（一）、題目：多路彩燈控制器

（二）、實習目的：

1．進一步掌握數字電路課程所學的理論知識。

2．熟悉幾種常用集成數字芯片的功能和應用，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。

3．了解數字系統設計的基本思想和方法，學會科學分析和解決問題。

4．培養認真嚴謹的工作作風和實事求是的工作態度。

5．數點課程實驗是大學中為我們提供的唯一一次動手實踐的機會，增強動手實踐的能力。

實現彩燈控制的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機、單片機等，都可以組成大型彩燈控制系統。因為本次實習要求設計的彩燈路數較少，且花型變換較為簡單，故采用移位寄存器型彩燈控制電路。

（1）彩燈控制器設計要求

設計一個8路移存型彩燈控制器，基本要求：

1. 8路彩燈能演示三種花型（花型自擬）；

2. 彩燈用發光二極管LED模擬；

選做：實現快慢兩種節拍的變換。

（2）課程設計的總體要求

1．設計電路實現題目要求；

2．電路在功能相當的情況下設計越簡單越好；

3. 注意布線，要直角連接，選最短路徑，不要相互交叉；

4. 注意用電安全，所加電壓不能太高，以免燒壞芯片和面包板。

針對題目設計要求，經過分析與思考，擬定以下二種方案：

方案一：總體電路共分三大塊。第一塊實現花型的演示；第二塊實現花型的控制；第三塊實現時鐘信號的產生。

主體框圖如下：

方案二：在方案一的基礎上將整體電路分為四塊。第一塊實現花型的演示；第二塊實現花型的控制；第三塊實現節拍控制；第四塊實現時鐘信號的產生。并在部分電路的設計上與方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。

主體框圖如下：

根據所提供的實驗器材各模塊總體思路如下：

時鐘信號CP電路：參見高等教育出版社 王淑銀主編的《數字電路與邏輯設計》課本P404圖10-3-6（a）;

花型控制電路：由1614位二進制同步計數器完成；

花型演示電路：由195 雙向移位寄存器完成（可左移右移完成花型變化）；

節拍控制電路：節拍變化由151八選一數據選擇器完成，節拍的快慢變化可有74雙上升沿D觸發器完成，它可實現二分頻。

方案一與方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而設計的，方案二加入了節拍的變化，花型控制電路和花型演示電路的CP都是節拍控制之后的CP。

兩種方案的基本思路相同，將整個設計電路的功能模塊化，設計思想比較簡單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。這么設計的出發點是：電路設計模塊化，易于檢查電路，對后面的電路組裝及電路調試都很方便。。花型控制電路簡單，花型也比較簡單。

由于在設計的構想時期，已經確定將電路模塊化，設計的過程中又已經將節拍控制電路設計出來，通過仿真軟件也實現了設計要求——分頻。方案二同時完成了選做的要求，只要確保每一模塊實現其功能方案二并不難也不復雜，為了確保短時間內完成課程設計和高效率，我選擇了方案二。

74LS161（四位二進制同步計數器） ----------------2個；

74LS194（移位寄存器）    --------------------------2個；

74LS151（八選一數據選擇器） -------------------- 1個；

74LS74（雙D 觸發器） ------------------------------ 1個；

74LS00（四二輸入與非門）   ------------------------1個；

74LS04（六非門）   -----------------------------------1個；

發光二極管--------------------------------------------- -8個；

555     --------------------------------------------------- 1個；

電容： 4.7μf   ------------------------------------------1個；

0．01μf -----------------------------------------------1個；

電阻： 150kΩ   ------------------------------------1個；

100Ω   ----------------------------------------------4個；

4.7kΩ ------------------------------------------------1個；

實驗板一塊；

萬用表一個；

鉗子一個；

導線若干。

   由二片移位寄存器194實現。其八個輸出信號端連接八個發光二極管，用其輸出信號控制發光二級管的亮滅實現花型演示。而花型之間的變化通過花型控制電路的輸出即161級聯的計數器輸出控制（它們由同一個CP脈沖控制）。

