電子技術(shù)課程設計---彩燈控制器

1、<p>　　模擬、數(shù)字電子技術(shù) 課程設計說明書</p><p>　　題目： 彩燈控制器 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　院 （系）： 電氣與信息工程學院 </p>

2、<p>　　專 業(yè)： 電子科學與技術(shù)064 </p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　1．選題背景…………………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1．1 設計要求………………………………………………………………………… 1</p>&l

3、t;p>　　1．2 指導思想………………………………………………………………………… 1</p><p>　　2．方案論證…………………………………………………………………………………… 1</p><p>　　2．1 方案說明………………………………………………………………………… 1</p><p>　　2．2 方案原理………………………………………………

4、………………………… 1</p><p>　　3．電路的設計與分析………………………………………………………………………… 2</p><p>　　3．1 電路的總體設計………………………………………………………………… 2</p><p>　　3．2 電路的原理框圖………………………………………………………………… 3</p><p>　　

5、3．3 單元電路的設計與分析………………………………………………………… 3</p><p>　　3．3．1 多諧震蕩電路的設計與分析……………………………………………3</p><p>　　3．3．2 譯碼顯示電路的設計與分析……………………………………………4</p><p>　　3．3．3 計數(shù)電路的設計與分析…………………………………………………7</

6、p><p>　　4．電路的調(diào)試與分析………………………………………………………………………… 8</p><p>　　4．1 調(diào)試使用的儀器……………………………………………………………………8</p><p>　　4．2 電路的調(diào)試……………………………………………………………………… 8</p><p>　　5．總結(jié)………………………………

7、……………………………………………………… 9</p><p>　　5．1 設計體會………………………………………………………………………… 9</p><p>　　5．2 改進意見………………………………………………………………………… 9</p><p>　　附錄1元器件清單…………………………………………………………………………… 10</p>

8、<p>　　附錄2電路的仿真原理圖…………………………………………………………………… 11</p><p>　　附錄3 電路的原理圖………………………………………………………………………… 12</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………… </p><p><b>　　1 選題背景<

9、/b></p><p><b>　　1.1 設計要求</b></p><p>　　(a) 以半導體數(shù)碼管作為控制器的顯示器，它能自動地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符

10、號數(shù)列……如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p>　?。╞）打開電源時，控制器可自動清零，從接通電源時刻起，數(shù)碼管最先顯示出自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化。</p><p><b>　　1.2 指導思想</b></p><p>　　本設計將采用幾個基本的數(shù)字集成的74系列（74LS48,74LS153,555）芯片來完成所需要的

11、數(shù)字邏輯顯示功能（在七段數(shù)碼管上按規(guī)律顯示特定的數(shù)字）。本設計具有邏輯清晰、設計巧妙的特點，能很好的符合課程設計的要求。</p><p>　　每逢節(jié)日晚上都能看到街道旁都掛起五彩繽紛彩燈，給人一種節(jié)日的氣氛。然而，彩燈作為我們生活中的一部分，我們既要知道其然，還要知其之所以然。因此，我們有必要去研究彩燈的工作原理。</p><p><b>　　2 方案論證</b>&l

12、t;/p><p>　　2．1 方案說明</p><p>　　該設計的關(guān)鍵是對74LS153的輸入端的強制置數(shù)的處理，設計要求產(chǎn)生奇數(shù)，實際上就是將第一個74LS153的1C1強制置1；要求產(chǎn)生偶數(shù)，實際上就是把第一個74LS153的1C2強制置0；要求產(chǎn)生0-7的音樂符號，實際就是把第二個74LS153的2C3強制置0；也就是說產(chǎn)生十進制的的計數(shù)一直是不變的，它內(nèi)部的技術(shù)依然是0-9的計數(shù)

