《数字电路》课设彩灯循环控制电路设计.docx
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《数字电路》课设彩灯循环控制电路设计
《数字电子技术课程设计》报告
——彩灯循环控制电路设计
摘要
本次电路设计利用555定时器、计数器等设计LED彩灯控制电路。
通过按键实现如下循环特性：
当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮：
即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮、后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果），并设计成同步电路模式。
用555定时器设计的多谐振荡器来提供时序脉冲，其优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号。
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。
之后脉冲信号输入到计数器，同时将计数器输出端QC、QB、QA接到译码器的输入端，当译码器输出电平为低电平时，与其相连接的LED会变亮。
LED采用共阳极连接，并串上500Ω的电阻。
电路由按键SPST_NC_SB控制，使彩灯进入到不同的循环模式。
电路图连接好后，经Multisim软件调试测试，电路可以实现设计要求，即实现从题中要求的交叉循环显示和音乐序列的循环显示。
整体电路采用同步电路模式，采用TTL集成电路，电压Vcc均为5V。
运用了所学的555定时器、译码器、计数器与逻辑门电路等相应的电路器件，提高了对于数字电子技术这门专业基础课的认识与理解，在实践中发现不足，努力改正，提高了我自学、创新等能力，同时我们也掌握了相应设计电子电路的能力，有利于今后对于专业课程的学习。
关键词：
555定时器计数器译码器彩灯循环控制
目录
引言1
1．课程设计目的2
2．课程设计要求2
3．电路组成框图3
4．元器件清单4
5．各功能块电路图4
5.1脉冲信号发生器4
5.1.1555定时器4
5.1.2多谐振荡器6
5.2顺序脉冲发生器8
5.3彩灯循环系统11
6．仿真电路总图13
7．结果分析14
8．总结14
参考书目15
附录16
引言
数字电子技术实验是一门重要的实践性技术基础课程，开设本课程的目的在于使学生理论联系实际，在老师的指导下完成大纲规定的实验任务。
开发我们分析问题或解决问题的能力，培养严谨的工作作风，实事求是的科学态度，刻苦钻研、勇于探索和创新的开拓精神以及遵守纪律、团结协作和爱护公物的优良品质。
近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。
在设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目。
使电路简捷。
而且能提高电路的可靠性，降低成本。
因此用集成电路来实现更多更复杂的器件躬耕则成为必然。
现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中。
绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现彩灯控制器主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。
流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮的灯的组合，流水灯控制是可编程控制器的一个应用，其控制思想在工业控制技术领域也同样适用。
流水灯控制可用多种方法实现，如单片机I/O口控制，双向位移寄存器控制，计数器循环控制等，本次选用计数器和译码器做控制电路，其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成，再通过三线八线译码器输出给发光二极管，实现了所需要的功能。
1．课程设计目的
1）巩固和加强《数字电子技术基础》课程的理论知识；
2）掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程；
3）掌握电子电路安装和调试及故障排除方法，学会用Multisim软件对进行电路仿真操作；
4）通过查阅手册和文献资料，提升独立分析问题和解决问题的能力；
5）培养创新能力和创新思维。
2．课程设计要求
1）提出设计方案；要根据指导教师布置的课题，学会找参考书籍、查阅手册、图表和文献资料等。
通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法；
2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法；
3）学习电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）工具Multisim并设计电路图，功能仿真；
4）掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力，能在教师指导下，完成课程任务。
按任务要求，设计电路，计算参数，选择元器件。
根据所设计的电路和所选择的元器件制板，焊接安装电路，并按照调试步骤进行调试。
逐步排除故障最终达到设计要求；
5）撰写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸及心得体会了解与课题有关的电子线路以及元器件工程技术规范。
6）培养严肃认真的工作作风和科学态度。
通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观念、工程观念和全局观点；
7）利用555定时器、计数器等设计LED彩灯控制电路。
要求有原理电路、EDA仿真和实际电路；
8）彩灯循环控制的功能要求为：
通过按键实现如下循环特性，当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮，即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果）；
9）要求设计成同步电路模式；
10）参考器件：
该电路可由555定时器、同步4位二进制计数器74HCl61，3线-8线译码器／分配器74HC138等组成。
