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2018-5-8 05:00 上傳
《數字電子技術》 課程設計報告 題 目：燈光顯示電路的設計 專 業：10級 通信工程 班 級：通信一班 姓 名:高 指導教師：馮* 電氣工程系 任務書 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | - 三個彩燈紅、綠、黃循環顯示。彩燈顯示的狀態如下表所示。
2. 畫出電路原理圖。 3. 進行電路的仿真和調試。 |
摘要 燈光顯示電路是人們生活中必不可少的一個部分。有光明的地方，就有人類文明。數萬年前，人類就已經懂得使用自然之火來御寒、燒烤和照明。三千多年前，人類開始使用簡單燈具承載火燭，書寫文明史。從粗糙的石燈到青銅燈，陶瓷燈到電燈，燈具的歷史變遷打上了深刻的時代烙印，同時也是社會經濟和文化的縮影。 最初 LED 用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的 LED 在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以 12 英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的 140 瓦白熾燈作為光源。 燈光顯示電路在LED光方面有大量應用如汽車信號燈。而汽車信號燈也是 LED 光源應用的重要領域。 1987 年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于 LED 響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發生�！×硗�， LED 燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。 燈光顯示電路廣泛的應用于信號燈，在我們日常生活中起著重要的作用。 本文設計了一個燈光顯示電路，三個彩燈紅、綠、黃循環顯示，跟交通燈有異曲同工之妙，并且利用軟件對相應的電路進行仿真，仿真結果表明電路能夠很好的顯示燈光循環。 目錄 第一章 緒論 第二章 設計原理 第三章 電路設計 3.1 集成555定時器多諧振蕩器 3.2 74LS191計數器的運用 3.3 74LS191預置零設計 3.4 驅動電路 第四章 Multisim仿真 總結 參考文獻 答辯記錄及評分表 附錄 第一章 緒論 LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，LED燈晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。 最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。 對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔LED燈具圖片中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到得白光�，F在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單；成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。 LED特點為：①新型綠色環保光源：LED運用冷光源，眩光小，無輻射，使用中不產生有害物質。LED的工作電壓低，采用直流驅動方式，超低功耗（單管0.03~0.06W），電光功率轉換接近100%，在相同照明效果下比傳統光源節能80%以上。LED的環保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，沒有污染，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。②壽命長：LED為固體冷光源，環氧樹脂封裝，抗震動，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可達6萬~10萬小時，是傳統光源使用壽命的10倍以上。LED性能穩定，可在-30~+50oC環境下正常工作。 ③多變換：LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生256X256X256（即16777216）種顏色，形成不同光色的組合。LED組合的光色變化多端，可實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。 ④高新技術：與傳統光源的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品，成功地融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術和嵌入式控制技術等。傳統LED燈中使用的芯片尺寸為0.25mmX0.25nm，而照明用LED的尺寸一般都要在1.0mmX1.0mm以上。