闪光色子.docx
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闪光色子
郑州科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目闪光色子
学生姓名杨鑫洁
专业班级自动化1班
学号201042155
院（系）电气工程学院
指导教师赵明冬
完成时间2013年3月22日
目录
前言1
1课程设计的目的1
2课程设计的任务与要求1
3设计方案2
4设计原理及功能说明4
5单元电路的设计5
5.1555定时器的应用5
5.1CD4017的应用12
6硬件的制作与调试14
6.1电路元器件的检测14
6.2电路制作步骤15
6.3电路调试16
7总结16
参考文献17
附录一：
总体电路原理图18
附录二：
总体电路实物图19
附录三：
元器件清单20
前言
色子是娱乐游戏的一种道具，可以用它来随机地选取1~6的数。
本电路设计一个电色子电路，该电路由电色子的电路结构决定。
电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成，其中计数器是整个电路的核心部分，而译码器在电路中没有采用原有的译码器，而用门电路来实现，是为了让电路更简单。
1课程设计的目的
（1）巩固加深对模拟电子技术基础的理解，提高综合运用所学知识的能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
（2）通过查找资料、选方案、设计电路、写报告等环节的训练，熟悉设计过程、步骤。
为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。
（3）设计模拟和数字电子混合电路，实现特定功能。
学习这一技能，积累这方面的经验。
2课程设计的任务与要求
（1）当将开关闭合的时候，电子色子随机变化，从1~6，每隔0。
5秒左右变化一次。
（2）在变化过程中，1的相邻变化状态不能是6，2的相邻变化状态不能是5，3的相邻的变化状态不能是4。
（3）当开关断开后，继续工作5秒左右停止变化。
（4）提醒，用状态机实现。
不允许用编程实现。
3设计方案
色子只处理从1~6的数字，但是根据色子点数的形状需要配置7个LED。
通过其中某几个LED发光，表现色子的点数。
图3-1表示LED发光的位置。
图3-1 电色子的LED发光组合
7个LED的位置分别用a～g字母表示。
7个LED发光的所有组合形式计算起来非常多。
这里仅把其中发光组合相同的LED进行分组，表2-1是其分组的情况。
从这个结构看出可以分成4个组。
从图2-2可以看出如果色子的3，4，5，6点数发光必须要有a和g这两个LED。
图3-2 LED的发光组合
从图3-2可以看出，实际上需要利用数字电路中常说的“译码器电路”来实现数字的选择。
确定了基本功能之后，接下来就可以考虑采用怎样的电路来实现这些功能，图2-3是根据功能画出框图的考虑方法。
图3-3 基本功能框图
图3-4是基于基本功能所画出的电路原理框图。
图3-4 电色子的结构框图
计数器的计数动作（计算数字）由输入时钟来决定。
就是说，给计数器输入时钟的时间相当于色子摇动的时间。
摁下开关相当于摇动色子的动作，在时钟的作用下启动计数器，只有在时钟控制电路的输出为“1”时计数器的输出才发生变化。
此时色子开始滚动；在经过计数器的输出作用下利用译码器使LED发光，这就是需要设计译码器电路。
图3-4就是根据以上考虑所得出的框图，基于这个框图来设计实际电路。
开关闭合期间，LED随时钟输入脉冲显示数字，松开开关一定时间后，LED随机表示色子的某1个点数。
4设计原理及功能说明
通过555延时器的输出端控制555震荡电路，信号的发生部分一共用了两个555集成电路。
将输出的脉冲一个作为JK触发器的同步时钟脉冲部分，两个方波发生器加在A、B这两个控制端，将这个时序逻辑部分的输出接入到数码显示管，使它显示1~6的数字，且满足电子设计的功能要求。
5单元电路的设计
5.1555定时器的应用
通过555延时器的输出端控制555震荡电路，信号的发生部分一共用了四个555集成电路。
将输出的脉冲一个作为JK触发器的同步时钟脉冲部分，另外两个加在A、B这两个控制端，将这个时序逻辑部分的输出接入到数码显示管，使它显示1~6的数字，且满足电子设计的功能要求。
（1）555延时器的设计及参数计算
图5-1555延时器
延时时间t=5s，即1.1RC=5s，令C=100nF，求得R1=45。
4MΩ
（2）555振荡电路及其参数计算
图5-2555定时器的内部结构
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。
其中6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。
2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。
3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。
7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。
4脚为复位端（R），叫上低电平（<0。
3V）时可使输出端为低电平。
5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。
