數(shù)字電子技術(shù)

1、電工電子技術(shù)課程設(shè)計題目：彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計與制作團隊成員：許幗才組 長： 班 級 13電信專 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 金佩芬 2015年 1月摘要基于數(shù)字技術(shù)的循環(huán)流水彩燈系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的數(shù)字電路基礎(chǔ)技術(shù)和模塊化設(shè)計的思路。其簡易輕巧，外貌美觀，能呈現(xiàn)多彩顏色的特點使它在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應(yīng)用。比如十字路口紅綠黃的流水交通燈；節(jié)假日裝扮用的流水彩燈；自動門上裝有的自動流水燈等等。所以流水彩燈的設(shè)計可以進一步增加我們對流水燈的了解，感受流水燈給我們生活帶來的方便。 小組對彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)的初步框架進行設(shè)計，并對一些仿真軟件和硬件系統(tǒng)方案進行了選擇。在此基礎(chǔ)上，又進一步詳細介

2、紹了該控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件仿真結(jié)果、控制方法。在軟件仿真部分中，本文重點講述了使用Multisim對數(shù)字電路進行仿真及仿真結(jié)果。在硬件設(shè)計中，將電路設(shè)計從主電路為二進制計數(shù)器延伸到用移位寄存器來控制。最后，本文就基于彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)的特點，進行了歸納與總結(jié)。關(guān)鍵詞：流水彩燈 循環(huán) Multisim仿真 移位寄存器彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計與制作1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案選擇1.1 基于數(shù)字電路技術(shù)的彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的數(shù)字電路的設(shè)計大體上都是三步走的戰(zhàn)略：即信號源，控制電路，輸出顯示。在明白大體的設(shè)計思路之后，對沒有部分進行模塊化的設(shè)計。最終可以完成我們的實驗?zāi)繕?。本實驗的具體設(shè)計框圖如下：彩燈

3、循環(huán)控制電路 顯示電路脈沖信號產(chǎn)生電路 圖1 本次實驗總體框圖提供適當?shù)妮斎朐?；彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)我們實驗?zāi)繕酥械淖笱h(huán)、右循環(huán)、全滅和全亮的功能；顯示電路主要是輸出顯示我們的實驗結(jié)果。1.2方案選擇1.2.1方案一：74ls193為主控電路 74ls193是雙時鐘4位二進制可逆的集成計數(shù)器，其雙時鐘可以實現(xiàn)加計數(shù)或減計數(shù)，當計數(shù)時鐘脈沖從UP輸入時，集成芯片實現(xiàn)加法計數(shù)過程，計數(shù)過程為0000到11110000；當計數(shù)時鐘脈沖從DOWN輸入時，集成芯片實現(xiàn)減法計數(shù)過程。CLR是異步清零端，高電平有效；LOAD是異步欲置數(shù)控制端，低電平有效；預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端包括A、B、C、D,D為最高

4、位，A為最低位； 本電路的系統(tǒng)方案框圖為：74ls138譯碼電路74ls193控制電路555多諧振 蕩電路LED 顯示電路 圖2 74ls193為主控流水彩燈電路框圖 簡要介紹：利用555計時器所組成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，并將信號送到74ls193的時鐘，將清零端CLR與QD相連，在進行加計數(shù)時，數(shù)據(jù)到了1000即8時，系統(tǒng)清零而回到0000，即0。在進行減計數(shù)時，四輸入與非門的輸入與QA、QB、QC、QD相連，輸出與置位端LOAD相連，DCBA接0111，即出現(xiàn)輸出為1111時，電路回到0111即7，譯碼器將74ls193的輸出地址轉(zhuǎn)換為高低電平并使LED發(fā)光。 仿真電路圖

