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1、湖南工学院数字电路课程设计循环彩灯控制电路设计 系 部： 电气与信息工程系专 业： 电气自动化班 级： 电气0504设 计 人：学 号： 401050438 同 组 人： 指导老师： 时 间：2007年1月摘要随着科学技术的进步，数字电路对人们影响越来越广，数字领域的发展致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的社会生活发生了令人瞩目的变革。本课程设计是要设计与实现彩灯循环数字控制电路通过振荡电路产生脉冲，再用计数器计算脉冲个数实现循环状态，再通过译码器译成高低电平。然后再用组合逻辑电路实现这一设求。关键字：振荡电路、计数器、译码器、组合逻辑电路AbstractWith the advance
2、ment in science and technology, digital circuit increasingly broad impact on the people, the development of industries to the digital domain, agriculture, science and technology, and defense fields as well as in people;social life took a remarkable transformation. Design and Implementation of this p
3、rogram is to design digital control circuit Lantern cycle oscillation circuit pulse, Number achieve reuse cycle pulse counter status, and through the decoder into high-low level. Then the combinational logic circuit based demand.Key word: A vibration circuit, a counter and a decoder. For a logic cir
4、cuit is combined绪论为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们决定做课程设计提高学生的动手能力。为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的EWB，Protel99等技术的新手段，新工具。本课题的设计达到的目的：除了使没有真正进行过电子技术实验的学生，通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力。在本次设计中，得到了本组成员和其他同学朋友及宋绍民老师的大力支持，当然也从网上得到一些宝贵意见，由于时
5、间和经验的关系，不足之处望加以批评指正，以便提高和完善。 作者 胡超宇 2007年1月目录绪论3第一章 课程任务1.1 设计题目与目的51.2 设计任务51.3 设计要求51.4 设计方案61.5 方案选取7第二章 系统设计电路2.1 555组成振荡电路82.1.1 555结构及功能82.1.2 555定时器组成的多谐振荡器92.2 74LS160计数器电路112.2.1 结构及功能112.2.2 74LS160改进计数器电路162.3 74LS138译码器电路172.3.1 结构及功能172.3.2 74LS138译码电路20第三章 仿真测试3.1 仿真平台223.2 仿真结果23第四章 制
6、作与调试4.1 安装工艺244.2 焊接技术244.4 测试结果24致谢24附录251. 系统总原理图252. PCB板图263. 元件清单27心得体会27参考文献28第一章 课程任务1.1 设计题目与目的一、设计题目彩灯循环数字控制电路设计二、设计目的(1) 深入理解掌握数字电子技术的基本原理，数字电路的设计分析方法。(2) 进一步熟悉掌握LSI、MSI集成数字电路功能、引脚及其使用方法。(3) 学习了解数字电路的组装技术与技巧，组装工艺。(4) 了解数字电路的测试方法，学会数字电路故障的分析和排除。1.2 设计任务 首先根据个人审美，将四组不同颜色的彩色发光二极管布置成各式各样图案。然后选
7、用熟悉的LSI、MSI数字集成电路，设计并组装一数字电路产生四位二进制数码对彩灯进行控制，每一位控制一组彩灯的亮灭。要求电路所产生的四位二进制数码以最佳状态序列循环变化，使彩灯发光并形成多种多样的美丽动感画面。1.3 设计要求1. 拟定四位数码状态序列循环变化方法及其产生方案。2. 画出电路框图、原理图，并选用LSI、MSI数字集成电路对之进行设计。3. 组装所设计的电路，并采用适当方法对其功能进行测试，分析排除可能产生的各种故障。4. 总结自己所进行的研究设计及组装调试工作，撰写课程设计论文。1.4 设计方案 1. 循环变化的状态序列10010011011010110010010110101
