多路彩灯数字逻辑课程设计报告.docx
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多路彩灯数字逻辑课程设计报告
数字逻辑课程设计报告
——多路彩灯控制器
学院名称
:
电子工程学院
学生姓名
:
专业名称
:
班级
:
实习时间
:
2012年6月4日——2012年6月15日
多路彩灯控制器的设计
一、课程设计题目(与实习目的)
(一)、题目:
多路彩灯控制器
(二)、实习目的:
1.进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用,并掌握其工作原理,进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计的基本思想和方法,学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5.锻炼动手能力,排错能力。
二、任务和要求
实现彩灯控制的方法很多,如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等,都可以组成大型彩灯控制系统。
因为本次实习要求设计的彩灯路数较少,且花型变换较为简单,故采用移位寄存器型彩灯控制电路。
(1)彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器,基本要求:
1.8路彩灯能演示三种花型(花型自拟);
2.彩灯用发光二极管LED模拟;
选做:
实现快慢两种节拍的变换。
(2)课程设计的总体要求
1.设计电路实现题目要求;
2.电路在功能相当的情况下设计越简单越好;
3.注意布线,要直角连接,选最短路径,不要相互交叉;
4.注意用电安全,所加电压不能太高,以免烧坏芯片和面包板。
三总体方案的设计
整体电路分为四个模块,第一个模块时钟信号的产生;第二个模块实现节拍控制;第三个模块实现花型的控制;第四个模块实现实现花型的演示。
这种方案将整个设计电路的功能模块化,设计思想比较简单。
元件种类使用少,且都较熟悉易于组装电路。
这么设计的出发点是:
电路设计模块化,易于检查电路,对后面的电路组装及电路调试都很方便,花型控制电路简单,花型也比较简单。
主体框图如下:
时钟信号CP电路:
用555芯片产生CP脉冲。
节拍控制电路:
节拍变化由151八选一数据选择器完成,节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成,它可实现二分频。
花型控制电路:
由1614位二进制同步计数器完成;
花型演示电路:
由195双向移位寄存器完成(可左移右移完成花型变化);
四单元电路的设计
1.设计所使用的元件及工具:
74LS161(四位二进制同步计数器)----------------------------2个;
74LS194(移位寄存器)-----------------------------------2个;
74LS151(八选一数据选择器)--------------------------------1个;
74LS74(双D触发器)---------------------------------------1个;
74LS00(四二输入与非门)----------------------------------1个;
74LS04(六非门)-------------------------------------------1个;
发光二极管---------------------------------------------------8个;
555-----------------------------------------------------1个;
电容:
4.7μf----------------------------------------------1个;
0.01μf-----------------------------------------------1个;
电阻:
150kΩ---------------------------------------------------------------------1个;
100Ω----------------------------------------------4个;
4.7kΩ------------------------------------------------1个;
实验板一块;万用表一个;钳子一个;导线若干。
2.各个单元电路
(1)时钟信号电路
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
4.7μf10nf
电阻取:
150kΩ4.7kΩ
电路图如右:
(2)节拍控制电路
由一片151和一片74级联实现。
整体上实现脉冲频率的变换,即交替产生快慢节拍。
令74的Vcc,CLR,PR都接高电平,将^Q的输出接到D端,Q端的输出接到151的D1端。
令151的B,C,G’,GND接低电平,Vcc接高电平,D0接时钟信号的CP脉冲,A端接由花型控制电路的QG输出。
所以Y端的输出就为:
Y=CP·^A+Q·A
(Q是74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能,记录上一个状态,所以在每一个CP脉冲的上升沿,Q输出为上一次的记录(即一个脉冲)。
也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。
所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。
A端接的是161的高位片的QF即当到达第32拍时QF为1接下来的33~64拍为变慢后的脉冲输出。
电路图如右:
(3)花型控制信号电路
由二片161级联的模64(三种花型每种显示一遍,再总体重复一遍的总节拍数)计数器。
161的级联用的是同步,并用^QG清零。
当三种花型全新显示一遍后(总共32拍)161的输出变为00000100所以将161高位片的信号QF输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。
161的CP脉冲来自节拍控制电路中151的输出端Y。
电路图如下:
(4)花型演示电路
由二片移位寄存器194实现。
其八个输出信号端连接八个发光二极管,用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。
而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出控制(它们由同一个CP脉冲控制)。