5、如下圖所示： 圖3 74ls193為主控的流水彩燈仿真圖 操作：當 S1接低電平時，燈為全亮； 當S2接低電平時，燈為全滅； 當S3接脈沖信號時，燈實現(xiàn)左移； 當S4接脈沖信號時，等實現(xiàn)右移；1.2.2方案二：74ls194為主控電路 本來用74ls198電路更為方便，但市場上買不到該芯片。故用兩片74ls194來級聯(lián)而成。74LS194是四位雙向通用移位寄存器。功能：并行輸入和并行輸出。 當工作方式控制端S0、S1輸入為高電平時，在時鐘脈沖上升沿到來時，并行數(shù)據(jù)（A-D）被送入相應(yīng)的輸出端QA-QD。此時串行數(shù)據(jù)（DSR,DSL）被禁止；當S0為高電平、S1為低電平時，在時鐘上升沿作用下進行

6、右操作，數(shù)據(jù)由DSR送入；當S0為低電平、S1為高電平時，在時鐘上升沿作用下，數(shù)據(jù)由DSL送入：當S0和S1均為低電平時，時鐘被禁止。本電路的系統(tǒng)框圖為：74ls138譯碼器電路74ls194彩燈控制電路555計時器組成多諧振蕩器LED顯示電路 圖4 74ls194流水彩燈控制電路框圖簡要介紹：利用555計時器所組成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，并將信號送到74ls194的時鐘，兩片74ls194級聯(lián)起來，利用清零端的控制，可以使輸出的電平為全低電平，從而使電路LED達到全亮的目的；利用電源的開斷可以達到全滅的效果；在彩燈循環(huán)之前，利用芯片的并行輸入的能力，將01111輸入到輸出端，

7、在進行循環(huán)效果時，利用并行輸出及循環(huán)的效果，這個0會在一個周期內(nèi)循環(huán)到每一個輸出口，從而產(chǎn)生了左移右移的效果。真電路圖如圖所示： 圖5 74ls194彩燈控制電路仿真圖1.2.3方案選擇總結(jié)： 從兩種方案的設(shè)計結(jié)果可以看出，雖然實際的市場中沒有買到74ls198，只能由兩片74ls194來代替。兩個電路都用到了三個芯片，但從(1) 滿足系統(tǒng)功能和性能的要求。(2) 電路簡單，成本低，體積小。 (5) 調(diào)試簡單方便。(6) 生產(chǎn)工藝簡單。(7) 操作簡單方便。操作簡便是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)的重要特征，難以操作的系統(tǒng)是沒有生命力的。這幾點來看，方案二的接線的次數(shù)比較少，思路相對而言更簡單明了，實現(xiàn)起來

8、更便捷。最重要的一點是：方案一雖然實現(xiàn)了循環(huán)，但是只能實現(xiàn)一次循環(huán)；方案二可以實現(xiàn)多次的循環(huán)。故從以上的幾點可以毫不猶豫地選擇方案二。2 單元電路的硬件設(shè)計2.1 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器的電路結(jié)構(gòu)式一種能夠產(chǎn)生矩形脈沖信號的電路，產(chǎn)生的脈沖信號具有比較陡的矩形脈沖信號的上升沿和下降沿.一個理想的矩形脈沖信號電壓波形，可以用傅里葉級數(shù)展開成為具有基波正弦分量和基波頻率整倍數(shù)各次諧波分量，所以矩形脈沖波是一種多次諧波，從而把能夠產(chǎn)生矩形脈沖波的電路結(jié)構(gòu)稱為多諧振蕩器電路或稱多諧振蕩器。用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如下圖所示。從電路連接上來看，也是將555定時器連接成施密特發(fā)器

