数电设计.docx
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数电设计
河南理工大学
电气工程与自动化学院
数字电子课程设计
七
彩
循
环
灯
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气09-7班
姓名：
杨小立
学号：
310908010724
指导老师：
王晓丹
时间：
2011.6
目录
引言1
第一章设计要求和总体思路1
1.1设计目的1
1.2设计要求1
1.2.1整流滤波电路1
1.2.2时钟信号发生电路1
1.2.3循环灯灯色控制电路:
1
1.2.4负载电路1
1.3设计思路2
1.3.1方案选择2
1.3.2系统框图2
第二章设计原理2
2.1单相桥式全波整流电路原理2
2.2555定时器工作原理及其应用4
2.2.1555定时器4
2.2.2555定时器的应用—多谐振荡器4
2.3集成四位二进制计数器74LS161工作原理5
第三章模块设计及仿真7
3.1整流滤波电路与仿真7
3.2时钟信号发生电路与仿真8
3.3循环灯灯色控制电路与仿真9
3.4负载电路9
第四章总体设计及其仿真10
4.1总体设计电路10
4.2仿真电路图及仿真结果11
第五章设计心得与体会12
参考文献13
附录元件清单14
引言
目前，许多户外商业广告、公益广告、节日彩灯等大多采用循环灯控制形式。
它们通过巧妙构思与创作，可以做到广告、彩灯等作品色彩鲜艳，富有创意，变化形式丰富，起着宣传和美化环境的作用，营造文明亮丽氛围。
第一章设计要求和总体思路
1.1设计目的
1.了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。
2.熟悉七彩循环灯控制器工作原理、电路的组成。
3.熟悉集成电路555定时器、74LS161计数器、整流、滤波电路的的组成、工作原理、特点及用途。
4.掌握多谐振荡器、触发器、计数器等的工作原理、使用方法、特点及用途。
5.学会使用仿真软件进行电路辅助设计。
1.2设计要求
七彩循环灯是根据三基色原理，以红、绿、蓝三种基色组成一个可变色彩单元。
将三种基色灯装入磨砂玻璃罩内，通过灯罩的混色作用（混色原理是：
红色+绿色=黄色，蓝色+红色=紫色，绿色+蓝色=青色，红色+蓝色+绿色=白色）对外循环显示七种颜色，即红、蓝、绿、紫、青、黄、白。
1.2.1整流滤波电路
当输入为220V、频率为50Hz的正弦交流信号时，经过整流滤波电路后输出电压为：
5V。
供下级集成电路的应用。
1.2.2时钟信号发生电路
采用555定时器和阻容元件构成多谐振荡器产生时钟信号，作为后续的计数器电路的时钟信号。
1.2.3循环灯灯色控制电路:
灯光每隔0.1s―10s自动变换一种颜色，用同步加法计数器经与非门对七彩循环灯变色进行循环控制，从而具备实现七彩循环灯功能。
1.2.4负载电路
通过同步加法计数器输出的信号经电阻分别加到蓝、绿、红三个发光二极管上。
要求控制器能长年通电使用，性能可靠。
集成电路采用CMOS系列或TTL系列。
1.3设计思路
1.3.1方案选择
方案总体组成分为四个部分，如下图图1.3.1所示。
1.3.2系统框图
图1.3.1系统框图
第二章设计原理
2.1单相桥式全波整流电路原理
如图2.1.1所示，是一个单相桥式全波整流电路，图2.1.2是其工作时的波形图。
当u处在正半周时，Va>Vb，二极管D1、D3导通，D2、D4截止在负载电阻RL上得到正弦波的正半周。
。
在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。
输出平均电压为：
流过负载的平均电流为：
交流电压经整流电路后输出的是脉动直流，因此可以由交流得到直流稳压电源，为后续电路提供直流工作电压和电流。
图2.1.1单相桥式全波整流电路
图2.1.2工作波形
2.2555定时器工作原理及其应用
2.2.1555定时器
555定时器的功能主要由两个比较器决定，如图2..2.1所示。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
表2.2.1为555定时器的功能表。
表2.2.1555定时器功能表
图2..2.1555定时器内部结构
2.2.2555定时器的应用—多谐振荡器
（a）555定时器组成的多谐振荡器逻辑图（b）工作波形
图2.2.2555定时器组成的多谐振荡器
555定时器组成的多谐振荡器的电路图如图2.2.2所示。
如接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡振荡周期为