13、，我們只是在外部改變了它的輸出而已，因此我們這個方案采用一個最簡易的方案：一個74LS160一個74LS161和兩個 74LS153，一個555作脈沖產(chǎn)生之用，一片74LS48譯碼，一個七段數(shù)碼管作顯示。 </p><p>　　2.2 方案原理</p><p>　　首先，用一個555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生大約1HZ的脈沖，脈沖可以使74LS160正常工作循環(huán)產(chǎn)生0—9的十進制

14、數(shù)作為74LS153的輸入，用74LS161的低兩位輸出作為兩個74LS153的地址輸入控制其輸出。74LS160每循環(huán)0—9一次就會產(chǎn)生進位輸出為74LS161提供一個脈沖，使其計數(shù)一次，74LS161在此處做為一個四進制的計數(shù)器。在脈沖作用下，74LS161的低兩位循環(huán)產(chǎn)生00、01、10、11從而使74LS153輸出相應的十進制數(shù)再經(jīng)74LS48譯碼最終使數(shù)碼管按要求依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列）

15、，1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p>　　經(jīng)以上的論證我們可知，這個方案在理論上分析是完全可行的，經(jīng)我們仿真之后驗證，此方案是完全可行的。3 電路的設計與分析</p><p>　　3．1電路的總體設計</

16、p><p>　　由設計要求依次顯示自然數(shù)列1、2、3、4、5、6、7、8、9.奇數(shù)列1、3、5、7、9.偶數(shù)列0、2、4、6、8.音樂數(shù)列1、2、3、4、5、6、7、0、1.列出下列關(guān)系：</p><p>　　自然數(shù)列 奇數(shù)列 偶數(shù)列 音樂數(shù)列</p><p>　　00000001 0000 0000</p&

17、gt;<p>　　0001 0011 00100001</p><p>　　0010 0101 0100 0010 </p><p>　　0011 0111 0110 0011</p><p>　　0100 100

18、1 1000 0100</p><p>　　0101 0101</p><p>　　0110 0110</p><p>　　0111 0111<

19、/p><p>　　1000 0000</p><p>　　1001 0001</p><p>　　通過上面的數(shù)列可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：奇數(shù)列最末位都為1；偶數(shù)列最末位都為0,音樂數(shù)列的最高位都為0.因此該設計的關(guān)鍵是對74LS153的輸入端的強制置數(shù)

20、的處理，設計要求產(chǎn)生奇數(shù)，實際上就是將第一個74LS153的1C1強制置1；要求產(chǎn)生偶數(shù)，實際上就是把第一個74LS153的1C2強制置0；要求產(chǎn)生0-7的音樂符號，實際就是把第二個74LS153的2C3強制置0；也就是說產(chǎn)生十進制的的計數(shù)一直是不變的，它內(nèi)部的技術(shù)依然是0-9的計數(shù)，我們只是在外部改變了它的輸出而已。</p><p>　　用一個555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生大約1HZ的脈沖，脈沖可以使74LS160正

21、常工作循環(huán)產(chǎn)生0—9的十進制數(shù)作為74LS153的輸入，用74LS161的低兩位輸出作為兩個74LS153的地址輸入控制其輸出。74LS160每循環(huán)0—9一次就會產(chǎn)生進位輸出為74LS161提供一個脈沖，使其計數(shù)一次，74LS161在此處做為一個四進制的計數(shù)器。在脈沖作用下，74LS161的低兩位循環(huán)產(chǎn)生00、01、10、11從而使74LS153輸出相應的十進制數(shù)再經(jīng)74LS48譯碼最終使數(shù)碼管按要求依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5

22、、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p>　　3.2 電路的原理框圖</p><p>　　3．3元電路的設計與分析</p><p>　　3.3.1多諧震蕩電路的設計

23、與分析</p><p>　　555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 </p>

24、;<p>　　555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 </p><p>　　555 定時器的功能

25、主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的輸出

26、為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0電平。555定時器主要是與電阻電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容上的電壓以確定輸出電壓的高低和放電開關(guān)管的通斷，可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生電路。</p><p>　　時鐘信號的產(chǎn)生方式很多，本電路設計使用555定時器，555定種雙極型中規(guī)模集成電路，只要在外部配上幾個適當?shù)淖枞?。元件和適當?shù)碾娐愤B接，就可構(gòu)成多