8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端：
阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。
它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q端。
放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：
反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。
这个特殊的R-S触发器有两个特点：
（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：
置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。
（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压是，对TH（R）端来讲，>2/3VCC是高电平1，<2/3VCC是低电平0；而对TR（S）端来讲，>1/3VCC是高电平1，<1/3VCC是低电平0。
如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
图5-3555震荡电路
参数计算：
1/T=1.44/（R1+2R2）C=2S
令C=100uF令R1=1KΩ，解得R2=3.1KΩ
图5-4设计的仿真图
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
X
010
001
001
010
X
001
001
01
X
011
010
011
011
X
011
001
11
X
101
110
110
101
X
110
110
10
X
100
101
100
100
X
100
100
图5-5真值表
图5-5是根据设计中对电子色子的功能要求而画出的状态表，其中A、B是我们加入的状态控制的脉冲信号，用以控制其次态的显示。
由于有两种状态是不符合条件的（0和7），为此我们设计它的自启动，在设计自启动时又要考虑它的化简，通过尝试的以下状态表：
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
1
0
1
1
0
1
1
1
01
1
1
0
1
1
1
1
0
11
1
1
0
0
1
1
0
0
10
1
0
1
0
0
0
0
1
图5-6Q1的卡诺图化简
Q1=Q3’（BQ2’+A’B’Q2）+Q3（A’BQ2+BQ2+A’Q1+B’Q2’Q1’）
根据JK触发器的特征方程得：
J1=BQ2’+A’B’Q2
K1’=BQ2+A’Q1+B’Q2’Q1’
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
1
1
0
0
1
1
0
0
01
1
1
1
1
1
1
1
1
11
0
0
1
1
0
0
1
1
10
0
0
0
0
0
0
0
0
图5-6Q2的卡诺图化简
Q2=A’Q3’Q2’+BQ3’Q2+A’Q3Q2+BQ3Q2’=Q2’（A’Q3’+BQ3）+Q2（BQ3’+A’Q3）
得到JK触发器的特征方程：
J2=A’Q3’+BQ3K2’=BQ3’+A’Q3
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
0
0
0
0
0
0
0
0
01
0
0
0
0
0
0
0
0
11
1
1
1
1
1
1
1
1
10
1
1
1
1
1
1
1
1
图5-7Q3的卡诺图化简
Q3=A
得其特征方程为：
J3=AK3=A’
以上化简比较复杂，容易产生错误，这里化简是为了作比较，以上化简结果是最简的形式。
以上化简所对应的电路图如下：
图5-8电路图
在我们做这次设计中选用了逻辑转换器来代替化简，只要将真值表输入其中即可自动化简出结果，本设计采用此种化简。
图5-9逻辑转换器
图5-10逻辑转换图内部
其中A、B、C、D、E分别对应我们定义的ABQ3Q2Q1，只需在问号上输入对应状态的真值表即可。
5.1CD4017的应用
CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
CR为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
图5-11CD4017LogicDiagram逻辑图
cd4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0～Q9;MR为清零端，CP0和～cp1是2个时钟输入端，三个输出端的控制。
0Y1Y2Y。
每个译码输出一般处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端都为低电平"0"进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输入（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CP1是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CP1端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高。
CD4017引脚功能：