花型1：8路燈分兩半。從左至右漸亮，全亮后，再分兩半從左至右漸滅。循環兩次；

花型2：從中間到兩邊對稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅。循環兩次；

花型3：從左至右順次漸亮。全亮后逆序漸滅。循環兩次。

我的設計是每種花型完整顯示兩遍，所以三種花型完全顯示一遍需要的總結拍數為64，即1~16顯示第一個花型，17~32顯示第二個花型，33~64顯示第三個花型。

要用194實現三個花型的連續顯示必須對兩片194的S1、S0和SL、SR一句節拍的變化進行相應的改變,通過161的輸出反饋來控制經過觀察每16個CP低位片輸出Q1—Q4變化比較頻繁,根據變化的花型頻率選用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的變化從而實現滑行的變化。現將兩片194分為低位片1和高位片2，再將其輸出端從低位到高位記為L1~L8。列出各花型和其對應的194的S1、S0、SL、SR的輸入信號及節拍控制信號列表如下：(用^Li表示Li的取非)

列出卡諾圖分析

194低位片

SL=^L8                                                                                                           S1=QE . ^ QF

SR=^L8                                                                                                                                            SL=^ ( QE . ^Q F)

194高位片

SL=X                                                                                                                                                         SR=^ QF .^L8+ QF .L4

S1=0                                                                                                                                                                       S0=1

由上圖分析可以得到控制194高、低位片的左移右移變化控制端S1、S0以及串行輸入端的由161的輸出端QE 、QF和本身輸出端L4和^L8控制。用去QA—QH表示161從低位到高位的個輸出端。

控制結果表達式如下：

電路圖如下：

由二片161級聯的模128（三種花型節拍每種顯示兩遍，再總體重復一遍的總節拍數）計數器。

161的級聯用的是同步，并用^QH清零。

當三種花型全新顯示一遍后（總共64拍）161的輸出變為00000100所以將161高位片的Q2（即QG）信號輸給節拍控制電路的151的A來通過節拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來自節拍控制電路中74的輸出端Y。

電路圖如下：

   由一片151和一片74級聯實現。整體上實現脈沖頻率的變換，即交替產生快慢節拍。

   令74的Vcc，CLR，PR都接高電平，將^Q的輸出接到D端，Q端的輸出接到151的D1端。令151的B,C,G’,GND接低電平，Vcc接高電平，D0接時鐘信號的CP脈沖，A端接由花型控制電路的QG輸出。

   所以Y端的輸出就為：Y=CP·^A+Q·A

   (Q是74D觸發器的輸出端)由D觸發器具有記憶功能，記錄上一個狀態，所以在每一個CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個脈沖）。也就比時鐘信號電路的CP脈沖慢了一拍。

   所以通過A為0或1選擇Y端輸出的脈沖的頻率。A端接的是161的高位片的QG即當到達第64拍時QG為1接下來的65~128拍為變慢后的脈沖輸出。

電路圖如下:

   由一片555加上適當電容及電阻實現。

電容取：4.7μf     0.01μf

電阻取：150 kΩ    4.7 kΩ

    電路圖如下：

1．基本CP脈沖產生電路波形圖與分頻電路波形圖

2. 測試波形: (列依次為CP脈沖,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：

本次數字電路課程設計總共用了5天完成的，這幾天每一在學習思考和時間中天都有所收獲，都有所進步。

第一天剛剛分到題目的時候有些興奮和激動，數電的基礎不差，加上數電試驗都是踏踏實實認真完成的。對于161、194和其他器件的功能和應用都很熟悉。但是在具體設計電路時出現了疑惑。用194去實現一個花型很簡單，如果是三個分開也難，但是本次設計要同時實現三個花形，是通過151來選擇嗎？是手動嗎？手動有些不切實際。經過思考沒有得到解決，只覺得161的計數器如果不去反饋控制194的變化，那么它的存在價值不大，接下來我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始設計，我用了<<數字系統設計——數字電路課程設計指南>>（北京郵電學院出版社 高書莉編）所提供的前兩種，第三種是我自己設計的。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，但是書中介紹比較組略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接輸入的。還是在思考一下，如果給161和194的CP是同步的那么就每來一個上升沿161計數一次同時194的變化一次，每個花型需要的CP脈沖數是固定的，也就是說只要通過計數器的反饋就可以控制滑行之間的轉換。但是161的輸出端有8各，具體怎么控制呢？想不通的，就回歸到數電中設計的基本思路，列出狀態轉移表，來找規律。通過觀察終于成功用兩個161的輸出端來反饋，這樣電路就非常簡單了，還能實現功能。好不容易設計好了，卻發現與非門和非門不夠用，還有哪里可以化簡呢？對，194輸出端反饋，兩個片子串行輸入端有時輸入的是一樣的，還可以進一步簡化，著用就用了最少的與非門和非門實現。