为低电平时间，
为高电平时间。
所以输出高电平时间：
输出低电平时间：
矩形波的振荡周期为：
所以该矩形波的振荡频率为：
输出方波的占空比为：
2.3集成四位二进制计数器74LS161工作原理
（a）（b）
图2.3.174LS161引脚图
如图2.3.1所示为集成二进制计数器74LS161的引脚图，74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。
就图2.3.1（b）而言，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0，D1，D2，D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端。
74LS161的功能表如表2.3.1所示，以下是74LS161的几个功能。
表2.3.174LS161功能表
图2.3.274LS161时序图
（1）异步清零功能
当CR＝0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。
（2）同步并行预置数功能
在CR＝1的条件下，当LD＝0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D3，D2，D1，D0输入端的数据将分别被Q3～Q0所接收。
由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。
（3）保持功能
在CR=LD＝1的条件下，当T＝P＝0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。
（4）同步二进制计数功能
当CR＝LD＝P＝T＝1时，74LS161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路将从1111状态返回到0000状态，状态表见表2。
（5）进位输出C
当计数控制端T＝1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。
下图为74LS161的时序图。
第三章模块设计及仿真
3.1整流滤波电路与仿真
当输入为220V、频率为50Hz的正弦交流信号时，经过整流滤波电路后输出电压为：
5V。
变压器选择：
输出直流电压U0=0.9U2,故U2=12/0.9=13.33V，故变压器副绕线组的电压有效值为13.33V，由此可选择变压器。
整流二极管D1-D4参数选择:
考虑到电网电压波动约10%，故Udr=1.1*1.1414*U2=20.7V，Ur=1.5*Udr=31.05V,故选择1N4001（1A,50V）作为电路的整流管可满足要求。
图3.1.1为整流滤波电路电路图。
经整流电路后：
经Proteus仿真可得一路输出电压为5V，为芯片74LS161、555定时器供电，满足要求。
仿真结果如图3.1.2所示。
图3.1.1整流滤波电路
图3.1.2仿真结果
3.2时钟信号发生电路与仿真
图3.2.1时钟信号发生电路
图3.2.2仿真结果
3.3循环灯灯色控制电路与仿真
使用74LS161的置数端LD来实现计数。
计数器实现的循环为0001到0111，用LD端设计的电路图如图3.3.1所示，图中VCC为直流5V电源。
当计数器从0001开始计数，到0111时，通过与非门对LD端输入一个低电平，从而使计数器重新从0001开始计数。
图3.3.1循环灯灯色控制电路
3.4负载电路
当CP端输入一个时钟脉冲时，其Q1输出高电平，D7受触发导通，LED-BLUE通电发出蓝光；当第二个时钟脉冲到来时，Q2端输出高电平，D8受触发导通，LED-GREEN通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，Q1、Q2端同时输出高电平，D7、D8均触发导通，LED-BLUE、LED-GREEN同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变青色；依次类推，Q1、Q2、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7种色光来。
当第八个时钟脉冲到来时，Q1、Q2、Q3端均输出低电平，LED-BLUE、LED-GREEN、LED-RED全部点亮片刻；同时Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使其内部电路复位；第九个时钟脉冲送入时，循环上述过程，由此即形成了七彩灯的循环。
图3.4.1为负载电路，图3.4.2为负载电路仿真结果。
