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
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