数电课程设计报告.docx

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数电课程设计报告

郑州科技学院

《数电电子技术》课程设计

题目流水灯设计与制作

学生姓名xxx

专业班级电科xx班

学号2010xxx

院（系）电气工程学院

指导教师xxxx

完成时间2013年3月9日

目录

前言1

1课程设计的目的与要求1

1.1设计要求1

1.2设计框图2

2设计方案及选择2

2.1基本要求设计方案2

2.2方案选择选择2

3设计原理及功能说明3

4单元电路的设计4

4.1555定时器介绍4

4.2自激多谐振荡器6

4.3十进制计数分频器CD40177

4.3CD4017介绍9

4.4LED介绍10

5电路板的组装与调试11

5.1组装电路及调试11

5.2可能问题的预设处理11

6.总结11

参考文献12

附录一:

原理图和仿真图13

附录二:

实物图14

附录三：

元器件清单15

前言

随着社会的不断发展，人民生活水平的提高，流水灯在现实生活中所起的作用越来越重要。

流水灯简易轻巧，外貌美观，能呈现多彩的颜色。

在现实生活中起到了广泛的应用。

在繁忙的交通路段，闪烁着的流水交通灯，提醒着人民要遵纪交通规则，在繁忙的大街上，闪烁的流水灯无不吸引过路人的眼球，甚至在自动门上都装有自动流水灯，告诉人们的时间和日期。

流水灯无处不在。

所以说多功能流水灯电路的设计可以使我们进一步了解流水灯，感受流水灯给我们生活带来的方便。

多功能流水灯的设计要求在预定的时间到来时，会产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等，彩灯流向可以随着电路的改变而改变，并具有自控、手控、流向控制功能等。

主要参考数字电路中计数器的原理。

NE555定时器的作用等相关知识在设计的过程中需要了解相关芯片（CD4017、NE555）的具体功能，引脚值、引脚图、真值表。

认真连接设计电路，由于最后流水灯的流向十分的清晰和稳定，所以所得的结果测试十分简洁并且很成功。

经过资料的查阅，小组的讨论，以及几种方案的比较，选定方案参考如下：

整个流水灯的电路由振荡电路、译码电路和光源电路组成，振荡电路的组成包括3个电容、一个电阻器和一个继电器及NE555定时器构成。

译码电路的组成包括芯片CD4017。

光源电路的组成包括若干电阻若干二极管。

1课程设计的目的与要求

1.1设计要求

（1）设计一个彩灯流水控制电路，使其能够产生一个控制信号控制彩灯实现灯

光变换的功能。

（2）该彩灯控制电路，在完成基本变化的基础上，可以实现彩灯的流向性、间歇性变化的要求，从而使彩灯更加丰富化。

（3）给彩灯流水控制电路一个控制信号，并能够使其通过利用组合电路实现自控、手控、流向控制等全方位功能。

（4）独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并初步掌握电子技术设计的方法和步骤。

1.2设计框图

（1）基本原理设计框图如下图所示

电源定时器十进制计数器/分频器光源电路

图1-1基本原理设计框图

（2）设计的多功能流水灯原理电路图如上图所示。

原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。

在设计电路时，本次选用的脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。

主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过电位器RP进行调节。

由于RP的阻值较大，所以有较大的速度调节范围。

灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。

（3）CD4017的cp端受脉冲发生器输出脉冲的控制，其输出端（Q0~Q9）将输入脉冲按输入顺序依次分配。

输出控制的脉冲，其输出控制脉冲的速度由脉冲发生器输出的脉冲频率决定。

电阻与CD4017的10个输出端Q0~Q9相连，当Q0~Q9依次输出控制脉冲时10个发光二极管按照接通回路的顺序依次发光，形成流动发光状态，即实现正向流水和逆向流水的功能。

2设计方案及选择

2.1基本要求设计方案

（1）设计一个多功能彩灯流水控制电路。

其主要部分实现定时功能，即在预定的时间到来时，将如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等。

（2）通过利用集成电路中计数器、译码器和定时器来实现正逆流水功能，并利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能

2.2方案选择选择

根据课程设计的要求：

用4017芯片设计一流水灯。

我的总体设计方案如下：

由于4017芯片本身是一十进制计数器（分配器），所以只需在CLK端口（15脚）接入一时钟信号且Q0至Q9端（1至7脚和9、10、11脚）接十只发光体就可得到一组流水灯。