8、1012. 方案1：“时序电路+双向移位寄存器”方案左/右移控制右移串入左移串入Q2Q3Q0Q1DSLDSR次态逻辑电路4位双向移位寄器M状态输出序列 3.方案2：“时序电路+组合电路”方案。设计过程中遇到很多的问题，对于74194的应用我们存在很大的问题，在以前的实验中我们也没有涉及到此芯片的用法，在设计过程中我们遇到难题，于是我们转了个弯，采用三位二进制的循环，这样可以达到与课程设计要求一样的效果，只是在设计过程中可以在很多的地方采用更多的办法，我们在设计过程中没有使用74194芯片，这样我们在设计有了很大的进展，总体的思路是：我们采用555产生时钟，作为74160的输入，用74160芯片
9、来记数。再通过74138译码。产生8种输出，对8种输出进行处理最终是产生四种不同的状态。根据要求，我们所选择的是方案二，也就是时序电路+组合电路，电路输出只有8种状态，最终是以8种状态用组合电路进行组合和与非。最后是四组状态通过发光二极管显示出来。1.5 选取方案设计流程图循环彩灯的设计彩灯循环555震荡电路74160计数器74138译码器第二章 系统设计电路2.1 555组成的振荡电路2.1.1 555结构及功能555定时器是模拟数字混合式集成电路，利用它可以方便地构成脉冲产生、整形电路和定时、延时电路。具有功能强，使用灵活、方便等优点，在数字设备、工业控制、家用电器、电子玩具等许多领域都得
10、到了广泛的应用。集成定时器的产品主要有双极型和CMOS型两类，按集成电路内部定时器的个数又可以分为单定时器和双定时器；双极型单定时器电路的型号为555，双定时器电路的型号为556，起电源电压的范围为518V；CMOS单定时器电路的型号为7555，双定时器电路的型号为7556，其电源电压的范围为218V。CMOS型定时器的最大负载电流要比双极型的小，它们的功能和外脚排列完全相同。555内部结构图 555引脚图2.1.2 555定时器组成的多谐振荡器我们把施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐震荡器。因此，只要将555定时器的VI1 和VI2连在一起就构成了施密特触发
11、器，然后再将V0经RC积分电路接入回路输入端就可以了。为了减轻G4的负载，在电容C的容量较大时不宜直接由G4提供电容的充、放电电流。为此，在555组成的多谐震荡器电路中将TD与R1接成了一个反向器，它的输出V，0与V0在高、低电平状态上完全相同。将V0经R2和C组成的积分电路的输出V，0与V0在高、低电平状态上完全相同。将V0经R2和C组成的积分电路接到施密特触发器的输入端同样也能够构成多谐震荡器。由分析得知，电容上的电压VC将在VT+与VT-之间往复振荡,VC和VO的波形如图所示.由图中VC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为T1=(R1+R2)Cln(VCC-VT-/VCC-V
12、T+)=(R1+R2)Cln2T2=R2Cln(0-VT+/0-VT-)=R2Cln2故电路的振荡周期为:T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2振荡频率为:f=1/T=1/(R1+2R2)Cln2通过改变R和C的参数即课改变振荡频率.用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率达500KHz,用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率可达1MHz.由以上式子求出输出脉冲的占空比为q=T1/T=R1+R2/R1+2R2上式说明,上图电路输出脉冲的占空比始终大于50%.为了得到小于或等于50%的占空比,可以采用改进的办法.由于接入了二极管D1和D2,电容的充电电流和放电电流流经不同的路径,充电电流只流
13、流经R1,放电电流只流经R2,因此电容C的充电时间变为T1=R1Cln2而放电时间为T2=R1Cln2故得输出脉冲的占空比为q=R1/R1+R2若取R1=R2,则q=50%.上图电路的振荡周期也相应地变成T=T1+T2=(R1+R2)Cln2555振荡电路是为了产生脉冲信号，通过对555振荡电路中的电阻进行调节使得后面发光二极管的发光时间发生改变。从而改变频率。2.2 74LS160计数器电路2.2.1 结构及功能74160，是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。体功能如下： 1.异步