图3.4.1负载电路图3.3.3图3.4.2仿真结果
第四章总体设计及其仿真
4.1总体设计电路
图4.1.1总体电路图
4.2仿真电路图及仿真结果
图4.2.1仿真电路图
图4.2.2仿真结果
第五章设计心得与体会
作为一名电气专业的学生，对于电路的学习仅仅停留在老师上课讲和课后复习书本的阶段。
但对于实际电路的操作当然是少之又少，更别说进行电气工程方面的设计了。
这次的课程设计很好的说明了我自身还存在许多问题，学习中还有许多亟待提高的地方。
同时这次课程设计很好的锻炼了我的动手实践能力和解决实际问题的能力。
在此过程中我明白了实际问题要比理论中的复杂得多。
刚开始选择时，我觉得题目比较容易，而且电路图实现起来比较简单。
但是当我真正开始时却发现完全不是那么回事，在画图的时候我不仅须要考虑到电路图是否可以实现这个功能，还要考虑到电路图的结构和布局的简洁性和合理性，否则出错的几率会大大增加。
接下来是选择元器件，元器件的种类有很多，不同的元器件的用途和实现功能不一样，这就要求我要熟悉所选的元器件的属性功能以及应用限制，这对我又是一大挑战。
因为书本上所讲的元件都是过去的元件，但是科技一直在不停的进步，尤其是数码电子产品。
芯片也在不停地更新，要了解每个芯片功能是很困难的。
电路几经周折成功之后，仿真又成了我的拦路虎。
因为之前没有学过仿真，也没有接触过，所以第一次用很不习惯，我用的是Proteus仿真，由于里面的元器件很多，而且是英文标注，所以在选的时候要不停的查询有的元器件该选哪一个，以及怎么选才合适，尤其是示波器的使用，我转了几个弯才弄明白过来。
经历了一次又一次的失败，最后终于成功了，我欣喜若狂，这时才深深地舒了一口气。
仿真这个过程对我来说真是困难重重，最终我还是成功了。
在这次艰辛的设计中我收获颇多，感触颇深。
首先，对于一个实际问题，要首先找到突破口，只有找到了突破口，下面的工作才能继续，沿着这个突破口一步一步进行线面的工作。
其次，要找到一个最合理和最简洁的方法。
方法的简洁程度直接决定了我们工作量的大小，一个好的方法和思路会节省我们许多资源和时间。
这就要求我们在平时的学习中要广泛涉猎，触类旁通。
再次，在细节处理中，必须要认真、要有耐心，要对电路的多方面进行思考，还要善于发现电路的不足，通盘考虑还要兼顾细节，俗话说“细节决定成败”，也许电路中某个不显眼的细节会导致整个电路的失败。
最后，在电路的仿真中对于元器件的选取和参数的设定也颇有讲究，一旦参数不合适它是不会出现结果的，比如在负载电路中和发光二极管串联的电阻阻值需要合适如果太大发光二极管是不会亮的。
在仿真中还有就是对万用表、示波器的灵活运用，这会让仿真省不少力。
同时也能让我们看到电路的预期效果。
总之，这次课程设计让我认识到实际问题是源于课本，但高于课本的。
同时让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展，让我认识到怎么把理论知识上升到实际运用中去。
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，这是我最深的体会，我以后一定会更加留意实际问题，并与课本知识相结合，把理论与实践结合起来。
参考文献
1.清华大学电子学教研组编，阎石主编：
数字电子技术基础（第四版）.北京：
高等教育出版社，1998
2.华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编：
电子技术基础数字部分（第五版）.北京：
高等教育出版社，2006
3.艾永乐付子义主编：
数字电子技术基础.北京：
中国电力出版社，2010
4.范文兵主编：
数字电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2007
5.朱清慧主编：
Proteus教程电子线路设计、制版与仿真.北京：
清华大学出版社，2008
6.周润景,张丽娜,刘印群主编：
PROTEUS入门实用教程.北京：
机械工业出版社，2007
附录元件清单
元件名称
型号
参数
个数
电源
—
220V50HzAC
1
变压器
TRAN-2P2S
—
1
二极管
1N4001
—
4
LED
LED-BLUE
—
1
LED-GREEN
—
1
LED-RED
—
1
电阻
R1
1k
1
R2
2.86k
1
R3
5.71k
1
R4-R6
0.5k
3
电容
C1
1uF
1
C2
10uF
1
C3
100nF
1
电感
L1
1H
1
稳压管
1N4733A
—
1
555定时器
555
—
1
同步计数器
74LS161
—
1
与非门
4023
—
1
升级会员 