其时钟信号可用时钟信号发生器产生，也可用简单的芯片和元件组合成一多谐振荡电路产生，发光体可用钠光灯、白炽灯、发光二极管等。

但从功耗高低、寿命长短、价格、环保等方面考虑，其时钟信号我采用由555定时器组成的多谐振荡器输出的周期性矩形波，发光体采用发光二极管（LED）。

4017芯片会以输入信号的高电平为1低电平为0组成以二进制数再转化成十进制数分配给Q0至Q9端，从而使各发光二极管依次发光，若输入信号不间断，发光二极管循环发光。

3设计原理及功能说明

流水灯由555组成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器电路组成。

当第一个脉冲到来时Q0输出高电平，LED1亮，第二个脉冲到来时，Q1输出高电平，LED2亮，…,直到Q9输出高电平，LED10亮，接着进行下一轮输出。

改变多谐振荡器的振荡周期就可以改变灯组的流动速度，改变电流的大小可改变灯光的亮暗程度，所以本次课程设计以4017芯片为前提设计的流水灯其速度和亮度都是可调的。

图3-1电路原理图

4单元电路的设计

4.1555定时器介绍

555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图4-1和图4-2。

图4-1555定时器的内部电路框图图4-2555逻辑符号和管脚排列

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。

C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接Vcc。

Vco是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

触发

阈值

复位

IS

放电端

输出

>

H

导通

L

H

原状态

×

H

截止

H

×

×

L

导通

L

图4-3555定时器控制功能表

VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生2/3Vcc和1/3Vcc。

复位后,基本RS触发器的

端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。

分析电路：

在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压2/3Vcc，比较器C2反相输入端接参考电压1/3Vcc，为了学习方便，我们规定：

当TH端的电压>2/3Vcc时，写为VTH=1，当TH端的电压<2/3Vcc时，写为VTH=0。

当

端的电压>1/3Vcc时，写为VTR=1，当端的电压<1/3Vcc时，写为VTR=0。

低触发：

当输入电压Vi2<1/3Vcc且Vi1<2/3Vcc时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端

=0、

=1，使，使Q＝1，

＝0，，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。

这时称555定时器“低触发”；

保持：

若Vi2>1/3Vcc，且Vi1<2/3Vcc，则VTR=1，VTH=0，

=0、

=1基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。

高触发：

若Vi1>2/3Vcc，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因

=0，使

＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。

这时称555定时器“高触发”.

555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。

根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

4.2自激多谐振荡器

图4-14-2所示为自激多谐振荡器电路和波形图。

自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。

电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。

调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

脉冲宽度计算公式：

Tw≈0.7（R1+RW+R2）C

振荡周期计算公式：

T≈0.7（R1+RW+2R2）C

图4-4自激多谐震荡电路图图4-5自激多谐振荡器电路波形

电容器C的充电电阻是R1+RW+R2，放电电阻是R2。

当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+RW+R2）充电，当充电至VC=VTH>2/3Vcc时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<1/3Vcc时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。

4.3十进制计数分频器CD4017

CD4017是5位Johnson计数器，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，计数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。

CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

CD4017采用标准的双列直插式脚塑封，它的引脚如下所示：

图4-64017引脚

1脚：

第5输出端

2脚：

第1输出端

3脚：

第0输出端，电路清零时，该端为高电平

4脚：

第2输出端

5脚：

第6输出端

6脚：

第7输出端

7脚：

第3输出端

8脚：

电源负极

9脚：

第8输出端

10脚：

第4输出端

11脚：

第9输出端

12脚：

级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲时，就可以得到一个计数器的时钟信号

13脚：

时钟输入端，脉冲输入端，脉冲下降沿有效

14脚：

时钟输入端，脉冲上升沿有效

15脚：

清零输入端，在该管脚加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中，各计数单元输出低电平“0”，在译码器中，只有对应“0”状态的输出端3脚为高电平

16脚：

电源正极，可以使用3～18V直流电源供电

输入

输出

CP

INH

CR

Q0~Q9

CO

H

Q0

计数脉冲为

Q0~Q4时：

CO=H

L

L

计数

H

L

L

L

保持

计数脉冲为

Q5~Q9时：

CO=L

H

L

L

L

图4-7CD4017的逻辑功能表

4.3CD4017介绍

数字电路CD4017是十进制计数／分频器，它的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Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