也可由学生自行选择器件。
3．电路组成框图
图1基本电路框架原理图
4．元器件清单
型号
名称
数量
555定时器（LM555CM）
脉冲信号发生器
1
74LS161D
16进制加法计数器
1
74LS138N
3线—8线译码器
2
74LS08D
四2输入与门
2
LED
发光二极管
8
SPST_NC_SB
按键
1
电容
2（1μF、10nF）
电阻
3（500Ω、442kΩ、500kΩ）
表1元器件清单一览表
5．各功能块电路图
5.1脉冲信号发生器
5.1.1555定时器
555定时器是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。
C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO悬空时，
VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。
如果VCO外接固定电压，图2555定时器逻辑符号
则VR1=VCO，VR2=1/2VCO。
RD是置零输入端。
只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使RD处于高电平。
图2中的数码1—8为器件引脚的编号。
555定时器是一种中规模集成电路，如图3所示，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。
图3555定时器内部结构图
（A）电路组成
555集成定时器由五个部分组成:
1）基本RS触发器：
由两个“与非”门组成
2）比较器：
C1、C2是两个电压比较器
3）分压器：
阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。
4）晶体管开卷和输出缓冲器：
晶体管VT构成开关，其状态受
端控制。
输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
（B）基本功能
当
时，
，输出电压
为低电平，VT饱和导通。
当
时，
时，
时，C1输出低电平，C2输出高电平，
，Q＝0，
，
饱和导通。
当
、
、
时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此
、VT也保持原来状态不变。
当
、
、
时，C1输出高电平，C2输出低电平，
，Q＝1，
，VT截止。
输入
输出
阈值输入（vI1）
触发输入（vI2）
触发输入（vI2）
输出（
）
放电管T
×
×
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变
不变
表2555定时器逻辑功能表
5.1.2多谐振荡器
产生信号脉冲的方法很多，这里选用的是多谐振荡器。
它可以在接通电源后产生一定频率和一定幅值的矩形波，用作脉冲信号源。
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路行式，用555定时器组成的多谐振荡器振荡频率手电源电压和温度变化的影响很小，使产生的波形更稳定，所以我们选用555定时器组成多谐振荡器。
其内部结构如图4所示：
图4多谐振荡器内部结构图
接通电源后，电容C1被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时555定时器内部的放电三极管T导通，此时电容C1通过R2和三极管放电，Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平。
电容C1放电所需时间为
T2=R2*C1*ln2≈0.7R2*C1
当放电结束是，T截止，Vcc通过R1、R2及电容C1充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需时间，即为电容C1充电所需时间为
T1=（R1+R2）*C1*ln2≈0.7（R1+R2）*C1
当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
T=（R1+2R2）*C1*ln2≈0.7（R1+2R2）*C1
其工作波形如图5所示：
图5多谐振荡器工作波形
电容C2取10nF，将电源Vcc中杂质成分滤除，起到抗干扰作用。
考虑到彩灯循环点亮的时间要求，故设计出多谐振荡器的振荡周期为1s，即振荡频率为1Hz。
由于T=（R1+2R2）*C1*ln2≈0.7（R1+2R2）*C1=1s，取C1=1μF，可得R1+2R2=1442kΩ，取R1=442kΩ，R2=500kΩ。
占空比q=（R1+R2）/（R1+2R2）≈0.65，将各原件按照电路图所示与555定时器相连接，即得到所需多谐振荡器，从而产生脉冲信号。
5.2顺序脉冲发生器
在设计中需要系统按照事先规定的顺序进行一系列的操作。
这就要求统的控制部分能给出一组在时间上有一定先后顺序的脉冲信号，再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号。
顺序脉冲发生器就是用来产生这样一组顺序脉冲的电路。
本题采用计数器和译码器组合成顺序脉冲发生器，其电路图如图6所示。
所示电路是用4位同步二进制计数器74LS161和3线－8线译码器74LS138构成顺序脉冲发生器电路。
图中以74LS161的低3位输出QC、QB、QA作为74LS138的3位输入信号。
由74LS161的功能表可知，为使电路工作在计数状态，LOAD、CLR、ENP和ENT均应接高电平。
由于它的低3位触发器是按八进制计数器连接的，所以在连接输入CLK信号的情况下，QCQBQA的状态将按000一直到111的顺序反复循环，并在译码器输出端依次输出Y0’至Y7’的顺序脉冲。
图6顺序脉冲发生电路
按照题目要求，通过按键实现如下循环特性，当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮，即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果）。
可知，当按键没有按下时，74LS138（U2）工作，此时，74LS138（U
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