电路的分布电容的情况,且频率不稳定,电压变化易产生影响。
方案二:使用555定时器组成的多谐振荡器。
555定时器内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,受影响较小,其振荡周期由R1,R2和C 决定,方便计算和调节。
由于考虑到NE555芯片比较常见且价格比较便宜,故选择该芯片作为脉冲产生电路。
1.3.2 流水灯循环控制电路
方案一:使用可以进行加计数和减计数的计数器74ls193
74ls193引脚功能说明见表1-1
表1-1 RS485针脚功能说明
MR 为清零端,高电平时实现清零,PL 为异步并行负载(低电平)输入端,当时钟脉冲从CPu 输入且CPd 端置高电平时,则实现加计数从二进制0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→0000的循环,当时钟脉冲从CPd 输入且CPu 端置高电平时,则实现减计数从二进制0000→1001→1000→0111→0110→0101→0100→0011→0010→0001→0000. 通过改变脉冲的输入端来改变计数器的加减方式,从而实现流水灯的左移右移。此方案需配合使用译码器,选择三线八线译码器74ls138。
74ls138引脚功能说明见表1-2
表1-2 74LS138引脚真值表
138有三个使能端,E3高电平有效,E1,E2低电平有效,当使能端按要求接入,从地址输入端送入三位二进制数时,八个输出端将有一个输出低电平,从而实现驱动流水灯的某一盏工作。
把计数器193的低三位输出接到译码器138的输入端,则193的Q0,Q1,Q2输出实现一个八进制的循环,138则按此循环二进制数译码,Y0~Y7口依次输出低电平,改变CPu 和CPd 的输入,则可以使循环的方式发生改变实现左移右移。
方案二:使用双向位移寄存器74ls194,用其输出端对三个彩灯分别进行循环循环控制,194的引脚图如图1—7所示。
图1-3 74ls194的引脚图
把CR 接高电平,SR 接到Q3端,实现环形计数器,D 0D 1D 2D 3预置1000,SL 置空, Q0
接红灯Q 1接黄灯Q 2和Q 3通过一个或非门接一个绿灯,CP 接上一个芯片来的脉冲, Q 0 Q1 Q 2 Q 3通过同或门接到S 1端,S 0接高电平,当开启电源时,Q 0 Q 1 Q 2 Q 3通过同或门向S 1端输入高电平,达到S 1 S0都为高电平,这样就像芯片送数1000,这是Q 0 Q1 Q2 Q3通过同或门向S 1送低电平,这时芯片就会1000→0100→ 0010→ 0001→1000→0100→0010→0001实行循环。
74ls194引脚功能说明见表1-3
表1-3 74LS138引脚真值表
如果将两片194级联,第一片的Q3接到第二片的SR ,第一片的SL 接到第二片的Q0,构成八进制计数器。
图1-4 74ls194级联成八进制位移寄存器
当两片194的脉冲输入端同时输入CP 脉冲,第一片开始工作,当第一片的最高位输
出为1时,第二片的SR 输入为1,第二片开始工作,实现了八进制的功能。
由194的真值表可知,通过改变S1,S0的输入可以实现左移和右移,我们只需使用D 触发器的的输出端Q 和反向输出端的变化改变对S1,S0的控制,从而实现左移右移的改变。
此方案两片74LS194级联成8位移位寄存器。彩灯移位非左即右,即S1S0=01或S1S0=10,由D 触发器构成的T ’触发器控制(FF2)。设S1S0=10(194的Q3从DL 接收数据,从Q0移出数据),在CP 作用下彩灯依次点亮。第9个CP ,使FF1置1,其/Q=0,将74LS194清0,彩灯全灭;熄灭后反馈信号由1 →0。同时,FF1的Q 端由0→1,产生FF2的CP 信号,使FF2翻转,S1S0=01。第10个CP ,使FF1重新置0,Q 端由1→0 ,/Q端由0→1,解除对74LS194的清0,使74LS194可以进行反向移位。
第11个CP 开始,彩灯反向逐个点亮。
由此电路实现彩灯逐个点亮--全亮后熄灭--再反向逐个点亮--全亮后熄灭的循环控制。
图1-5 双向八位彩灯的设计方案之一
需要用到两个D 触发器,需要考虑到时序的问题,比较复杂,而且彩灯只能依次循环点亮并反向,外加电源控制需考虑其它问题,故舍弃,选择方案一。
1.3.3流水灯显示电路
才用与门驱动发光二极管显示,这样可以在与门的一个端接开关,控制流水灯的全亮全灭。
图1-6 发光二极管显示电路
2整体设计及原理说明
2.1 系统总体电路图
图2-1系统设计电路(1)
图2-2系统设计电路(2)
图2-3系统设计电路(3)
整体说明:取脉冲时钟电路的R1=390欧R2=510欧,电容C=1uf,可产生周期为1s 的脉冲方波,将此脉冲送到193的Cpu 端,则193开始加计数,若接入CPd 端,则计数器减计数,将193的输出第三位Q0,Q1,Q2接到138芯片的A0,A1,A2位,则138开始译码输出。单刀双掷开关S1决定脉冲输出接Cpu 或CPd ,所以S1
控制循环的左移或右移,单
刀双掷开关S2控制138的使能端,如果接低电平则,138输出全为高电平,S3控制与门的一个输入端,当S3接低电平,led 全亮,当S3接高电平且S2接低电平则led 全灭,当S3接高电平且S2接搞电平则led 循环左移或者右移。 三个开关S1,S2,S3的优先级和功能表如表2-1:
表2-1开关S1,S2,S3的优先级
(1表示此事件发生,0表示不发生)
2.2 部分电路的原理说明
2.1.1各芯片具体介绍
1.555定时器
图2-4 555定时器内部逻辑图
其工作原理:
它含有两个电压比较器,一个基本RS 触发器,一个放电开关T ,比较器的参考电压由三只5K Ω的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为Vcc 和Vcc 。C1和C2的输出端控制RS 触发器状态和放电管开关
3
3
2
1
状态。当输入信号输入并超过Vcc 时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时
3
2
放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于Vcc 时,触发器置位,555的3脚输出
3
1
高电平,同时放电,开关管截止。
R D 是复位端,当其为0时,555输出低电平。平时该端开路或接Vcc 。
Vco是控制电压端(5脚),平时输出Vcc 作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一
32
个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01μF 的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。
T为放电管,当T 导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.
