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制作循環(huán)彩燈實(shí)習(xí)報(bào)告

循環(huán)彩燈

制作循環(huán)彩燈實(shí)習(xí)報(bào)告

摘要：設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)彩燈控制電路，該電路實(shí)現(xiàn)了讓八個(gè)彩燈循環(huán)閃爍的功能，并且循環(huán)閃爍的時(shí)間為1秒。其中，閃爍時(shí)間由555定時(shí)器這樣的時(shí)鐘電路產(chǎn)生周期為1秒的脈沖所控制；彩燈的循環(huán)閃爍由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器接受定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖所控制；彩燈顯示功能由三線八線譯碼器實(shí)現(xiàn)，輸出分配數(shù)據(jù)直接控制燈的閃爍。用Multisim 10對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真可得到八個(gè)發(fā)光二極管循環(huán)閃爍的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：循環(huán)彩燈；555定時(shí)器；計(jì)數(shù)器；譯碼器；發(fā)光二極管

1.設(shè)計(jì)背景 ……………………………………………………………………2

1.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成………………………………………2

1.2掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成…………………………………………2

2.設(shè)計(jì)方案……………………………………………………………………2

2.1任務(wù)分析……………………………………………………………………2

2.2方案論證……………………………………………………………………3

3.方案實(shí)施 …………………………………………………………………3

3.1原理圖設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3

3.2電路仿真……………………………………………………………………7

3.3 PCB制作 …………………………………………………………………8

4.結(jié)果與結(jié)論…………………………………………………………………8

5.收獲與致謝………………………………………………………………9

6.參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………9

7.附件 …………………………………………………………………………9

7.1電路原理圖………………………………………………………………10

7.2 PCB布線圖 ………………………………………………………………11

7.3元器件清單……………………………………………………………11

1. 設(shè)計(jì)背景

1.1 了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成

用數(shù)字信號(hào)完成對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。數(shù)字電路包括數(shù)字脈沖電路和數(shù)字邏輯電路。前者研究脈沖的產(chǎn)生、變換和測量；后者對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計(jì)中，通過輸入電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)。在設(shè)計(jì)輸入電路時(shí)，必須首先了解輸入信號(hào)的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計(jì)合適的輸入接口電路。

1.2 掌握時(shí)鐘電路的作用及基本構(gòu)成

時(shí)鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個(gè)系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時(shí)鐘電路包括主時(shí)鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計(jì)中的基準(zhǔn)時(shí)間形成電路等都屬于時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時(shí)鐘的頻率，并注意與其他控制信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘脈沖。

2. 設(shè)計(jì)方案

2.1 任務(wù)分析

任務(wù)中要實(shí)現(xiàn)8個(gè)彩燈循環(huán)閃爍，可以通過譯碼器實(shí)現(xiàn)。要求又有1秒的時(shí)間控制，因此需要一個(gè)時(shí)鐘控制電路，555定時(shí)器可以產(chǎn)生；又要使八個(gè)彩燈依次閃爍且循環(huán)，故要用可逆計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)一個(gè)加法功能，才能保證實(shí)現(xiàn)要求。需要注意的是計(jì)數(shù)器輸入端怎樣接高低電平才能實(shí)現(xiàn)循環(huán)；使用譯碼器來進(jìn)行譯碼。

2.2 方案論證

根據(jù)任務(wù)要求，將整個(gè)設(shè)計(jì)化為三大電路：

一、時(shí)鐘電路。首先用555定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，與電阻和電容一起構(gòu)成周期為一秒的時(shí)鐘周期發(fā)生器，為電路提供時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一秒的脈沖，支持整個(gè)電路的工作。

二、驅(qū)動(dòng)電路。可以由74LS192N計(jì)數(shù)器和74LS138N三線八線譯碼器組成用以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管正常工作的電路，并且在時(shí)鐘電路的控制下讓八個(gè)發(fā)光二極管循環(huán)工作。

三、輸出電路。由八個(gè)發(fā)光二極管組成，在驅(qū)動(dòng)電路控制下循環(huán)工作。

3. 方案實(shí)施

3.1 原理圖設(shè)計(jì)

