循环彩灯控制器课程设计.docx
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循环彩灯控制器课程设计
目录
1.摘要…………………………………………………………4
2.关键字………………………………………………………4
3.设计背景……………………………………………………4
3.1了解数字电路系统的定义及组成…………………4
3.2掌握时钟电路的作用及基本构成…………………4
4.设计方案的选择……………………………………………5
5.单元电路的设计……………………………………………6
5.1花型控制电路的设计………………………………6
5.2花型演示电路的设计……………………………10
5.3节拍控制电路的设计……………………………10
5.4时钟信号电路的设计……………………………11
6.总体电路图………………………………………………12
7.各个单元电路的输入输出波形…………………………12
8.电路调试…………………………………………………15
9.元器件清单………………………………………………16
10.分析与总结………………………………………………17
11.致谢………………………………………………………19
12.参考文献…………………………………………………19
13.指导教师评语……………………………………………20
循环彩灯控制器的设计
1.摘要
本次循环彩灯的设计制作由时钟信号CP电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路构成的集成电路来实现，其中花型控制电路由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），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。
2.关键字
循环彩灯、时钟信号CP电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路。
3.设计背景
3.1了解数字电路系统的定义及组成
数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。
输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。
比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。
模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。
在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。
3.2掌握时钟电路的作用及基本构成
时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。
时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。
比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。
设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。
4.设计方案的选择
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：
方案一：
总体电路共分三大块。
第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现时钟信号的产生。
主体框图如下：
方案二：
在方案一的基础上将整体电路分为四块。
第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。
并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。
主体框图如下：
根据所提供的实验器材各模块总体思路如下：
时钟信号CP电路：
参见高等教育出版社王淑银主编的《数字电路与逻辑设计》课本P404图10-3-6（a）;
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）；
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。
总体方案的选择
方案一与方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而设计的，方案二加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。
两种方案的基本思路相同，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。
由于在设计的构想时期，已经确定将电路模块化，设计的过程中又已经将节拍控制电路设计出来，通过仿真软件也实现了设计要求——分频。
方案二同时完成了选做的要求，只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂，为了确保短时间内完成课程设计和高效率，我选择了方案二。
5.单元电路的设计
5.1花型控制电路
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
我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1~16显示第一个花型，17~32显示第二个花型，33~64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,通过161的输出反馈来控制经过观察每16个CP低位片输出Q1—Q4变化比较频繁,根据变化的花型频率选用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的变化从而实现滑行的变化。
现将两片194分为低位片1和高位片2，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
QEQF
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
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
X
^L8
0
0
1
1
X
X
1
0
0
SL=^L8S1=QE.^QF
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
^L8
X
0
1
0
1
^L8
^L8
1
1
1
SR=^L8SL=^（QE.^QF）
194高位片
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
X
X
0
^L8
^L8
1
X
X
1
L4
XL4
SL=XSR=^QF.^L8+QF.L4
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
S1=0S0=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QE、QF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=QE.^QF
S1=0
S0=^S1
S0=1
SL=^L8
SL=X
SR=^L8
SR=QF.L4+^QF.^L8
电路图如下：
5.2花型演示电路
由二片161级联的模128（三种花型节拍每种显示两遍，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^QH清零。
当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为00000100所以将161高位片的Q2（即QG）信号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74的输出端Y。
电路图如下：
5.3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QG即当到达第64拍时QG为1接下来的65~128拍为变慢后的脉冲输出。
电路图如下:
5.4时钟信号电路
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取：
4.7μf0.01μf
电阻取：
150kΩ4.7kΩ
电路图如下：
6.总体电路图
注:
由于仿真画图时芯片复杂，CP产生电路产生用电源代替（已试验，可以等效）。
7.各个单元电路输入输出波形
1．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2.测试波形:
（列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即QA---QH）
花型一：
花型二：
花型三：
8.电路调试
用194去实现一个花型很简单，如果是三个分开也难，但是本次设计要同时实现三个花形，是通过151来选择吗？
是手动吗？
手动有些不切实际。
经过思考没有得到解决，只觉得161的计数器如果不去反馈控制194的变化，那么它的存在价值不大，接下来我看了一些参考书籍，大概有了自己的思路，于是开始设计，我用了<<数字系统设计——数字电路课程设计指南>>（北京邮电学院出版社高书莉编）所提供的前两种，第三种是我自己设计的。
所以刚开始的几天就一直在想怎样将三种花型衔接起来，但是书中介绍比较组略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接输入的。