555电路的引脚功能见表2-2
表2-2 555定时器的引脚功能
2. 计数器193
74LS193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。
74LS193的特点是有两个时钟脉冲(计数脉冲)输入端CPU 和CPD 。在RD=0、LD =1的条件下,作加计数时, 令CPD =1, 计数脉冲从CPU 输入;作减计数时,令CPU =1,计数脉冲从CPD 输入。此外,74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD =1时,不管时钟脉冲的状态如何, 计数器的输出将被直接置零;当RD =0,LD =0时,不管时
钟脉冲的状态如何,将立即把预置数数据输入端A 、B 、C 、D 的状态置入计数器的QA 、QB 、QC 、QD 端,称为异步预置数。
图2-5 74ls193的引脚图
图2-6 74ls193时序图
3.138译码器
74LS138 为3 线-8 线译码器,共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式, 其工作原理如下: 当一个选通端(E3)为高电平,另两个选通端(E1) 和/(E2))为低电平时,可将地址端(A0、A1、A2)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器;若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。
图2-7 74ls138引脚图
4.与门74ls08
74ls08是2输入的四与门, 使用它可以控制输出的高低电平,来控制led 灯的亮灭
与门功能说明见表2-3
表2-3 与门真值表
与门的输入:当且仅当与门的两端输入均为高电平“1”时,与门的输出才为高电平,若与门的任一端输入低电平则与门的输出为低电平0. 与门实现逻辑&的关系。
3调试记录及结果分析
3.1 设计调试过程及遇到问题
设计采用仿真软件protuse9.4仿真的方法,该方法可以较好的模拟电路的输出输入,同时各端口的高低电平可以实时监测。在protuse 中加载元件并连线,可以避免因设计错误导致的元件浪费。
在使用仿真软件设计电路过程中遇到的最大问题是:
1. 没有给Led 发光二极管加上合适的驱动,导致产生的电压无法驱动发光二极管,二极管的亮度微弱
2. 第一次组装的时候没有加上与门,使流水灯只能左右移动而不能够外加控制它的亮灭。
解决方法:加上与门和相应的开关,并在led 灯接合适的上拉电阻,增加相应的开关同步控制流水灯的亮灭,问题得以解决。
3. 仿真时,芯片74ls138和74ls194有很多种,有些在仿真库里是没有模型的,在第一次画完之后发现系统报错,后来更换芯片,仿真成功。
在组装面包板的过程中,遇到的最大问题是:
1. 面包板上的某些插口接触不良,导致流水灯亮灭不遵循循环的规律。
2. 彩灯演示时有时正常有时混乱,在排除其它可能的情况下,检查各端子的连接情况,发现清“0”端在清“0”后悬空了,将其插到电源正极后,发现问题解决。
考虑到面包板插线不是十分稳定,由于导线的错综复杂使得信号有干扰,并且导线过于乱引起排查故障不便,我们组决定进一步采取措施,使用手工焊接电路板,用焊锡走线的方法来完成第二次电路搭接。
在焊锡焊接电路板过程中遇到的问题:
1. 由于电路较为复杂,因此在走线的时候使用了导线跳线的方式,用示波器测试555产生脉冲的时候发现信号受到干扰,解决方法是把该导线拆下重新按照横平竖直的原则焊接,后测试信号较之前稳定。
2. 在焊接完毕后测试发现有两个Led 灯不亮,检查后发现该点处虚焊,又重新焊接,调好。
3.2 实验过程及现象记录
1. 先将电路的VCC ,GND 接到电源的输出端,用万用表测试各芯片工作电压,确保其上电正常。
2. 用示波器接555定时器电路的脉冲输出端,调节滑动变阻器值使输出脉冲周期为1s (误差1%)。
3. 按优先级测试开关S1,S2,S3的作用是否正常。 S3接低电平则led 全亮
S3接高电平,S2接低电平则led 全灭
S3接高电平,S2接低电平,当S1接Cpu 则led 灯一次向右循环移动,当S1接Cpd 则led 灯一次向左循环移动,
4对成果的评价及改进方法
4.1 自我评估
本次作品基本完成了设计要求达到的功能,巧妙的利用了可以进行加减的计数器74ls193,较好的实现了流水灯的循环左移右移和全亮全灭四种花形,但是其仍存在许多局限性,例如:不能随意改变花形,所用芯片较多,开关分为三个较为复杂等等。
4.2 对作品的改进及提高
如果能够使用单片机对流水灯进行程序控制,就可以随意改变流水灯的亮灭时间和花样,能够实现较多的功能。此方法需要对电子电工技术更高程度的掌握。
5小结及体会
通过对本课件的制作,清楚地看到了自己的知识薄弱的方面,各个知识点没有联会贯穿,有些芯片的掌握不够牢固。本次实验我们使用了计数器74ls193和译码器74ls138,在设计过程中我们还考虑了用D 触发器和74ls194构成的电路,极大的加深了我对于时序电路,组合逻辑电路,以及逻辑门电路的掌握,巩固了电路,模拟和数字电子技术知识,水平得到提升。
在做此课程设计的过程中,充分体会到了实际操作的重要性。课堂上所学的知识是基于理论的,我们需要动手实践来巩固这些理论并加深对它的理解。
此次试验由我们4人合作完成,在这个过程中我充分体会到了团队合作的重要性。 此次课程设计极大的锻炼了我的动手能力,巩固了平时所学的知识。
参考文献
[1] 康华光. 电子技术基础 数字部分(第五版) .高等教育出版社,2005 [2] 伍时和. 数字电子技术基础. 清华大学出版社,2009
[3] 康华光. 电子技术基础 模拟部分(第五版). 高等教育出版社,2005 [4] 江晓. 数字电子技术. 西安电子科技大学出版社,2006 [5] 曹国清. 数字电路与逻辑设计. 中国矿业大学,2007
附录:元器件清单
元件清单见表7-1
表7-1 元器件清单
另外有自制5v 电源一个 万用版一块 导线若干
循环彩灯的设计与制作
湖南工业大学
课 程 设 计
资 料 袋
学院(系、部学年第学期 课程名称 电子设计与制作 指导教师 xx 职称 讲 师
学生姓名 x 专业班级 电信093 学号 094012003xx 题 目 循环彩灯的设计与制作 成 绩 起止日期2012 年 11 月 19 日~2012 年 11 月 30 日
目 录 清 单
湖 南 工 业 大 学