14、清零功能 只要（CR的非）有效电平到来，无论有无CP脉冲，输出为“0”。在图形符号中，CR的非的信号为CT=0，若接成七进制计数器，这里要特别注意，控制清零端的信号不是N-1（6），而是N（7）状态。其实，很容易解释，由于异步清零端信号一旦出现就立即生效，如刚出现0111，就立即送到（CR的非）端，使状态变为0000。所以，清零信号是非常短暂的，仅是过度状态，不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。2.同步置数功能 当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0D3的数据被置入计数器并呈现在Q0Q3端。若接成七进制计数器，控制置数端的信号是N（7）状态，如在D0D3
15、置入0000，则在Q0Q3端呈现的数据就是0110。 74LS160内部结构图74LS160 引脚图功能表如下：表 一计数 Q0 Q1 Q2 Q3 十进制 输出C（1） 驱动方程为：（2）状态方程为：我们所采用的是异步置零法接成的八进制计数器。当计数器计成Q3Q2 Q1Q0 =1000（即SM）状态时，担任译码器的门G输出低电平信号给R端，将计数器置零，回到0000状态。状态转换图若计数器从0000状态开始计数，则第八个计数输入脉冲上升沿到达时计数器进入1000状态，G1输出低电平，将基本RS触发器置1，Q非端的低电平立刻将计数器置零。这时虽然G1输出的低电平信号随之消失，但是基本RS触发器的
16、状态 保持不变。因而计数器的置零信号得以维持。直到计数脉冲回到低电平以后，基本RS触发器被置零，Q非端的低电平信号才消失。可见，加到计数器RD非端的置零信号宽度与输入计算脉冲高电平维持时间相等。同时，进位输出脉冲也可以从基本RS触发器的Q点引出。这个脉冲宽度与计数脉冲高电平宽度相等。在而在现实生活中有的计数产品中，将G1、G2、G3组成的附加电路直接制作在计数器芯片上，这样在使用时就不用外接附加电路了采用置数法时可以从计数循环中的任何一个状态置入适当的数值而跳跃N-M个状态，得到M进制计数器。另外额外增加了端口，由以上可知道，当家加/减控制信号U/D=0时做加法计数；当为0时做减法计数。其他个
17、输入端、输出端的功能及同步十路六进制加/减计数器74LS191完全相同。2.2.2 74LS160改进计数器电路74LS160计数器改进电路从秒脉冲输出信号，芯片74160计数从0000一直计到1111是十六进制计数器而由题目要求按照 循环变化的状态序列而变化1001 0011 0110 10110100 0101 1010 1101所以要将十六进制改为八进制，使计数器从0000计到0111后返回再从0000重新开始计数，如此循环计数。 而将计数器的进制改变也有很多的方法，在这里是要将74160改为八进制，所以可以用置零法或是置数法。置零法就是当它循环到所需要的进制时将它强制置零，使它重新从0
18、开始计数。置数法就是给计数器置入一个数值，使它跳跃不需要的数值，构成所需要的进制的计数器当CLR/=1、LOAD/=0时，电路工作在预置数状态。当CLR/=0时所有都被同时置零，而且置零不受其他输入端的影响当CLR/=LOAD/=1，而ENP=0、ENT=1时或当ENT=0时计数器的状态将保持不变。当CLR/=LOAD/=ENT=ENP=1时，电路工作在计数状态。在74160上将十六进制改为八进制，按照它的功能需要将它的CLR/、ENT、ENP端接上高电平，使它能正常工作。因为只要八个循环就够了，所以可以在它计了八位时将它置零，使他它重新计数重新循环，即从QA、QB、QC输出000到111，当
19、它计1000时，QD产生一个高电平可以经过一个非门变为低电平经第9脚(LOAD/)输入使计数器处于预置数状态而此时A、B、C、D接地，所以从0000重新循环直到下一个新的循环开始。也可以使它经过门电路和基本RS触发器使它产生一个低电平经CLR/输入计数器将计数器置零重新循环。74160计数器计数脉冲数来显示多种循环状态，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。所以通过74160来完成脉冲计数时序逻辑电路的分析步骤一般为：逻辑图时钟方程（异步）、驱动方程、输出方程状态方程状态转换真值表状态转换图和时序图逻辑功能。时序逻辑电路的设计步骤一般为：设计要求最简状态表编码表次态卡
20、诺图驱动方程、输出方程逻辑图。计数器是一种简单而又最常用的时序逻辑器件。它们在计算机和其他数字系统中起着非常重要的作用。计数器不仅能用于统计输入时钟脉冲的个数，还能用于分频、定时、产生节拍脉冲等。用已有的M进制集成计数器产品可以构成N(任意)进制的计数器。采用的方法有异步清零法、同步清零法、异步置数法和同步置数法，根据集成计数器的清零方式和置数方式来选择。当MN时，用l片M进制计数器即可；当MN时，要用多片M进制计数器组合起来，才能构成N进制计数器。当需要扩大计数器的容量时，可将多片集成计数器进行级联。2.3 74LS138译码器电路2.3.1 结构及功能译码器 译码器是组合逻辑电路的一个重要
21、的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。我们是为了得到彩灯的显示信号所以本实验以3线-8线二进制译码器74LS138为主，通过实验进一步掌握集成译码器我们选择的是显示译码器；经过比较我没选择的是显示译码器74138译码器。三线八线译码器（74LS138）三线八线译码器74LS138是中规模集成电路的组合逻辑部件。概念：译码器是一种多输出组合逻辑部件，它能将n个输入变量变换成2n个输出函数，并且每