LED裸片成型的工作臺式結構、倒金字塔結構和倒裝芯片設計能夠改善其發光效率，從而發出更多的光。LED封裝設計方面的革新包括高傳導率金屬塊基底、倒裝芯片設計和裸盤澆鑄式引線框等，采用這些方法都能設計出高功率、低熱阻的器件，而且這些器件的照度比傳統LED產品的照度更大。 目前一個典型的高光通量LED器件能夠產生幾流明到數十流明的光通量，更新的設計可以在一個器件中集成更多的LED，或者在單個組裝件中安裝多個器件，從而使輸出的流明數相當于小型白熾燈。例如，一個高功率的12芯片單色LED器件能夠輸出200lm的光能量，所消耗的功率在10~15W之間。 第二章 設計原理 LED光源的應用非常靈活，可以做成點、線、面各種形式的輕薄短小產品；LED的控制極為方便，只要調整電流，就可以隨意調光；不同光色的組合變化多端，利用時序控制電路，更能達到豐富多彩的動態變化效果。LED已經被廣泛應用于各種照明設備中，如電池供電的閃光燈、微型聲控燈、安全照明燈、室外道路和室內樓梯照明燈以及建筑物與標記連續照明燈。 LED的出現，是LED從標識功能向照明功能跨出的實質性一步。白光LED最接近日光，更能較好地反映照射物體的真實顏色，所以從技術角度看， LED無疑是最尖端的技術。目前， LED已開始進入一些應用領域，應急燈、手電筒、閃光燈等產品相繼問世，但是由于價格十分昂貴，故而難以普及。LED普及的前提是價格下降，而價格下降必須在LED形成一定市場規模后才有可能，兩者的融合最終有賴于技術進步。 LED的出現打破了傳統光源的設計方法與思路，在這次的數點課程設計中，我們的題目是燈光顯示電路，這個題目跟LED燈有著很多的聯系，其中更是包含了很多數電的知識，比如芯片以及各種門電路的使用。 第三章 電路設計 電路原理圖如圖所示; 圖3.0原理圖 電路的設計一共包括了信號發生、計數器、燈光驅動等三部分。下面將一一介紹。 3.1集成555定時器多諧振蕩器 多諧振蕩器是能產生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩態，只有兩個暫穩態，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩態之間來回轉換。 555定時器如圖3.1所示： 
圖3.1 由555定時器構成的多諧振蕩器如圖3.2所示： 
圖3.2 如上圖所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發端（THR腳） 和低電平觸發端（TRI腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（DIS腳）接到R1，R2的連接處。 由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出Uo為高電平，放電管VT截止。這時，電源經R1，R2對電容C充電，使電壓Uc按指數規律上升,當Uc上升到（2/3）Vcc時，輸出Uo為低電平，放電管VT導通，把Uc從（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc這段時間內電路的狀態稱為第一暫穩態，其維持時間 的長短與電容的充電時間有關。 由于放電管VT導通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進人第二暫穩態.其維持時間 的長短與電容的放電時間有關，隨著C的放電，uc下降，當uc下降到（1/3）Vcc時，輸出uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容C充電，電路又翻轉到第一暫穩態。所以，接通電源后，電路就在兩個暫穩態之間來回翻轉，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/3～2/3）Vcc 之間變化。工作波形如下： 
圖3.3 充電時間常數T充=（R1＋R2）Cln=(R1+R2)Cln2. 放電時間常數T放＝Cln2×R2 所以電路的振蕩周期為 T=T充+T放=(R1+2R2)Cln2 振蕩頻率為 f== 3.2 74LS191計數器的運用 在數字系統中使用得最多的時序電路要算是計數器了。計數器不僅用于對時鐘脈沖計數，還可以用于分頻、定時、產生節拍脈沖和脈沖序列以及進行數字運算等。計數器的種類非常繁多。如果按計數器中的觸發器是否同時翻轉分類，可以將計數器分為同步式和異步式兩種。在同步計數器中，當時鐘脈沖輸入時觸發器的翻轉是同時發生的。而在異步計數器中，觸發器的翻轉是有先有后，不是同時發生的。如果按計數過程中計數器的數字增減分類，有可以將計數器分為加法計數器、減法計數器和可逆計數器（或稱為加/減法計數器）。隨著計數脈沖的不斷輸入而作遞增計數的稱為加法計數器，作遞減計數的稱為減法計數器，可增可減的稱為可逆計數器。如果按計數器中數字的編碼分類方式，還可以分成二進制計數器、二-十進制計數器、格雷碼計數器等。此外，有時也用計數器的計數容量來區分各種不同的計數器，如十進制計數器、六十進制計數器等。 本實驗用到的是同步十六進制加/減計數器74LS191，以下是它的邏輯圖。 