课程设计任务书
2012-2013学年第一学期
学院(系、部)
课程名称: 电子设计与制作 设计题目: 循环彩灯的设计与制作 完成期限: 2012 年 11 月 19 日~2012 年 11 月 30 日 共 2 周
指导教师(签字): 年 月 日 系(教研室)主任(签字): 年 月 日
电子技术
课程设计
设计说明书
起止日期: 2012 年 11 月 19 日~2012 年 11 月 30 日
学班学成
生姓名 级 号 绩
xx 电信093
xx
指导教师(签字)
电气与信息工程学院(部)
2012 年 11 月 2 日
1、设计任务及要求
要求设计一个循环彩灯,采用8个LED,实现顺序/逆序流水,LED交替频率可调。自行设计电源部分,为电路板提供直流电源。自行设计信号发生部分,为电路板提供工作频率。根据技术指标进行循环彩灯总体方案设计,说明设计思路,选择相应的元器件型号,列出元器件清单,介绍主要芯片的功能,介绍各具体单元电路设计,画出完整的电路原理图、PCB图。
2、设计思路
循环彩灯主要由桥式变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、555定时器、74ls193计数器、3-8译码器等部分组成。首先是将220V交流电通过变压器转换成较小的交流电,通过桥式整流将电压加到直流负载上从而输出直流电压,通过滤波稳压从而实现其稳定的5V直流电压,使555定时器通过调节滑动变阻器实现秒脉冲震荡器,加到计数器的加法或者减法脉冲端口实现8进制计数,通过译码器从而实现循环彩灯功能。
3、各单元电路说明 1>开关模块
通过可调式电阻来控制电压输入,接通时发光二极管D9点亮。
2>电源电路模块
将220V交流电通过变压器J2和桥式整流D1输出的交流电压加到直流负载上,从而输出为5V的直流电压,通过电容滤波和三端稳压器输出稳定的直流电压。
3>秒振荡器
通过调节滑动变阻器使555定时器实现秒脉冲输出。
4>8进制加减计数器模块
通过开关S1来选择加或者减计数端口,再通过脉冲加到开关实现计数,由于只选择了输出的低3位而高位为1时通过开关实现清零,从而形成8进制计数。
5>译码电路模块
将计数器的低3位输出接到74ls138的A、B、C,将CBA组成的输入进行译码,从而点亮彩灯,通过CBA随计数器而进行变化,从而实现彩灯循环。
6>生成PCB版
在PCB中导入电路原理图,对元件进行布局,采用双层布线将元件连接,生成最后的PCB版图。
4、总电路说明
将220V交流电通过变压器转换成较小的交流电,通过桥式整流后输出电压加到负载上,通过滤波稳压从而实现其稳定的5V直流电压,通过开关控制使555定时器通过调节滑动变阻器实现秒脉冲震荡器,通过秒脉冲加到74ls193计数器的加法或者减法脉冲端口实现8进制计数,通过计数器的输出来改变74lls138的输入使译码器轮流点亮发光二极管从而实现循环彩灯功能。 总电路仿真图如下:
5、元器件清单
6、设计总结及体会
本次为期两周的课程设计,让我对protel99se这个软件的操作和使用环境有了进一步的了解和深入,知道如何更加准确去设计原理图和生成PCB图,了解软件里面的各种功能,明白如何合理的运用和使用它们。通过老师理论课上的了解以及自身的认识,最终顺利的完成了此次课程设计。在课程设计过程中也遇到了很多的麻烦,如在加载网络表时时常出现封装问题,部分元件封装需要自己做等,在通过老师的指点和同学的帮助下是这些问题得到顺利的解决。此次课程设计,充分将书上的理论与实际相结合,对于今后的学习以及工作上来说,都获益良多,让自身受到了不小的锻炼与提升。
彩灯循环控制电路的设计与制作
乐山师范学院课程设计报告
彩灯循环控制电路的设计与制作
指导老师: 姓 名: 日 期: 2010年12月
摘要:
本 彩灯循环控制电路 有两种方案 。 首先,两种方案都是采用 555 芯片来构成多谢振荡器从而产生 1Hz 的时钟脉冲信号,满足任务中 频率快慢为 1S 的要求 。在第一种方法,主要是采用计数器和译码器来实现 8 个彩灯逐个点亮的功能的 , 再通过一个反馈 , 来实现计数器的循环计数进而让彩灯循环点亮。而芯片 CD4017 正好是将两个芯片的功能集合到了一起 ,可以实现十进制循环计数 。 在第二种方案中,通过采用多功能双向移位寄存器来了一起 , 通过采用多功能双向移位寄存器来实现彩灯的左右移动 ,借助于两块芯片的级联 , 组成拥有 8 输出的功能电路,可以有效的完成所有的任务。
关键词:555定时器 多谐振荡器 CD4017 多功能移位寄存器
彩灯循环控制电路的设计与制作
一、 系统方案设计、比较与论证
1、方案设计
1.1方案一
图1(方案一方框图)
直接采用CD4017芯片来实现基本功能,即彩灯的循环点亮。
CD4017 是 5 位Johnson 计数器,具有 10 个译码输出端,CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时,计数器在时钟上升沿计数;反之,计数功能无效。CR 为高电平时,计数器清零。Johnson 计数器,提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通,保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平,只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位,并用作多级计数链的下级脉动时钟。
CD4017芯片引脚排列:
图2(CD4017引脚排列图)
引出端功能符号
CO:进位脉冲输渊 CP:时钟输入端
CR:清除端 INH:禁止端
Q0-Q9: 计数脉冲输出端 VDD:正电源
VSS:地
表1(CD4017真值表)
电路图说明: 通过借助芯片 CD4017 , 将计数和译码的功能集合到了一起, 直接将芯片的输出接到彩灯负载上。 芯片的 13 脚为使能端, 低电平有效, 为保证芯片正常工作, 将其直接接地。 当接通电源, 并且加入脉冲信号时, 芯片开始从 000 开始计数。 此时, Q0 输出高电平, Q1 — Q9 输出低电平, 所有灯全灭。 当第一个脉冲来临, 芯片计数变为 001 , Q1 有效, 输出高电平, 其余输出低电平, 即对应的第一个灯亮了。依次循环, 当 Q9 输出高电平时, CR 有效, 实现清零, 注意到此时 Q0 是高电平, 其余为低电平。
图3(方案一总体设计图)
1.2 方案二
图4(方案二方框图)