9、的結(jié)構(gòu)，即將2、6端并聯(lián)，再與RC構(gòu)成的充放電電路的串聯(lián)點連接，將7端接到放電點。 圖6 555多諧振蕩電路電路的振蕩頻率的計算：由電路的知識得：充電所用時間，即脈沖維持的時間： =0.7(R1+R2)C1 (1-1) 放電所用的時間，即脈沖低電平時間： =0.7R2*C1 （1-2） 所以，脈沖周期時間為: T=+=0.7(R1+R2)C1+0.7R2*C1 =0.7(R1+2*R2)C1 =1.01s （1-3）2.2 74ls194彩燈控制循環(huán)電路及顯示電路的設(shè)計74ls194芯片及控制方式在前面方案選擇的地方已經(jīng)詳細的說明了，這里主要介紹詳細的構(gòu)成左右循環(huán)的原理。單元電路的仿真圖如下圖

10、所示：圖7 74ls194循環(huán)電路的設(shè)計兩片74ls194的級聯(lián)：想要實現(xiàn)8位的數(shù)據(jù)輸入，只需要將芯片1和芯片2的S0、S1、CLR和CLK串聯(lián)起來作為總輸入的這些接口。而芯片1的輸出QD與芯片2的SR相連，芯片1的輸出QA與芯片2的SL相連；而芯片2的輸出QD與芯片2的SR相連，芯片2的輸出QA與芯片2的SL相連.這樣，兩個芯片的級聯(lián)及循環(huán)就設(shè)置好了，這個循環(huán)可以將我們事先在S0=1、S1=1置入的0在每一個輸出口不斷地循環(huán)。左右循環(huán)就是這樣實現(xiàn)的。LED顯示部分主要是根據(jù)74ls194控制電路的輸出狀況而設(shè)計的。眾所周知，全滅的效果是很好設(shè)計的，只需要將電源去掉即可：全滅的設(shè)計只有用芯片的

11、清零端來控制的。由于在清零的時候，電路輸出是低有效的，故將LED的一端接74ls194的輸出，另一端接電源，當出現(xiàn)清零時，電路會顯示全亮的效果。2.3 總體電路的仿真設(shè)計 仿真電路圖參見方案二中“圖5 74ls194彩燈控制電路仿真圖”。操作:S4為接通，S1為低電平，S2和S3是任意值時，電路顯示的燈為全亮； S4為斷開，S3、S2和S1為任意值時，電路顯示的燈為全滅； S4為接通，S1為高電平，S2接高電平，S3接高電平時，電路只有第一個燈亮，當S3接低電平時，電路實現(xiàn)右移循環(huán)； S4為接通，S1為高電平，S2接高電平，S3接高電平時，電路只有第一個燈亮，當S2接低電平時，電路實現(xiàn)左移循環(huán)

12、。3 電路仿真及仿真結(jié)果 仿真具有如下許多的優(yōu)點： (1)對電路中只能依據(jù)經(jīng)驗來確定的元器件參數(shù)，用電路仿真的方法很容易確定，而且電路的參數(shù)容易調(diào)整。 (2)由于設(shè)計的電路中可能存在錯誤，或者在搭接電路時出錯，可能損壞元器件，或者在調(diào)試中損壞儀器，從而造成經(jīng)濟損失。而電路仿真中也會損壞元器件或儀器，但不會造成經(jīng)濟損失。(3)電路仿真不受工作場地、儀器設(shè)備、元器件品種、數(shù)量的限制。由于如上的許許多多的優(yōu)點，使我們在仿真中需要很多的調(diào)整，并且仿真的過程中也會遇到很多問題，而分塊仿真的方法可以很大程度上減少我們出錯的可能，即使出錯也會很方便我們找出問題的由來。555多諧振蕩器仿真結(jié)果圖如下：圖8 多