圖3.4 引腳說明：MAX/MIN 進位輸出/錯位輸出端，CLOCK 時鐘輸入端（上升沿有效），EN G 計數控制端（低電平有效），A~D 并行數據輸入端，LOAD 異步并行置入控制端（低電平有效），QA～QD 輸出端，RC 行波時鐘輸出端（低電平有效），DOWN/UP 加/減計數方式控制端。 表3.1 同步十六進制加/減計數器74LS191功能表 下圖即利用同步十六進制加/減計數器74LS191接成同步八進制計數器。 圖3.5 采用置數法時可以從計數循環中的任何一個狀態置入適當的數值而跳躍N-M個狀態，得到M進制計數器。圖2.1中的接法是用Q3Q2Q1Q0=0111狀態譯碼產生LD’=0信號，下一個CLK信號到達時置入0000狀態，從而跳過1000~1111這八個狀態，得到八進制計數器。 3.3 74LS191預置零設計 74LS191是單時鐘同步十六進制加/減計數器，其功能表如下圖所示 表3.2 74LS191功能表
圖為74ls191接成8進制計數器， 圖3.6 但是,為了保證74ls191芯片的輸出時從000開始的，也就是三個LED燈的初始狀態時從全部熄滅開始的，我們將以上8進制計數器又進一步做了改進，如圖所示 圖3.7 如圖所示，在未加入脈沖信號之前，74LS191的QD端輸出的是低電平，經過U1A非門之后信號變為高電平，這是，高電平與V2的低電平共同通過U3A與門信號又轉變為低電平，后作用于74LS191的置數端，將QA,QB,QC置零，如此一來，LED信號燈就從全部熄滅開始工作。 3.4 驅動電路 圖3.8 所謂動態驅動實際就是分時點亮不同位置的數碼管，由于人眼的惰性，當數碼管熄滅的時間小于1/25秒=40ms時，給人們感覺是一直被點亮。 所以每位數碼管點亮時間T=40ms/數碼管位數；即T=40/4=10ms；即f=1000/10=100Hz;數碼管每段平均電流I由其上面的技術參數可知I=20mA；每位數碼管的平均電流 =每段的電流乘數碼管的段數； =20mA乘7段=140mA；R=（5-1.5-0.1）/20=0.17k(其中1.5為74139的電壓降，R實際電路中為0.17k，亮度要高時取0.1k)。因此設計時要考慮提供更高的驅動電流，才能滿足亮度的要求。由于LED顯示器是以LED為基礎的，所以它的光、電特性及極限參數意義大部分與發光二級管的相同。但由于LED顯示器內含多個發光二級管，所以需有如下特殊參數： 發光強度：由于數碼管各段在同樣的驅動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發光強度不同。所有段的發光強度值中最大值與最小值之比為發光強度比。比值可以在1.5~2.3間，最大不能超過2.5。 因此,R2~R7電阻值取200 。 第四章 Multisim仿真 運用multisim11仿真程序，電路原理圖如圖4.1所示 圖4.1 圖4.2脈沖信號 圖4.3初始狀態 圖4.4第一個脈沖來臨時 圖4.5第二個脈沖來臨時 圖4.6第三個脈沖信號來臨時 4.7第四個脈沖信號來臨時 圖4.8第七個脈沖信號來臨時 仿真中，我們使電平信號從最初000到最終的111，一次循環下去，即三個led燈的三個亮滅情況按二進制變換情況而變化。仿真結果分析驗證了我們組設計電路的正確性。 總結 緊張而有辛苦的課程設計結束。當我快要完成老師下達給我的任務的時候，我仿佛經過一次翻山越嶺，登上了高山之顛，頓感心曠神意，眼前豁然開朗。 課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。 說實話，課程設計真的有點累．然而，當我一著手清理自己的設計成果，漫漫回味這幾天的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消．雖然這是我剛學會走完的第一步，也是人生的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多，另我有了一中”春眠不知曉”的感悟。 通過課程設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細致．課程設計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂：導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提示自己，一定呀養成一種高度負責，認真對待的良好習慣．這次課程設計使我在工作作風上得到了一次難得的磨練。 短短三周是課程設計，使我發現了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應用所學的專業知識能力是如此的不足，幾年來的學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用．想到這里，我真的心急了，老師卻對我說，這說明課程設計確實使我你有收獲了．老師的親切鼓勵了我的信心，使我更加自信。 最后，我要感謝我的老師們，是您嚴厲批評喚醒了我，是您的敬業精神感動了我，是您的教誨啟發了我，是您的期望鼓勵了我，我感謝老師您今天又為我增添了一幅堅硬的翅膀．今天我為你們而驕傲，明天你們為我而自豪。
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