通过采用两片4位多功能移位寄存器,借助于移位操作,实现彩灯的左右移动点亮。移位寄存器除了具有存储代码的功能以外,还具有移位的功能。所谓移位功能,是指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下,依次左移或右移。因此,移位寄存器不但可以用来寄存代码,还可以用来实现数据的串行~并行转换、数值的运算以及数据的处理等。
74LS194 的引脚排列图和逻辑功能示意图:
图5(74LS194引脚排列图和逻辑功能示意图)
其中,DSR(2脚)为数据右移串行输入端(先输高位,再输低位) DSL为数据左移串行输入端(先输低位,再输高位) D0~D3 为数据并行输入端 Q0~Q3 为数据并行输出端 M1、M0为控制端 CR 为复位端(异步清零)
芯片的控制端和工作状态的关系表:
表2(芯片的控制端和工作状态的关系表)
74LS194 是4位双向移位寄存器,它具有并行输入、并行输出、左移和右移的功能。74LS194 的操作主要由两个工作方式控制端M1、M0 来决定。当M1M0=00时,为保持状态。当M1M0=01时,进行右移操作。当M1M0=10时,进行左移操作。当
M1M0=11时,进行置数操作。在后三种操作中,都是同步的,即必须有时钟信号,在时钟信号的上升沿到来时,进行左移,右移和置数操作。此外,芯片为异步清零,只要当CR 端为低电平有效时,即实现清零,而与脉冲无关。
表3(74LS194功能表)
具体功能如下:
清零:当CR=0时,不管其它输入为何状态,输出为全0状态。
保持:CP=0,CR=1时,其它输入为任意状态,输出状态保持。或者CR=1,M1、M0均为0,其它输入为任意状态,输出状态也保持。
置数:CR=1,M1=M0=1,在CP脉冲上升沿时,将数据输入端数据D0、D1、D2、D3 置入Q0、Q1、Q2、Q3中并寄存。
右移:CR=1,M0=1,M1=0,在CP脉冲上升沿时,实现右移操作,此时,若DSR=0,则0向Q0 移位,若DSR=1,则1向Q0移位。
左移:CR=1,M0=0,M1=1,在CP脉冲上升沿时,实现左移操作,此时,若DSL=0,则0向Q3 移位,若DSL=1,则1向Q0移位。
电路说明:
电路总体分三个区:控制输入端、置数区、清零区分别实现相应的功能。 首先接通电源,加入时钟脉冲信号。将两个芯片的清零端设置为高电平,使其无效。在置数区,将输入置为01111111即保证只有一个输入为低电平,其余为高电平。然后将控制输入端M1M0设为11,实现置数功能,即可将输入端的二进制信息加入到相应锁存器中并输出。从图中可以看出,当输出为低电平时,相应二极管LED 发光,否则熄灭。当将控制输入端M1M0设置为01时,芯片实现右移功能。在芯片1中,将 Q3连接到芯片2中的SR 端,当脉冲信号到来时,即可实现两块芯片之间的传递移位。同理,将芯片2中的Q3 连接到芯片中的SR 端。这样就可以实现,不断重复循环的右移下去。当将控制输入端M1M0设置为10时,芯片实现左移功能。同理,也将芯片1的Q0连接到芯片2的SL端,将芯片2的Q0端连接到芯片1中的SL端,实现循环的左移。当将控制输入端M1M0设置为00时,芯片实现保持功能。即相当于暂停移动功能。
2、方案优缺点
2.1方案一的优缺点
优点:
电路能实现基本的功能任务。电路原理清晰明了,电路图简单,易于实现,即使出现问题,也便于检查。
缺点:
方案本身没有太多的创意,仅仅依靠芯片本身来实现功能,不能实现左右移动、全亮的功能。可变动性差。
2.2方案二的优缺点 优点:
首先本方案是本次课程设计的最终方案,因为它可以实现所有的任务,并且电路本身也较为简洁,只使用了两片74LS194 芯片。电路的功能也可以得到一些扩展。
缺点:
电路对彩灯的控制只限于任务本身,只能实现左右移动,没有太多的变换。 2.3方案选择
由于方案一本身创意简单,仅仅靠芯片本身实现功能,不满足课程设计的需要,同时为了锻炼自己的动手能力,思维能力,对自己专业知识的熟悉,我们最终选择方案二来进行设计。
3、CP 时钟脉冲信号电路(1Hz)
由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能,所以就需要用到脉冲产生电路。 此外, 我们也要通过控制脉冲信号的频率来达到彩灯循环显示且频率快慢为 1S 的要求。我这里用到的是用 555 定时器设计的多谐振荡器,多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器, 而不需要再外加输入信号了。555 集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件,应用十分广泛。 由于 555 定时器内部的比较器灵敏度较高, 而且采用差分电路形式, 这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。
时钟脉冲信号电路图
图6(时钟脉冲信号电路图)
用 555 定时器构成多谐振荡器 , 电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲 , 其周期为 :T=0.7(R1+2R2)C 。为保证输出脉冲信号的频率为 1Hz ,最终确定 R1=15K Ω、 R2=68K Ω 、 C=10uF 。
二、 电路设计
1、 方案总体设计电路图
图7(电路总体设计图)
2、方案仿真图
图8(电路仿真效果图)
三、电路调试
1、电路板的调试
1.1 对秒脉冲产生电路的调试
从 555 芯片的 3 端输出端引出一根线接一个二极管 LED 的正极,另一端接地,接通电源, 观测 LED 的亮与灭的间隔时间。 如是不正常的, 检查接线是否以及 555 芯片是否是正常的。如若是正常的,则进行下一步。 1.2 对彩灯显示电路调试
将所有的彩灯都接通电源,看所有的彩灯是否都能正常发光。如若都正常,则进行下一步。 1.3 对控制电路的调试
(1)调节清零区的开关,使两个芯片的清零端处于低电平有效状态。看所有的彩灯是否都亮了。 如果不是, 检验清零的控制端有否有虚接的地方。 如果完好, 就检查两个芯片是否完好。如若都正常,则进入下一步。(2)在置数区置好数,再将控制输入端拨至 11 状态,看能否正常的置数。如果不能正常置数, 首先检验, 置数区是否有虚接的地方。 如果没有, 则检查控制输入端是否有虚接的地方。如果都没有,则检查各个拨码开关是否有坏的。如若都正常,则进入下一步。(3)分别将控制输入端拨至 01 、 10 、 00 状态, 检查整个电路是否能正常的左右移动和暂停锁存。如果不行,则检验两个芯片的 DSL 、 DSR 端脚是否有虚接的地方。如果没有 ,则检验芯片是否有损坏。如若正常,则调试过程完毕,作品胜利完成。