图4-8CD4017十进制计数器内部电路图

CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端～Q5-9。

每输入10个计数脉冲，～Q5-9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（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Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。

CP0和～CPl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～CPl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电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。

CD4017有两个时钟端CP和EN，若用时钟脉冲的上沿计数，则信号从CP端输入；若用下降沿计数，则信号从EN端输入。

设置两个时钟端是为了级联方便。

图4-9CD4017时序波形图

4.4LED介绍

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

体积小：

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

耗电量低：

LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作电流是0.02-0.03A。

这就是说：

它消耗的电不超过0.1W。

使用寿命长：

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

高亮度、低热量：

比HID或白炽灯更少的热辐射。

环保：

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

红光LED含有大量的As（砷），剧毒

坚固耐用：

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

可控性强：

可以实现各种颜色的变化。

5电路板的组装与调试

5.1组装电路及调试

（1）检查电路设计的原理图即导线的链接，并确定导线的链接与电路原理图一致。

（2）检查导线的链接，并检查导线是否断路，根据电路原理图，用数字万用表打到合适的档位，测试各导线对应的按点是否导通。

（3）检查试验仪器和器材是否完好，电源5V直流电压输出正常。

发光二极管全部可以正常发光，电阻和电容全部正常，电位器可以正常调节。

芯片CD4017和定位器NE555工作正常。

当接通电源，流水灯可以正常顺畅的流动。

5.2可能问题的预设处理

（1）若流水灯没有正常流动，首先检查电路板是否有虚焊或短路，检查之后重新测试；若仍有问题，检查原件是否有错误焊接，并进行修正。

（2）若流水灯只有部分闪烁，使用万用表检查没有闪烁，LED灯管是否正确安装或是毁坏，如果反接则重新连接如果毁坏则替换灯管，检查相关电路连接部分的焊接以及所连接电阻是否存在问题。

（3）若只有一个灯光被点亮且不闪烁，检查NE555相连电解电容是否反接或毁坏，反接则调换引脚，毁坏则更换电容；若不是电容问题，考虑是否为NE555的连接上存在问题或NE555本身出现问题，若是连接上的问题进行调整，若是元件问题向老师索要新元件进行替换。

（4）若通电时电路板出现冒烟或元件爆裂，及时切断电源连接，检查电路板状况，检查出现问题的原因看是否可以继续使用。

6总结

此课题主要考察了对数字电路部分知识的理解和应用，理论结合实践，使得对以前学习的数字电路有了进一步的认识和学习，为以后的学习打下了坚实的基础，并且对本专业产生了浓厚的兴趣。

通过这次课设，锻炼了我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题的能力。

这次课设在老师的指导下以及我们全组人员的共同努力下，顺利地完成，这次课设，虽然只有1周时间，但就在这1周时间里，不仅提高了我们个人的动手能力，更培养了我们团队精神，让我们在独立思考解决问题的同时，又相互配合，以致顺利完成课程设计。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

本设计主要运用编码、译码和555定时器完成的多功能流水灯。

但由于时间的不够充分和本人理论知识的单薄，这次设计的电路并不完善，对于自动控制方面设计的还不够完美。

但是，通过这次试验，和同组同学的交流与讨论，不仅提高了自己的理论知识基础，还锻炼了自己的动手能力。

在课程设计中，通过和同组同学的共同努力，排除了实验过程中的诸多困难，最终成功的完成了课题的设计。

在体会到设计电路艰辛的同时，更能体会到成功的喜悦和快乐。

参考文献

1.韩广兴.电子原器件与实现电路基础.北京：

电子工业出版社.2005年.

2.王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路　第三版）.高等教育出版社.1999

3.高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002

4.孙人杰.电路数据手册TTL电路.电子工业出版社.1989

5.康华光主编.电子技术基础（模拟部分第五版）.高等教育出版社,1999.6

6.康华光主编.电子技术基础（数字部分第五版）.高等教育出版社,2005.7

7.孙余凯等编著.电子元件检测.选用.代换手册.电子工业出版社，2007.5

附录一:

原理图和仿真图

原理图

仿真图

附录二:

实物图

附录三：

元器件清单

序号

元件类型

标识符

数量

1

2U2/16V

C1

1

2

10K

R2

1

3

47K

R3

1

4

56

R1

1

5

100

R4

1

6

103

C2

1

7

220U/16V

C3

1

8

555

U1

1