選擇合適的數(shù)字器件，應(yīng)用DXP或multisim軟件繪制各單元的邏輯電路圖。

1、時(shí)鐘電路

用555定時(shí)器設(shè)計(jì)的多諧振蕩器如圖1所示。

圖1 555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖發(fā)生器電路

用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖1所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。定時(shí)器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。下面圖2是多諧振蕩器的工作波形圖。

圖2 多諧振蕩器的工作波形圖

電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0v，所以555定時(shí)器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時(shí)，集電極輸出端（7腳）對(duì)地?cái)嚅_，電源Vcc對(duì)電容C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)一，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時(shí)間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)二的維持時(shí)間，即輸出Vo的負(fù)向脈沖寬度T2≈0.7R2C。

因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比Ｄ，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D≈1/2，即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。

2、驅(qū)動(dòng)電路

下面圖3是用SN74LS192N設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器控制電路。

圖3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的控制電路 74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，其工作原理是：74192上升沿觸發(fā)，由UP，DOWN兩管腳控制加減計(jì)數(shù)，有異步置數(shù)端LOAR和異步復(fù)位端CLR，BO’和CO’分別輸出高電平表示加進(jìn)位和減進(jìn)位。由于74192沒有保持腳，故需要外圍電路實(shí)現(xiàn)保持功能。因?yàn)?4192上升沿觸發(fā)，所以把UP，DOWN強(qiáng)制置低電平即可實(shí)現(xiàn)保持功能。

四個(gè)主從觸發(fā)器的輸出端，由兩計(jì)數(shù)(時(shí)鐘)輸入之一的“低”到“高”電平的過渡而被觸發(fā)。計(jì)數(shù)方向在其它計(jì)數(shù)輸入端為“高”時(shí)，由脈沖的計(jì)數(shù)輸入端所定。當(dāng)置數(shù)輸入為“低”時(shí)，把所希望的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)輸入端上，來把每個(gè)輸出端預(yù)置到兩電平之一。輸出將符合獨(dú)立于計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)據(jù)輸入的改變。清零輸入在加高電平時(shí)，迫使所有輸出端為低電平。清零功能獨(dú)立于計(jì)數(shù)輸入和置數(shù)輸入。清零、計(jì)數(shù)和置數(shù)等輸入端都是緩沖過的。借位和進(jìn)位兩輸出端可級(jí) 聯(lián)遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)兩功能。借位輸出在計(jì)數(shù)器下謚時(shí)，產(chǎn)生寬度等于遞減計(jì)數(shù)輸入的脈沖；同樣，進(jìn)位輸出在計(jì)數(shù)器上謚時(shí), 產(chǎn)生寬度等于遞加計(jì)數(shù)輸入的脈沖。

下面是驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)器件74LS138譯碼器所構(gòu)成的電路圖。

圖4 由74LS138譯碼器組成的部分驅(qū)動(dòng)電路

譯碼器可以將輸入代碼的狀態(tài)翻譯成相應(yīng)的輸出信號(hào)，以高、低電平的形式在各自的輸出端口送出，以表示其意愿。譯碼器有多個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端。假如輸入端個(gè)數(shù)為1個(gè)，每個(gè)輸出端只能有兩個(gè)狀態(tài)，則輸出端個(gè)數(shù)最多有2n個(gè)。常用譯碼器輸入、輸出端口數(shù)來稱呼譯碼器，如3線-8線譯碼器，4線-10線譯碼器等。74138就是一個(gè)三線-八線譯碼器。

74138有三個(gè)輸入端：OE1、OE2A、OE2B和八個(gè)輸出端Y0-Y7，當(dāng)三個(gè)輸入端的編碼為000時(shí)，譯碼器輸出Y0=0，而Y1-Y7=1。即Y0對(duì)應(yīng)于OE1、OE2A、OE2B為000狀態(tài)，低電平有效。A、B、C為使能控制端，起到控制譯碼器是否能進(jìn)行譯碼的作用。只有C輸入為高電平，A和B都為低電平時(shí)才能進(jìn)行譯碼，否則不論輸入為何值，輸出端均為1。

3、輸出電路

輸出電路有八個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)330Ω的保護(hù)電阻，驅(qū)動(dòng)電路傳輸?shù)氖堑碗娖讲艜?huì)導(dǎo)通所以八個(gè)二極管要反向放置，下面圖5是此設(shè)計(jì)的輸出電路圖。