22、个输出函数对应于n个输入变量的一个最小项。当输出函数的个数m=2n时，该译码器称为完全译码器，又叫做“二进制译码器”；当m2n时，该译码器称为不完全译码器。二进制译码器具有n个输入端，2n个输出端和一个(或多个)使能端。74138的引脚图74LS138功能：三线八线译码器74LS138是完全译码器，它有3个输入端8个输出端和3个使能端。它的输出是低电平有效，即在使能时，所有输出信号中只有一个为0的有效信号，对应为一个最小项mi的反，其余皆为1的无效信号。*在使能时，=1， =0，=0。(+=0意即=0和=0，所谓“都0出0”。)*当使能端有一个不满足条件，则禁止译码输出。*用使能端级联两片74
23、LS138可实现四线十六线译码。74LS138 三线-八线译码器真值表：序号输 入输 出S1S2+S3A2A1A0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7X0H1111111111111111010000011111111100011011111121001011011111310011111011114101001111011151010111111011610110111111017101011111111074138 三线-八线译码器真值表S1、S2、S3为使能控制端，起到控制译码器是否能进行译码的作用。只有S1为高电平，S2、S3均为低电平时，才能进行译码，否则不论输入羰输入为何值，每个输出端
24、均为1。2.3.2 74LS138译码电路74LS138译码电路4LS138就是用TTL与非门组成的3线-8线译码器，它的逻辑图如图所示用TTL与非门组成的3线-8线译码器74LS138译码器通过对74160计数器产生循环状态进行译码高低电平形式，使发光二极管发光循环。第三章 仿真测试3.1 仿真平台EWB软件介绍Electronics Workbench（EWB），中文又称电子工程师仿真工作室。该软件是加拿大交换图像技术有限公司在90年代初推出的EDA软件，它是一个非常优秀的专门用于电子电路设计与仿真的软件，与其他电路仿真软件相比，具有界面直观、操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电
25、路必须采用文本方式的不便之处，创建电路、选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。测试仪器操作面板与实验室内实际仪器相差无几,操作起来得心应手。一切电路的分析、设计与仿真工作都蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量与效率。EWB还是一个非常优秀的电子技术实验训练工具，因为电子技术类课程是实践性很强的课程，将EWB作为该类课程的辅助教学和实验训练手段，它不仅可以弥补经费不足带来的实验仪器、元器件缺乏，而且排除了原材料损耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快更好地掌握课堂讲授的内容，加深对概念和原理的理解，弥补课堂理论教学的不
26、足。通过仿真，可以熟悉常用电子仪器的使用方法和测量方法，进一步培养学生综合分析问题的能力、排除故障的能力和开发创新的能力。你只要拥有一台普通配置的计算机，安装了EWB之后，你就相当于拥有了一个功能强大、设备齐全、器件丰富的小型“电子实验室”。EWB的显著特点是：仿真手段切合实际，选用元器件和仪器与实际情况非常接近，绘制电路图所需的元器件、仿真所需的仪器仪表均可在相应库中直接选取。EWB的元器件库不仅提供了数千种电路元器件供选用,而且还提供了各种元器件的理想值 ，因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理、自学电路内容、开发设计新的电路极为方便。同时，根据需要也可以新建或扩充已有的元
27、器件库，因此极大的方便了使用者。EWB提供了非常丰富的电路分析功能，包括电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、线性和非线性分析、噪声和失真分析等常规分析方法，还提供了离散傅立叶分析、电路零极点分析和交直流灵敏度分析等多种高级分析方法，以帮助设计人员研究电路性能。另外，它还可以对被仿真电路中的元器件人为设置故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，针对不同故障可以观察电路的各种状态，从而加深对概念原理的理解，这是在实际实验中不易做到的，这是电子工作台完成虚拟实验的突出特色。在进行仿真的同时，它还可以存储测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据，列出被仿真电路的所有元器件清单等