27、諧振蕩器。該器件的電源電壓為4.5V---18V，驅(qū)動電流也較大，并能提供與ttl, MOS電路相兼容的邏輯電平。555定時器可以構(gòu)成多諧振蕩器。自激多諧振蕩器用于產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號圖3-1所示為自激多諧振蕩器電路和波形圖。。電路采用電阻、電容組成RC定時電路，用于設定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)RW或電容C，得到不同的時間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。</p><p>　　脈沖寬度計算公式：Tw≈0.7 (

28、R1+RW+R2) C </p><p>　　振蕩周期計算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C</p><p>　　經(jīng)過計算可知R1 為 720k ， R2為360 k。</p><p>　　3．3．2 譯碼顯示電路的設計與分析 </

29、p><p>　　數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光

30、二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就會被點亮。</p><p>　　該設計中選用的是七段數(shù)碼管如圖3-2所示，為共陰極的 ，用7448譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，當電路開始正常工作后在該數(shù)碼管上就會按設計要求依次顯示數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2

31、、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p>　　3-2 半導體數(shù)碼管</p><p>　　計數(shù)器用來產(chǎn)生十進制計數(shù)，其輸出端信號加到譯碼器輸入端，經(jīng)譯碼后可以在輸出端產(chǎn)生所需的控制信號。本電路計數(shù)器譯碼器采用74LS48，譯碼驅(qū)動電路如圖3-4。它們分別

32、為可預置4位二進制同步可逆計數(shù)器和八選一數(shù)據(jù)選擇器。電路的工作原理是不規(guī)則時鐘脈沖信號加到計數(shù)器74LS160的計數(shù)向上引腳，計數(shù)器控自然忘序遞增計數(shù)，其輸出端Qd,Qc,Qa,Qb按自然忘序遞增到1000時，由于清除和Qd相連接當Qd為1時計數(shù)器清等然后又重復遞增計數(shù)，不斷循環(huán)進行。而計數(shù)器的輸出瑞Qc,Qb,Qa接到74LS153的輸入端，在Qc，Qb，Qa的作用下價它們的每一種組合方式對應于輸出端的一個引腳狀態(tài).在任意時刻只有一個

33、端口為高電平其余喘口全為低電平.而且這種變化同樣是按照自然遞增的順序循環(huán)進行。根據(jù)這種結(jié)果，可以把每一路輸出用以控制半導體數(shù)碼管從而可以達到循環(huán)顯示數(shù)字的目的。7448七段顯示譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設有多個輔助控制端，以增強器件的功能。 7448的LRBI、BI/RBO,簡要說明如下： </p><p>　

34、　圖3-3 74IS48的引腳圖</p><p>　　圖 3-4 譯碼驅(qū)動電路</p><p>　　3．3．3 計數(shù)電路的設計與分析 該設計用到了74LS160和74LS161兩個計數(shù)器，其中74LS160用來產(chǎn)生0～9的十進制數(shù)作為數(shù)據(jù)選擇器的輸入，74LS161的輸出低兩位作為數(shù)據(jù)選擇器的地址選擇其實是將其作為了一個四進制的計數(shù)器，循環(huán)產(chǎn)生00、01、10、11進而控制了數(shù)

35、據(jù)選擇器的輸出，終使數(shù)碼管按要求產(chǎn)生循環(huán)數(shù)列。</p><p>　　下面是最74LS160的介紹：異步清零端/MR1 為低電平時，不管時鐘端CP信號狀態(tài)如何，都可以完成清零功能。 160的預置是同步的。當置入控制器/PE為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端Q0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致。對于54/74160，當CP由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)器控制端CEP、CET為高電平，則/PE應避免由低至高電平