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。
CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：
（1）频率输入脚：
CLOCK（Pin14），为频率信号的输入脚。
（2）数据输出脚：
Q1-Q9（Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11），为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。
CARRYOUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，C、OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。
（3）控制脚：
CLEAR（Pin15）：
清除脚或称复位（Reset）脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。
CLOCKENABLE（Pin13），时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。
6硬件的制作与调试
6.1电路元器件的检测
电阻、电容、发光二极管、三极管的检测。
电阻：
主要识读其标称值，并用万用表检测其实际值。
电容：
识别判断其正负极性，并用万用表检测质量的好坏。
发光二极管：
识别判断其正负极性，并用万用表检测其正反向电阻进行质量检测。
三极管：
识别其类型与三极管引脚的排列，并用万用表检测。
（1）内容扩展场效应晶体管。
（2）认识驻极体话筒正负极性与外壳相连端为接地端，另一端为漏极D。
6.2电路制作步骤
（1）按电路原理图完成电路元器件的布局。
（2）按工艺要求对元器件的引脚加工成型。
（3）按布局图在实验电路板上依次进行元件的排列、插装。
（4）按焊接工艺要求对元器件进行焊接，直至所有的元器件焊接完毕。
（5）焊接电源输入或输出端子。
电烙铁使用方法：
使用电烙铁时，首先检查焊头，焊头若出现黑色的氧化物就先磨掉。
上锡的具体方法是：
插上电源插头，将电烙铁烧热，待刚刚熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂再烙铁头上，是烙铁头均匀地涂上一层锡。
焊接时将引脚对应好焊接电路板的焊接位置上，接着先将焊丝接触然后电烙头从下至上的较快速的上锡。
焊接出来的焊点应该饱满，略有尖头。
导线焊接：
导线焊接前要出去末端绝缘层。
导线焊接，搪锡是关键步骤，尤其多股导线。
注意导线挂锡时要边上锡边旋转，旋转方向与拧合方向要一致；焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子加住管脚帮忙散热；焊点应呈正弦波峰形状，表面应光亮圆滑，无焊刺，锡量适中；焊接完成后，再对照电路图检查一遍接线有无错误，若有及时更正，没有的话就可加电压测试了。
加上电压后，若正常工作且符合设计要求和目的，则电路设计成功，否则继续调试找出问题所在，修正错误直至达到正常工作且符合设计要求和目的。
6.3电路调试
（1）发光二极管不亮发光二极管的极性是否接错电路是否有未连通之处，引脚排列是否有错驻极体话筒是否有效。
（2）发光二极管亮但不闪烁电阻是否有偏小的可能偶合电容C是否已击穿。
7总结
通过本次的课程设计让我更加深刻理解模拟电路的相关知识，巧妙地把这门课程应用到现实生活中，在本次课设中，让我感觉了，自己所学知识的溃乏，验证了古人说的“书到用时方恨少”这句话，所以我们要反复的学习学过的知识。
通过课程设计，锻炼了我们的动手能力。
还体现了同学们之间的团队精神，每个人都参与进来，让我们感受到了课设的乐趣，在欢乐中我们学到了很多的知识。
我们认为，在这次课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，我们通过查找大量的资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考，动手操作的能力，在各种其它的能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验上，我们学会了很多的学习方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
面临社会的挑战，只有不断的学习，实践、再学习、再实践。
再次感谢老师们提供的帮助和指导！
参考文献
[1]欧伟明瞿随春。
电子信息系统设计。
西安电子科技大学出版社。
2005
[2]浣喜明姚为正。
电力电子技术。
高等教育出版社。
2007
[3]康华光邹寿彬。
电子技术基础。
高等教育出版社。
2002
[4]路松行。
电工与电子技术。
西安电子科技大学出版社。
2004
[5]胡烨姚鹏陈明。
Protel99SE原理图与PCB设计教程。
机械工业出版社。
2009
附录一：
总体电路原理图
附录二：
总体电路实物图
附录三：
元器件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
电阻
4.7k
1
2
电阻
1m
1
3
电阻
10k
1
4
电容
1uf
1
5
电容
100uf
1
6
三极管
9014
2
7
发光二极管
黄色
7
8
555定时器
黑色
1
9
计数器
Cd4017
1
升级会员 