2、 调试中问题
2.1:彩灯一个都不亮
原因一可能是彩灯显示电路出了问题,电源没有连接好或者关键部位出现了续接。原因二可能是,芯片没有正常工作。
2.2:彩灯可以亮,但是不能左右移动
原因一可能是 555 脉冲信号发生器有问题,没有脉冲输出。
原因二可能是 74LS194 芯片的连线出了问题, 或是没有接电源或没有接地, 从而使芯片无法正常工作。
四、 设计总结与体会
此次的课程设计是一次很难得的锻炼机会,让我们能够充分利用所学过的理论知识,充分发挥自己的想象, 另外还让我们学习查找资料的方法, 以及自己处理分析电路, 设计电路的能力。平时在学习理论知识的时候, 可能考虑更多的是如何做题, 如何得高分, 根本就没有想到我们所学的这些东西有什么用。 这次的课程设计让我们感受到了它们在实际中的用途, 例如频率计、 数字钟……这些都是我们身边很常见的器件,都是我们自己可以通过所学知识实现的,突然感觉自己学的东西很有用了,我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣,有利用今后更好地学习。在实际电路制作的过程中,我们出现了很多问题。去检验,去调试真的是个很烦人的工作。 正因为此,这更进一步锻炼了我们的耐心。让我们在遇到困难与挫折时,不要轻言放弃。 只要仔细认真去对待, 我们可以解决所有问题的。 而且我们很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式, 这样一方面激发了我们自主学习的兴趣, 另一方面也巩固了学习到的理论知识, 可以从实践中积累实际的经验, 而不是老停留在理论学习的阶段。总之这次实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助, 而且对我们分析问题的方法也有很大的帮助,使我们考虑问题更周到,更全面。
五、参考文件
[1] 康华光 . 电子技术基础数字部分(第五版) [2] 阎石 . 数字电子技术基础(第五版) [3] 高吉祥 . 电子技术基础实验与课程设计 . [4] 童诗白 模拟电子技术基础(第四版)
元件清单:
附:效果图
图9
图10
彩灯循环控制电路的设计与制作
课 程 设 计
题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师
年 月 日
目录
目录 ................................................................................................................................................. 2 摘要 ................................................................................................................................................. 3 彩灯循环控制电路的设计与制作 .................................................................................................. 4 1.设计任务及要求........................................................................................................................... 4
2 方案设计与认定 .......................................................................................................... 4 2.1方案设计............................................................................................................................ 4
2.1.1设计方案一 ............................................................................................................. 4 2.1.2设计方案二 ............................................................................................................. 5 2.2方案的比较和认定 ............................................................................................................ 7 3 单元电路的设计.......................................................................................................................... 7
3.1脉冲发生电路 .................................................................................................................... 7 3.2移位寄存器电路 ................................................................................................................ 8