圖5 八個(gè)發(fā)光二極管組成的輸出電路圖

3.2 電路仿真

在各單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用multisim軟件把各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的系統(tǒng)整體邏輯電路圖。系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。本設(shè)計(jì)的循環(huán)彩燈仿真電路圖如下。

圖6 循環(huán)彩燈的仿真電路圖

仿真結(jié)果是：八個(gè)發(fā)光二極管依次閃爍,經(jīng)過嚴(yán)密的時(shí)間測量，由于計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差每個(gè)彩燈閃爍的時(shí)間不正好是一秒鐘，有毫秒的誤差。

3.3 PCB制作

經(jīng)過仿真以后，在DXP軟件中新建電路原理圖在進(jìn)行編譯執(zhí)行后，對(duì)其進(jìn)行元件的封裝的選擇，選擇合理的封裝之后在進(jìn)行PCB布線。

1、 PCB板布線

在布線前要在DXP中完成對(duì)電路圖個(gè)元件的封裝。在封裝時(shí)要注意，因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)元件可能又有多種封裝方式。封裝時(shí)要根據(jù)所給元件的類型對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行封裝。

封裝完成后，把原理圖導(dǎo)入PCB板后，再對(duì)元件的位置重新手動(dòng)擺放，布線是要盡量減少交叉重疊的線。觀察元件的三視圖，以保證封裝是正確。

2、電路板制做

完成布線后，對(duì)PCB圖進(jìn)行打印輸出，然后再用制板機(jī)制板。制板時(shí)要盡量使線不要相連，以免制出的板不能使用。制板完成后，要對(duì)制好的板進(jìn)行鉆孔，打磨，直至板合格為止。

3、安裝與調(diào)試

按照打印好的電路圖，在PCB板上利用電烙鐵進(jìn)行各元件的焊接。焊接時(shí)要注意不能使焊盤焊接處與其他線相連。調(diào)試時(shí)可能得不出仿真時(shí)的結(jié)果，要結(jié)合各方面進(jìn)行考慮，電阻，電容，或者是電路的焊接問題。調(diào)試的時(shí)候以為安裝好就可以直接工作，結(jié)果彩燈未按預(yù)先估計(jì)那樣閃爍，經(jīng)過反復(fù)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)線路焊接有兩個(gè)點(diǎn)脫焊，修正后需要進(jìn)一步的檢查與調(diào)試。

4. 結(jié)果與結(jié)論

仿真結(jié)果和預(yù)期的一樣，八個(gè)燈依次循環(huán)閃爍。繼續(xù)制板安裝后進(jìn)行調(diào)試燈未亮，仔細(xì)檢查后是之前布線時(shí)的一根紅線脫焊，在進(jìn)行修正之后又調(diào)試了下燈仍然不亮，檢查后未發(fā)現(xiàn)焊接處的問題，可能是電阻或電容的參數(shù)設(shè)置有問題，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)試了下燈終于亮了，達(dá)到了八個(gè)彩燈依次循環(huán)閃爍的效果。

5. 收獲與致謝

通過這次實(shí)習(xí)我對(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生了濃厚的興趣，也有了新的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)它在實(shí)際中應(yīng)用的很廣泛，而且在實(shí)習(xí)中我對(duì)555定時(shí)器，74192,74138這些芯片有了更深一層的了解。但是實(shí)習(xí)過程中也遇到了不少的問題,尤其是一開始在電路圖的設(shè)計(jì)方面不知道如何下手，整個(gè)電路必須充分考慮到各個(gè)方面才能使電路設(shè)計(jì)完整，經(jīng)過老師的指導(dǎo)和查詢資料才最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。然后布線、制版分布元件，最后是焊接，經(jīng)過細(xì)心周密的設(shè)計(jì)后終于成功完成任務(wù)。

這次課程設(shè)計(jì)要特別感謝***老師、***老師、***老師的耐心輔導(dǎo)以及在設(shè)計(jì)中給出的寶貴建議和意見，在此我表示深深的感謝！

6. 參考文獻(xiàn)

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7. 附件

7.1 電路原理圖

電路原理圖如下圖7所示。

圖7 電路原理圖

7.2 PCB布線圖

PCB布線圖如下圖8所示。

圖8 PCB布線圖

7.3 元器件清單

本設(shè)計(jì)所用到的元件清單如表1所示。

表1 元器件清單

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