28、。电子工作台所提供的元器件与目前较常用的电子电路分析软件PSPICE的元器件库是完全兼容的，换句话说，两者之间可以相互转换。同时，在该软件下完成的电路文件可以直接输出至常见的印刷电路板排版软件，如PROTEL和ORCAD等软件，自动排出印刷电路板图，从而大大加快了产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。EWB还提供了大量的常用实例电路库，而且伴有电路阐述、实验建议等说明，供使用者参考和教学演示用。使用者可以对这些电路进行仿真、修改等，进一步发挥各自的创造能力。使用者也可以将自己设计的电路存储到该电路库中，以丰富电路库中的内容。EWB提供了交互式的SPICE电路模拟，这种方式既可增强SPICE
29、的功能，又可发挥方便实用的人机图形界面。EWB设计软件以SPICE3F5为模拟软件核心，具有完整的混合模拟与数字信号模拟功能，可任意地在系统中集成数字及模拟元件。EWB能自动地进行信号转换。在输出信号的观察上，EWB具有即时波形显示功能。EWB具有的下拉式电路编辑功能表，可使电路元件的输入更为简便快捷。EWB的“子电路”功能很有特色，在复杂电子电路系统的设计过程中，合理而恰当的利用“子电路”功能，能使系统设计大大简化，工作效率得到提高。EWB 具有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB 进行C
30、AI教学3.2 仿真结果用EWB软件仿真可知道电路设计正确。由555定时器构成的振荡电路产生秒脉冲信号作输入，然后用74LS160作改进的计数器计数脉冲个数，再根据74LS138译码器译成高低电平信号，再用组合逻辑电路产生八种循环状态，使得发光二极管发出不同的状态。第四章 制作与调试4.1 安装工艺先在PROTEL里把原理图做好，在做时要把线连连到位，不能随意连，好要注意好交点连接，把原理图做好后导入到PCB板里，在导入之前一定要知道各元件的封装形式。要不然导入到PCB里就会出现错误。在做PCB板时，布线非常重要，它将直接影响做出来的实物是否成功。所以工艺的安装要布置好。4.2 焊接技术1焊接
31、 工具：电烙铁在已做好的电路板上涂一层助焊剂，对照原理图将元件安装在电路板上，检查元件位置是否正确。检查无误后，用电烙铁将每个元件用焊锡焊牢，保证每个元件不虚焊。在焊元件时根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路。4.3 测试结果以上各项完成后，就进行调试，根据所设计的电路，把电路调试好，在进行测试结果是否符号理论要求。由设计要求我们能电路产生八种状态，使得发光二极管循环发出八种状态的光。致谢这次课程设计使我增长不少知识，使我知道理论和实践这个两部分真正涵义。不是像我们想象那样的简单。我们必须要通过多次实践才能成功的课程设计。我非常感谢我的指导老师-宋老师对我
32、们的的指导。我在这里我代表我组成员忠心的感谢你！ 附录1. 系统总原理图图中组合电路我们用4017芯片代替。PROTEL里原理图2. PCB板图3D效果图3. 元器件清单元件参数数量位置555定时器1U174LS160计数器1U274LS138译码器1U374LS04IC2U4、U5CD4071IC4U6、U7、U8、U9电容 47uF1C1电容0.01uF1C2电位器50K1R2发光二极管红、绿、绿、黄4D1、D2、D3、D4电阻10K1R1心得体会课程设计是锻炼我们对多学知识应用能力的一门课程。通过这次设计我发现这主要检验了我们对大二阶段学习的“数字电路”这门课程的应用情况。一个完整的课程
33、设计包括，前期的思考设计，中期的动手实践，后期的调试测验。课程设计不仅考验了我们对所学知识的掌握程度，还培养了我们做事细心，冷静，考虑全面，周密的能力。初拿到这个题目时，我无从着手.看了这次设计所给的一些零器件，我才渐渐回想起来时序逻辑电路和组合电路都是我们曾学习过的“数字电路”的内容。为了找到解决问题的途径，我复习了“数字电路”有关时序逻辑电路和组合电路以及555振荡电路的部分内容。运用这些知识并结合这次的题目画下了控制部分的图和数据处理电路的草图。纸上谈兵终不能成事，第二天便开始连接电路，连接电路的过程很是需要我们的耐心和细心板上的孔既小又排列紧密，一不小心就有张冠李戴的可能。经过2天的连
34、线，初步的电路已经若然眼前，开始调试吧！调试过程让我明白不是所有的事情都能够一蹴而就的，科学设计就是这样，问题接二连三的出现，调试就是发现问题并逐一解决的过程。我深深体会到理想与现实的差距，它需要我们不断的努力，坚持不泄，遇到了困难不是坏事并不是全盘皆输也不是理想错了，而是需要我们勇于面对和解决！ 最后我要感谢宋老师对我们课程设计的指导，还要感谢他严格要求我们。增强我们的动手操作能力。最后忠心的表示感谢！参考文献1、西安交通大学电子学教研室编，沈尚贤主编 电子技术导论，下册 北京：高等教育出版社，19862、中国集成电路大全编委会编：中国集成电路大全-CMOS集成电路， 北京，国防工业出版社。