3.2.1 移位寄存器74LS194............................................................................................. 8 3.2.2移位寄存器电路: ................................................................................................. 9 3.3彩灯电路...........................................................................................................................10 4整体电路图及原理 ...................................................................................................................... 11
4.1整体电路图....................................................................................................................... 11 4.2工作原理........................................................................................................................... 11 5调试及结果分析..........................................................................................................................12
5.1.调试 ..................................................................................................................................12
5.1.1调试步骤 ................................................................................................................12 5.1.2发现的问题 ............................................................................................................12 5.2 调试结果..........................................................................................................................12 总结 ................................................................................................................................................13 参考文献 ........................................................................................................................................14
摘要
多组彩灯按照一定的顺序点亮构成的电路具有很高的观赏性,在生活中有着
很广泛的应用,例如广告牌,霓虹灯等。本次课程设计以已经学到的专业知识为基础,用简单的数字逻辑电路来实现8 个彩灯 的左移、右移、全亮、全灭等多种点亮方式。与生活中的实际应用紧密相关。 本文就本次课程设计的设计框图、设计电路图、单元电路图、工作原理、所用器件、 电路调试等方面来进行介绍,最后对本次课程设计进行了总结
关键词: 循环 彩灯 数字逻辑电路
彩灯循环控制电路的设计与制作
1.设计任务及要求
1)8个彩灯能够自动循环点亮。 2)彩灯循环显示且频率快慢为1s。
3)选作:设计具有控制彩灯左移,右移,全亮及全灭功能的电路。
2 方案设计与认定
2.1方案设计
2.1.1设计方案一
根据实验要求,使用计数器来实现循环,设计电路使其可实现以下功能: 1
)
彩
灯
右
移
依
次
点
亮
的
循
环
:
0000——0001——0010——0011——0100——0101——0110——0111;
2)彩灯全亮的功能。
本设计方案的原理框图如图一所示,各单位电路选用的元器件为:
1) 脉冲发生电路:选用555构成的多谐振荡电路可以产生频率为1Hz的脉冲信号; 2) 十进制计数器:用一片74LS192来实现计数功能;
3) 3-8线译码器:由一片74LS138来实现译码功能,其输出端直接和彩灯的阴极相连。
图1 原理框图一
按照原理框图一进行设计,得到的电路图如下所示:
C110μF
图2 方案一电路图
2.1.2设计方案二
根据设计要求,使用移位寄存器来实现电路的循环,其设计电路可以实现以下功能: 1)彩灯右移依次点亮:01111111—10111111—11011111—11101111 —11110111—11111011—11111101—11111110;
2)彩灯左移依次点亮:11111110—11111101—11111011—11110111 —11101111—11011111—10111111—01111111;
3)彩灯全亮:00000000; 4)彩灯全灭:111111111;
本次方案的设计框图如下图所示,各个单元电路选用的元器件为:
1) 脉冲发生电路:选用555定时器组成的多谢振荡器可以产生频率为1Hz的脉冲信
号;
2) 移位计时电路:选用两片74LS194来构成8位移位寄存器电路,通过脉冲发生电
路产生的CP使其实现左移、右移,从而实现彩灯的左移、右移循环点亮。
图3 方案二原理框图
按照方案二的原理框图设计可以得到如下电路:
C110μ
图4 方案二电路图
2.2方案的比较和认定
从设计要求的角度来看,方案一和方案二都能够完成设计任务的基本要求,即实现彩灯的循环点亮,.但是方案一只有右移循环,而方案二包含了左移和右移,还有全亮的要求,其功能更加完善。