三种花型变换样式
花型1:
8路灯分两半。
从左至右渐亮,全亮后,再分两半从左至右渐灭。
循环两次;
花型2:
从中间到两边对称地逐次渐亮,全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。
循环两次;
花型3:
从左至右顺次渐亮。
全亮后逆序渐灭。
循环两次。
移存器输出状态编码表
节拍序号
花型1
花型2
花型3
1
00000000
00000000
00000000
2
10001000
00011000
10000000
3
11001100
00111100
11000000
4
11101110
01111110
11100000
5
11111111
11111111
11110000
6
01110111
11100111
11111000
7
00110011
11000011
11111100
8
00010001
10000001
11111110
9
11111111
10
01111111
11
00111111
12
00011111
13
00001111
14
00000111
15
00000011
16
00000001
这3种花型在每种频率下各显示一遍,三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为32,即1~8显示第一个花型,9~16显示第二个花型,17~31显示第三个花型。
要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变,将两片194分为低位片和高位片,再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。
列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下:
(用^Li表示Li的取非)
花型
低位片
节拍控制信号
SL
SR
S1
S0
SL
SR
S1
S0
QDQE
1
X
^L8
0
1
X
^L8
0
1
00
2
^L8
X
1
0
X
^L8
0
1
10
3
X
^L8
0
1
X
L4
0
1
01
X
^L8
0
1
x
L4
0
1
11
列出卡诺图分析
194低位片
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
^L8
0
0
1
1
X
X
1
0
0
SL=^L8S1=D^E
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
X
0
1
0
1
^L8
^L8
1
1
1
SR=^L8S0=^(D^E)
194高位片
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
X
0
0
0
1
X
X
1
0
0
SL=XS1=0
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
^L8
0
1
1
1
L4
L4
1
1
1
SR=^L8^E+L4ES0=1
由上图分析可以得到控制194高、低位片的左移右移变化控制端S1、S0以及串行输入端的由161的输出端QD、QE和本身输出端L4和^L8控制。
用去QA—QH表示161从低位到高位的个输出端。
控制结果表达式如下:
194低位片
194高位片
S1=D^E
S1=0
S0=^S1
S0=1
SL=^L8
SL=X
SR=^L8
SR=^L8^E+L4E
电路图如下:
五总体电路图
六电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法。
刚开始数电实习的时候,我就确定了先设计电路再用软件仿真再搭电路的思路。
在设计电路时,我先确定了总体框图,555的CP脉冲电路,74,151的分频电路相对容易,很快就设计好了,难就难在161和194的关系处理上,怎么用161控制194的花型转换,怎么用194连续显示3种花型呢?
接着我想到161的功能就是计数,它可以通过计数来控制花型的转换,而194是移位寄存器,通过控制它的SL,SR,S0,S1,就可以进行花型的显示,而卡诺图化简就可以找出161和194的关系,理清思路后,我很快就完成了设计。
确定好思路后就分模块实现,周二和周三都在进行电路的仿真,刚开始用的是mulitisim仿真软件,但是一直有问题,不是灯不亮就是花型是乱的,我就在想出现这种问题的原因只有三个:
1.原理是错的
2.在搭线过程中出现了错误
3.mulitisim仿真软件对数电模拟存在误差,即使原理和搭线正确但仍然不能正常显示结果。
对于这三种可能性,我仔细检查了原理没有错误,然后检查了电路也没有错误,我就怀疑是mulitisim出错了,后来换了proteus软件进行仿真,结果正确。
我就在想可能是因为mulitisim软件多用于模拟电路的仿真,它对于数字电路的仿真可能不准确,而proteus是专门针对数字电路设计的软件,所以结果准确,通过这次实习,我熟练地掌握了这两种软件的用法,收获很大。
仿真正确后,周四我就开始用面包板搭电路了,再搭电路前,我用万用表测了面包板的正负极是否连通,在确保它是连通的后才正式搭电路,由于设计和仿真都是自己一步步扎扎实实地走的,所以搭电路只用了一下午就完成了,周五就进行了测验,加上电后,我分模块对电路进行了测试。
1.测试脉冲产生模块。
在555定时器的3脚插上了一个LED灯后,发现灯不亮,我就怀疑是不是点没加进去,检查后发现,我把电源负极和地分开了,没有把它们接在一起,这就相当于电路没连通,在用导线把它们连接好后再加电,LED灯正常闪亮,我又在151的Y输出端接上了一个LED灯,正常闪亮,说明脉冲产生电路是正常的。
2.测试节拍控制模块。
我先把A接0,发现Y输出接的LED灯和CP输出端接的灯闪亮是同步的,即还没有分频,再把A接高电平,这时现Y输出接的LED灯和CP输出端接的灯闪亮便不是同步的了,即实现了分频,分频电路正确。
3.测试花型控制电路和花型演示电路。
我在两片161的输出端都接上了LED灯,观察它计数是否正确,再在两片194的输出端接上LED灯,观察其分频前的花型和分频后的花型是否正确。
在加电后,观察到161可以正常计数,且194的花型显示也是正确的,但就是在161计数到32后没有进行分频,在分频模块功能正常的前提下,出现这种情况的原因只有一种,那就是A的高电平没有返回给151,所以对于151来说在A是0时,输出的就是CP,所以没有分频,我用万用表测了151的A引脚和161的F输出,发现是正常连通的,但是加电后还是不能分频,既然不是接触不良,那问题会出在哪呢?