13、諧振蕩器仿真結(jié)果從示波器仿真的結(jié)果圖可以看出，555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器3腳的輸出的確是方波信號，并且信號的頻率是1Hz。驗證了理論假設(shè)的正確性。彩燈循環(huán)效果圖：由于循環(huán)的效果圖很多，故在仿真的時候用邏輯電平來顯示。 全滅和全亮: 圖9 燈全亮的仿真效果圖 圖10 燈全滅的仿真效果圖 由于循環(huán)的效果圖很多，故在仿真的時候用邏輯電平來顯示。右循環(huán)：圖11 右移邏輯仿真圖左循環(huán)：圖12 左移邏輯仿真圖 仿真小結(jié)： 從以上的仿真結(jié)果可以看出，小組采用的方案二的設(shè)計思路是完全正確的，555多諧振蕩器的方波仿真圖和彩燈循環(huán)系統(tǒng)的輸出結(jié)果都是接近完美的。從理論上驗證了設(shè)計的正確性。從中，電路仿真我也使我

14、體會到了Multisim仿真軟件的強大。它為我們提供了豐富的芯片資源及電路檢測的方式，增強了我們動手的信心，也減少了我們出錯的可能。4 實物連接及操作中出現(xiàn)的問題4.1 實物連接 按照仿真圖連接的方式連接好電路。4.2 連接中出現(xiàn)的問題及解決方法 555多諧振蕩器無法輸出方波信號？原因：幾根電源線連接的地方再板上沒有導(dǎo)通。解決方法：用萬用表出問題的線路之后，將電源線換到其它的地方。在打開循環(huán)開關(guān)的時候，LED等出現(xiàn)了意料之外的閃爍？原因：線路接觸不良。解決方法：將單刀雙擲開關(guān)統(tǒng)一放置在一塊地方。且接線的方式一致，這樣可以使線路清晰且美觀。結(jié)束語 這次實驗是我們第一次進行的設(shè)計性實驗課程，在這次

15、實驗中，我們經(jīng)歷了資料的查找、方案的選擇、電路仿真、實物連接、編寫報告和課程小結(jié)。整個過程基本上是模擬實際工作中的項目開發(fā)；為我們以后的工作來了一次精彩的彩排。 其中方案的選擇體現(xiàn)了最優(yōu)解的思路：對于一個工程而言，解決的方法是有很多種的，每個人的設(shè)計想法都是不一樣的。特別是以小組為單位進行設(shè)計時，在眾多的方案中如何、以什么為標準來進行選擇對后面的實際操作有很大的影響。方案選擇的好，實際接線的復(fù)雜程度及出錯率會降低很多。俗話說得好：磨刀不誤砍柴工。指的就是這個意思。 電路仿真也是實際操作中不可卻很少的一部分，電路中的一些參數(shù)都是我們根據(jù)自己以往的經(jīng)驗以及理論上的計算得來的，它們符不符合實際的需要

16、還是有待參考的。所以仿真正是為我們解決這一問題的重要方法。在仿真的過程中，我們可以根據(jù)仿真的效果圖來調(diào)整我們電路中的一些參數(shù)，并且電路中的一些小問題也可以在仿真中體現(xiàn)出來。 這一次的方案設(shè)計也讓我體會到了模塊化程序設(shè)計的重要性，剛拿到題目時。我的心中是一片茫然。不知道如何下手。在對流水彩燈控制電路和Multisim軟件有了一些初步的了解后，我知道了這一次的設(shè)計主要分為三個小部分，每一部分都可以用不同的方法來實現(xiàn)。其實在現(xiàn)實的生活中，一些重大任務(wù)或重要的工程，在我們的面前就像不可完成一樣。但是將任務(wù)分塊之后，每次完成一小步后。有一天，我們回過頭來發(fā)現(xiàn)自己居然已經(jīng)完成了。 課程設(shè)計給我們帶來許多意想不到的收獲，特別是當我們組的實物做出來之后，看到自己的流水彩燈循環(huán)點亮?xí)r，別提心中有多高興。同時也希望以后能多體會一下這類實驗。最后，感謝金老師耐心的指導(dǎo)與幫助。附錄 1 82 7 5553 64 5 GND VCC TRL DIS OUT THR RST CON 圖14 555實物引腳圖圖 清零端高出發(fā)端THR低處發(fā)端TRLOUT放電管T功能0XX0導(dǎo)通