从电路的耗材方面来看,方案二使用的集成电路块数较少,比较节省材料和费用。 综合以上两种考虑,方案二能实现的功能跟多一些,而且耗材较少,所以决定选择设计方案二。
3 单元电路的设计
3.1脉冲发生电路
由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能,所以就需要用到脉冲产生电路。我这里用到的是用555定时器设计的多谐振荡器,多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器,而不需要再外加输入信号。而用555定时器设计的多谐振荡器也有很多优点,由于555定时器内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。
接通电源后,电容C1被充电,当VC上升到2/3VCC时,使输出电压为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C2通过RB和T放电,VC下降。当VC下降到2/3VCC时,V0翻转为高电平。当放电结束后,T管截止,VCC将通过RA 和RB 向电容器C2充电,当VC上升到2/3VCC时,电路又翻转为低电平。如此周而复始,于是,在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其电路图如图5。
R1R2
图5 脉冲发生电路电路图
其输出信号的时间参数:
其中:
R1=R2=48KΩ,C1=10uF
则可以得到脉冲的周期
T=1.008s
该周期满足设计要求。
3.2移位寄存器电路
3.2.1 移位寄存器74LS194
74LS194是一种功能比较齐全的4位双向移位寄存器。它具有清除、保持、并行输入、右移串行输入和左移串行输入数据等五种功能。其管脚图和功能表如下图所示:
图6 74LS194管脚图
表1 74LS194的功能表
3.2.2移位寄存器电路:
用74LS194设计的移位寄存器电路如下图所示:
U2
图7 移位寄存器电路电路图
3.3彩灯电路
8盏彩灯分别与两片74LS194的输入端连接,当74LS194的任意一个输出端输出低电平时,与其相连的发光二级管将被点亮。为了保护发光二极管,需要在在二极管上串一个电阻,防止电流过大烧坏发光二极管。
彩灯电路的原理图如下所示:
图8 彩灯电路电路图
4整体电路图及原理
4.1整体电路图
C110μ图9 整体电路图
4.2工作原理
1) 右移循环点亮:J1、J3打向低电平,J2断开,J4、J5闭合,J6接Q7,J7接高电平,
此时电路中清零端接高电平,M0=0,M1=1,SR=1,在CP上升沿的作用下,移位寄存器进行右移操作,彩灯从左向右依次循环点亮。
2) 左移循环点亮:J5、J7打向高电平,J2、J4闭合,J5断开,J1接Q0,J7接低电平,
此时电路中清零端接高电平,M0=1,M1=0,SL=1,在CP上升沿的作用下,移位寄存器进行左移操作,彩灯从右向左依次循环点亮。
3) 全亮:将J4断开,此时清零端置0,电路输出全零,彩灯全亮。
4) 全灭:J1、J6置0,J3、J7置1,J4闭合,此时移位寄存器实现置数功能,电路输出
全1,彩灯全灭。
5调试及结果分析
5.1.调试
由于元器件的性能,连接电路的人为因素,以及环境因素的影响等,连接好的电路往往要经过调试才能达到设计的要求。
5.1.1调试步骤
1)检查电路
连接好电路,然后对照原理图,逐项检查电路中的元件连接情况,注意观察是否有连线错误,特别要注意是否会出现电源短路的情况,还要注意电容是否存在极性。
2)通电
将5v的直流电源接入电路中,观察电路是否存在异常现象,如冒烟,产生火花等,如果出现异常现象,应及时断开电源,检查故障。若电路无反应,则应检查各元器件的管脚是否松动,导线是否开路。
3) 操作开关进行
根据电路的工作原理,通过控制各个开关实现彩灯的左移、右移、全亮、全灭。若果存在问题,则应继续检查电路并调试,直到排除故障
5.1.2发现的问题
在调试过程中,发现电路在清零端置零后,8个灯没有达到预期的全亮要求,检查后发现面包板上发光二极管相连的一段插孔没有连通,导致两个发光二极管未与点与相连,因此而导致发光二极管未全亮,经过调节之后排出了故障。
5.2 调试结果
经过调试之后,电路可以正确的达到设计的要求。
总结
这次的课程设计是一次难得的锻炼机会,让我们能够充分利用所学过的理
论知识还有自己的想象的能力,另外还让我们学习查找资料的方法,以及自己处理分析电路,设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候,根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么,只是一味利用它们来解决课后的习题,没有想其他的用途。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途,还有我们身边的很多电路,例如频率计、交通灯、数字钟……这些都是我们自己可以实现的,突然感觉自己学的东西很有用,我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣,这样有利用今后更好地学习。
通过这次课程设计,我还更加深了理论知识的学习。这次试验中我用到了74LS194和555,通过自己分析和设计更好地运用了它们,而且还学会了它们更多的功能,发现它们的功能远比功能表里面说的多很多,可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。另外在分析比较设计循环电路的环节中,我还考虑过利用计数器和译码器来设计循环,可是发现计数器控制左右移比较复杂。最后一个知识点就是利用555定时器来设计多谐振荡器,我采用的电路就是课本里介绍的典型电路,通过这个电路也让我了解了555定时器的功能。这些都是我这次设计所用到的知识点,通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。
本次数电课设使用Multisim仿真软件,该软件使用方便,是众多仿真软件中较容易掌握的一个,便于我们入门。
总而言之,通过这次课设使自己进一步巩固了数电方面的知识,加强了理论与实践的联系,为以后的学习打下了坚实的基础。
参考文献
【1】 阎石.《数字电子技术基础》.第五版,高等教育出版社,2006. 【2】 伍时和.《数字电子技术基础》.清华大学出版社,2009.