还是在思考一下，如果给161和194的CP是同步的那么就每来一个上升沿161计数一次同时194的变化一次，每个花型需要的CP脉冲数是固定的，也就是说只要通过计数器的反馈就可以控制滑行之间的转换。
但是161的输出端有8个，具体怎么控制呢？
想不通的，就回归到数电中设计的基本思路，列出状态转移表，来找规律。
通过观察终于成功用两个161的输出端来反馈，这样电路就非常简单了，还能实现功能。
好不容易设计好了，却发现与非门和非门不够用，还有哪里可以化简呢？
对，194输出端反馈，两个片子串行输入端有时输入的是一样的，还可以进一步简化，着用就用了最少的与非门和非门实现。
由于已经设计好，便开始进行最近单元——CP脉冲产生电路。
因为书上有完好的电路图直接照着连就行。
可是问题并不是想的那么简单，因为我一开始操作就不知道怎样布线才合理，常出现看着电路图不知道这条线该走哪儿连过去，看过老师的示范电路板的布线后，自己也那样连线，尽量走直线。
连完时钟电路后，满以为会很成功，因为我的电路连得很简洁。
结果是加电后LED二极管居然常不亮，检查电路没什么问题，我开始不知所措，万用表电池还么有配备，因此无法检测哪里出错了，于是我把电路重新连了一遍。
布线特别的好，后来老师看到还说我做得好，可是连接电源，还是不行。
于是去咨询其他同学，她也有类似问题，换一个555就行了，于是我也换了55芯片，就好了。
可是第三天再加上电源又不对了，LED二极管居然常是常亮，检查电路没什么问题，而且好多同学都有和我一样的问题，有同学说那可能是线的而问题，也可能是板子的问题，也可能是电容的正负极插反了…不管是什么问题，一个个排除吧。
最终其实也没很确切的知道问题的所在，因为不同的方法都在试具体是哪个也不确定了。
我觉得最可能是电容的正负极和LED的插稳与否的问题。
于是我检测了电路测试了电位，都正确。
老师过来看时让我加电他看看，结果居然是我给的电压太高了，我在加电是不小心把电压调的太高了，自己还没意识到那个问题，幸好没把芯片烧坏。
在接下来的几天中似乎对电路着迷了，放学了也继续做，一个模块一个模块儿的实现，在电路组装过程中，看到遇到的最大问题是，芯片分布不够合理，无法很好的布线。
于是在分析了我的设计后计算了要用芯片的个数和个芯片之间的关系，按照各个控制电路的走向较合理的插好了芯片。
其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫，做到了我所见过的电路里最清晰和整齐的，对于检查和排错非常的方便。
唯一不足就是用线的颜色有点混乱，因为前后发的线的颜色不同，非我力所能及。
调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇了实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。
相对于别的办法，我选择了导线显示连通，因为其更明晰，更易实现。
对于高阻导线则只能换掉。
第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。
如：
时钟信号电路的信号是否正常产生，控制信号电路中的计数器能否正常计数，D触发器能否每2拍翻转一次，最后在整体上测试一遍。
在整个调试完成后，却遇到的新问题：
彩灯演示时有时正常有时混乱。
在排除其它可能的情况下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清“0”后悬空了。
将其插到电源正极后，发现问题解决了。
之所以我比别人先设计好，甚至我们班做相同设计的好多同学都是我讲解后设计的，我却比别人后完成，是因为我的面包板不好，不只一个芯片无法放置好，找很多个位置都不行，最后不得不等最先完成的同学拆了再重新连线和再次测验。
而发现这些问题就有些晚。
所以尽管最后一遍效率高，也是周五下午才完成，第二周一造成才去检查。
9.元器件清单
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。
10.分析与总结
从本次课程设计中我收获很多。
可以总结为以下的几点：
一．巩固数电知识
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。
我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。
而且还参考了数字电路实验指导书，关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。
二．学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；
虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。
这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。
实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。
在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。
一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。
所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。
三．理论联系实际
据老师介绍，这是大学里唯一一次比较大型的动手实践机会。
我当然不会错过。
课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。
这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。
理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。
有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。
比如在动笔做题时我们是不用考虑导线、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。
平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。
四．和同学共同合作、互相学习、共同进步
最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，们个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。
我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。
理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。
在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的idea，其他人的设计也可能有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。
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。
11.致谢
感觉在这段时间中自己学会了很多东西，如设计电路最重要的是思路要清晰，一旦有了自己的思路就应该有层次有条理的探索下去，只要坚持自己的观点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程却是通往另一条道路必不可少的环节。
经过这次试验，终于感觉到了理论与实际的差别有多大了，当然这个过程也是非常的考验人的，不仅仅是考察你的理论知识，动手能力，以及检查问题并解决问题的能力，更是在考验一个人的耐心，细心。
在连接电路的过程中，丝毫不得马虎，必须清楚的了解每个芯片的管脚分布图，功能表。
说实话，在实验过程中出现问题并不可怕，可怕的是在反复的受挫中没有革新，不能改进自己的方法和思路。
因此自己应该具有创新思维。
通过这次课程设计，我对电子技术中的诸多知识有了更深层次的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。
这是一次获益匪浅的实习。
12.参考文献
[1]<<数字电路逻辑设计>>----------------------------------高等教育出版社王毓银编
[2]<<数字系统设计——数字电路课程设计指南>>--------北京邮电学院出版社高书莉编
[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2005.
[4]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[5]邱关源罗先觉.电路（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[6]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2005.
[7]张阳天韩异凡ProtelDXP电路设计[M].北京：
高等教育出版社，2005
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
成绩评定
项目
权重
成绩
1、设计过程中出勤、学习态度等方面
2、课程设计质量与答辩
3、设计报告书写及图纸规范程度
总成绩
教研室审核意见：
教研室主任签字：
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教学院（系）审核意见：
主任签字：
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