36、的跳變，而54/74LS160無此種限制。 160的計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。 當CEP、CET均為高電平時，在CP上升沿作用下Q0-Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于54/74LS160的CEP、CET跳變與CP無關(guān)。 當計數(shù)溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0的高電平部分。對于74LS160，在CP出現(xiàn)前，即使CEP、CET、/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。

37、74LS160外部管腳圖 如圖3-5所示：</p><p>　　3-5 74LS160外部管腳圖</p><p>　　160外部管腳 引出端符號： TC            進位輸出端 CEP     

38、0;     計數(shù)控制端 Q0-Q3         輸出端 CET           計數(shù)控制端 CP         

39、   時鐘輸入端（上升沿有效） /MR         異步清除輸入端（低電平有效） /PE            同步并行輸入置數(shù)端（低電平有效） 74LS160內(nèi)部電路圖如圖3-6所示：

40、</p><p>　　3-6 74LS160內(nèi)部電路圖</p><p>　　4. 電路的調(diào)試與分析</p><p>　　4．1 調(diào)試使用的儀器</p><p>　　在電路的調(diào)試過成中用到的儀器：5V的直流電源、萬用表。</p><p><b>　　4．2 電路的調(diào)試</b></p>

41、<p>　　在電路的調(diào)試過程中出現(xiàn)了很多的問題,最開始接通電源后發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管只顯示“8”，不顯示其它數(shù)字。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)是譯碼顯示電路連接錯誤，誤把7448和數(shù)碼管間接入了1K的上拉電阻，應該在7448和數(shù)碼管間接入200歐姆的保護電阻。經(jīng)過修改數(shù)碼管可以顯示不同數(shù)字但是毫無規(guī)律,不符合設計要求。用萬用表檢測到有一根導線發(fā)生了短路，將其重新焊接后，數(shù)碼管只可以循環(huán)顯示自然數(shù)列0——9仍然不符合設計要求。用萬用表對電路進行檢

42、測，發(fā)現(xiàn)仍有一處短路，經(jīng)重新焊接后，接通電源后數(shù)碼管可以按要求依次循環(huán)顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復始，不斷循環(huán)。</p><p><b>　　5. 總結(jié)</b></p&g

43、t;<p><b>　　5．1 設計體會</b></p><p>　　通過該次課程設計，我感觸很深，以前的其他課程設計只是要求理論設計，而這次不僅要設計出原理圖還要做出實物。課題的選擇、方案的設計和修改、電路的仿真再到實物的制作，都是自己親自動手做的，尤其是實物的制作極大的提高了我的動手能力。</p><p>　　在焊接過程中稍不小心哪怕只焊錯一個引腳、

44、一根導線都會導致整個電路無法正常工作。首先要對電路進行合理的布局，元器件的放置不僅要考慮到美觀，還要考慮到要便于步線焊接。焊接時要膽大心細，因為一點點的疏忽都可能導致最后的失敗。</p><p>　　在這次課程設計過程中,我把理論知識運用到實踐中去,真正做到了理論與實踐相結(jié)合,加深了自己對課本知識的理解和認識。對原來理論中學到的一些常用器件進行了實際運用大大的激發(fā)了我對科研的興趣，讓我受益非淺。在這次課程設計過程

45、中我們是兩人一組的，加強了我的團隊精神。在后期的調(diào)試過程中遇到了很多困難，老師給予了極大的幫助，經(jīng)過自己的努力和他人的幫助設計的作品最終取得了成功。</p><p><b>　　5．2 改進提高</b></p><p>　　本設計具有邏輯清晰、設計巧妙的特點，能很好的符合課程設計的要求。但仍然存在著不足之處，自然數(shù)列與奇偶數(shù)列每個數(shù)字顯示的時間不同，相信隨著以后的學習

46、，定能設計出更好的方案。</p><p><b>　　附錄一 元器件清單</b></p><p>　　附錄二 電路的仿真原理圖</p><p>　　附錄三 電路的原理圖</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).5版.北