彩灯循环控制器的设计与制作
实训三 彩灯循环控制器的设计与制作
一、设计任务书 1、题目
彩灯循环控制器的设计与制作 2、设计任务
1)彩灯能够自动循环点亮
2)彩灯循环显示且频率快慢可调。 3)该控制电路具有8路以上的输出。 3、设计目的
通过本设计熟悉中规模集成电路进行时序电路和组合电路设计的方法,掌握彩灯循环控制器的设计方法。
4、参考设计方案 方案一: 1)课题的分析
此电路主要由三部分组成,其整体框图如图(一)所示。 振荡电路
计数译码驱动电路显示电路
图(一)
2)方案论证与实现 (1)振荡电路
主要用来产生时间基准信号(脉冲信号)。因为循环彩灯对频率的要求不高,只要能产生高低电平就可以了,且脉冲信号的频率可调,所以采用555定时器组
IRT UAL
555定时器组成的振荡电路
图(二)
(2)计数器/译码分配器
计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。在此电路中采用十
进制计数/分频器4017,它是一种用途非常广泛的电路。其内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是O0、O1、O2….O9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
4017有3个输入端(MR 、CP0和~CP1),MR 为清零端,当在MR 端上加高电平或正脉冲时,其输出O0为高电平,其余输出端(O1------O9)均为低电平。CP0和~CP1是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由~CP1端输入。设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
4017有10个输出端(O0—O9)和1 个进位输出端~O5-9。每输入10个计数脉冲,~O5-9就可得到1 个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
由此可见,当4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平状态,故可直接用作顺序脉冲发生器。
4017的管脚仿真图如图(三)所示。其测试电路及波形如图(四)图(五)所示。注意在用multisim 仿真软件时,含有CMOS 时,电源作VDD 。
U1
3
O 0
14
CP0
13
~CP1
O 1O 2O 3O 4O 5O 6O 7
15
M R
O 8O 9~O 5-9
2471015691112
4017BD
图(三)4017的管脚仿真图
图(四)4017的功能测试电路图
图(五)
(3)显示电路
主要由发光二极管组成,当4017的输出依次输出高电平时,驱动发光二极管也依次点亮,产生一种流动变化的效果。发光二极管要求驱动电压小一点,一般在1.66V 左右,电流在5mA 左右。彩灯的循环速度由脉冲源频率决定。R 、C 构成微分电路,用于上电复位。如有兴趣也可以把发光二极管换成颜色的彩灯,这样循环直民来就更好看了。整机电路如图(六)所示。
彩灯循环控制器
方案二 1、电路组成
该循环控制电路由555定时器、同步4位二制计数器74163和4线—16线译码器/分配器74154组成。
2、电路原理与实现
电路中555定时器组成多谐振荡器,输出一定频率的矩形脉冲。74163是同
步4位二进制计数器,当输入周期性脉冲信号时,其输出为二进制数形式,并且随着脉冲信号的输入,其输出在0000—1111之间循环变化。通过4线—16线译码器74154,其16条输出线按照74163所加的二进制数依次变成低电平,哪条输出线为低电平,与它相连的发光二极管就亮。因任一时刻,只有1个发光二极管亮,故所有16个发光二极管只接1个限流电阻。该电路的16个发光二极管若组成一个环状,则发光二极管依次点亮时,就像一个光环在滚动一样,可用在灯
图(八)
方案三: 1、电路组成:
该电路是由555定时器、12位二进制计数器4040和3位二进制译码器74LS138组成。
2、电路原理与实现
4040是12位异步二进制计数器,它仅有2个输入端,即时钟输入端cp 和清零端CR 。输出端为Q0---Q11。当清零端MR 为高电平时,计数器输出全被清零;当清零端MR 为低电平时,在CP 脉冲的下降沿完成主数。
74LS138是3线-8线译码器,具有3个地址输入端A 、B 、C 和3个选通端G1、~G2B、G2A 以及8个译码器输出端Y0---Y7。
用555定时器组成多谐振荡器,输出频率为f=101HZ。由4040分频后,低3
位Q2、Q1、Q0的输出分别接在74LS138译码器的C 、B 、A3端。从而使其输出端
输出频率的大小。可控制彩灯闪的快慢程度。还可以从ABC 的连接来控制,连最低端闪的快,连最高端闪的慢。
二、设计课题 1、题目
彩灯循环控制器的设计与制作 2、设计任务
1)彩灯能够自动循环点亮
2)彩灯循环显示且频率快慢可调。 3)该控制电路具有8路以上的输出。 3、设计要求
1)元器件及参数选择。 2)电路仿真与调试
4、编写设计全过程,附上有关资料和图纸及心得体会。 5、答辩
在规定的时间内,完成叙述并回答提问。
转载请注明出处范文大全网 » 彩灯循环控制的设计与制作