这引起了我的思考,会不会是F脚的输出逻辑电平达不到1,因为我在F脚接了一个LED灯,会产生压降,虽然灯可以亮,但它的逻辑值却是0,那么把F脚的这个灯拔掉这一问题会不会就解决掉了呢?
在拔掉灯后,我惊喜地发现在161计数到32后,可以实现分频了!
至此,测试完满结束。
七分析和总结。
本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完,一天设计,两天半仿真,半天测试,因为在设计之前根据设计的要求,每个模块都仔细的设计分析了,扎扎实实一步步实现,才有这么高的效率。
而且从本次课程设计中收获很多。
可以总结为以下的几点:
(一)灵活运用数电知识
这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识,在整个实习过程中,都离不开对数字电路课程知识的再学习。
151,194,161,555各个芯片的功能,真值表都熟悉了一遍。
巩固了数电知识。
在刚开始设计花型时,由于我对194芯片的SR,SL控制不是很清楚,所以就在这块打住了,后来认真查书,找到控制它们的规律后,完成了194显示花型的设计,也完成了161对194的控制。
(二)掌握了Mlitisim和Proteus的用法
刚开始进行仿真时,连芯片都找不到,在自己的摸索下,渐渐熟悉了Mlitisim软件的用法,但由于仿真结果不正确,又换用Proteus软件进行仿真,又从头再来,学会了Proteus软件的用法。
这对后来搭电路打下了良好的基础,因为如果不能保证仿真结果是正确的,就不能搭电路了。
(三)锻炼了分析问题的能力和排错能力
在拿到这个题目时,我首先进行了分析,它要实现什么功能,分哪几个模块,各个模块又由哪些芯片构成,这些芯片该怎么用,各个模块之间又有什么联系。
在分析好这些后,再进一步地完善设计内容,从整体到部分,分而治之是核心。
设计好方案后,进行仿真时,又出现了错误,我认真列举出可能的情况,一一分析,排除,最后找出问题,解决问题。
在测试电路时,又不可避免地出现了各种错误,但是把问题具体化,大化小,最后还是可以找出问题,并解决问题的。
只要有足够的耐心和细心,思路清晰,就会很轻松地解决问题。
通过这次实习,我的逻辑思维能力得到了很好的锻炼,分析问题和解决问题的能力也得到了提升,排错能力也比以前好了。
(四)锻炼了动手能力
学数电的时候,我不会想着怎么布线,怎么放置芯片,使整体布局更合理,更美观,但实际搭电路的时候就得考虑这些问题,由于资源有限,怎么接可以更节约导线,用更少的芯片,这都得仔细设计,设计得好的话,有利于以后检查电路,也方便别人看。
如果没有这次实习,我可能还会犯一些很简单的错误,如不知道把负极和地接在一起,但是,时间出真知,通过自己动手实践,我牢牢地记住了这个知识点,也丰富了自己在搭电路方面的经验。
总结
本次试验中包括CP的产生电路用的555芯片,基本电路我用了7个芯片(一片555、两片161、两片194、一片00、一片04),分频电路用74和151实现,一共用了9个芯片。
是目前我想出的用最少的器件,最简单的布线来实现所要求的功能。
从电路图的设计、实现、仿真、实验报告,都是自己思考和动手。
掌握了ModelSim和Proteus软件的操作,用所学习过的芯片设计电路,并用面包板来实现,实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。
总而言之,好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会,努力按要求完成了任务,提高了自己的综合思考能力和动手实践能。
西安邮电大学数字逻辑课程设计过程考核及成绩鉴定表
学生姓名
班级/学号
承担任务实验室(单位)
电路与电子技术基础教学部
所在部门
电子工程学院
实施时间
2012年6月4日—2012年6月15日
课程设计过程
要求
优
良
中
及格
不及格
电路功能
花型种类
移动方向
移动速度
其它
电路质量
电路运行稳定
元件布局合理
连线简洁
回答问题
分析问题、解决问题能力
电路原理清楚,能抓住重点
设计报告
设计思路清晰、图表齐全、各部分电路说明正确。
学习态度
□认真□一般□差
学习纪律
□好□一般□差
实习综合成绩
□优秀□良好□中等□及格□不及格
指导教师签名
年月日