第二天，老師發了所有的實驗器材，由于已經設計好，便開始進行最近單元——CP脈沖產生電路。因為書上有完好的電路圖直接照著連就OK。可是問題并不是想的那么簡單，因為我一開始操作就不知道怎樣布線才合理，常出現看著電路圖不知道這條線該走哪兒連過去，看過老師的示范電路板的布線后，特別的佩服，所以當然要學習了，于是自己也那樣連線，盡量走直線。連完時鐘電路后，滿以為會很成功，因為我的電路連得很簡潔。結果是加電后LED二極管居然常不亮，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，萬用表電池還么有配備，因此無法檢測哪里出錯了，于是我把電路重新連了一遍。布線特別的好，后來老師看到還說我做得好，可是連接電源，還是不行。這回徹底頭大了，于是去咨詢其他同學，她也有類似問題，換一個555就行了，于是我也換了55芯片，就好了。

可是第三天再加上電源又不對了，LED二極管居然常是常亮，檢查電路沒什么問題，而且好多同學都有和我一樣的問題，有同學說那可能是線的而問題，也可能是板子的問題，也可能是電容的正負極插反了…不管是什么問題，一個個排除吧。最終其實也沒很確切的知道問題的所在，因為不同的方法都在試具體是哪個也不確定了。我覺得最可能是電容的正負極和LED的插穩與否的問題。于是我檢測了電路測試了電位，都正確。老師過來看時讓我加電他看看，結果居然是我給的電壓太高了，我在加電是不小心把電壓調的太高了，自己還沒意識到那個問題，幸好沒把芯片燒壞。

在接下來的幾天中似乎對電路著迷了，放學了也繼續做，一個模塊一個模塊兒的實現，在電路組裝過程中，看到遇到的最大問題是，芯片分布不夠合理，無法很好的布線。于是在分析了我的設計后計算了要用芯片的個數和個芯片之間的關系，按照各個控制電路的走向較合理的插好了芯片。其次就是布線，因為要求不準交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫，做到了我所見過的電路里最清晰和整齊的，對于檢查和排錯非常的方便。唯一不足就是用線的顏色有點混亂，因為前后發的線的顏色不同，非我力所能及。

調試過程中，第一輪用萬用表歐姆檔測試，就遇了實驗板上有插孔不通的情況，導致芯片不能正常工作。相對于別的辦法，我選擇了導線顯示連通，因為其更明晰，更易實現。對于高阻導線則只能換掉。第二輪接電后，用萬用表的電壓檔測試單元電路的狀態。如：時鐘信號電路的信號是否正常產生，控制信號電路中的計數器能否正常計數，D觸發器能否每2拍翻轉一次，最后在整體上測試一遍。

在整個調試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時有時正常有時混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細檢查各端子的連接情況，發現清“0”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發現問題解決了。

之所以我比別人先設計好，甚至我們班做相同設計的好多同學都是我講解后設計的，我卻比別人后完成，是因為我的面包板不好，不只一個芯片無法放置好，找很多個位置都不行，最后不得不等最先完成的同學拆了再重新連線和再次測驗。而發現這些問題就有些晚。所以盡管最后一遍效率高，也是周五下午才完成，第二周一造成才去檢查。

本次課程設計我只用了一個星期的時間就全部做完，效率很高，因為在設計之前根據設計的要求，每個模塊都仔細的設計分析了，正是整個過程我都認真的態度和方案選擇合適，才有這么高的效率。而且從本次課程設計中收獲很多。可以總結為以下的幾點：

這次課程設計主要是運用數字電路邏輯設計的一些相關知識，在整個實習過程中，都離不開對數字電路課程知識的再學習。我在最開始，就先將實習用到的知識通過翻閱數電書回顧了一遍（這也是對這門課的復習，給以后的復習備考減少了很多負擔），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設計起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數字電路實驗指導書， 關于芯片的管腳，里面有清晰的描述。

雖然這不是第一次用電路板，因為之前的課內實驗也用過，但當時的運用也只是插些導線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。這次的實習中應用了整塊板子，實習后對電路板的組成完全了解了，并能熟練運用。實習中通過對電路的連接也懂得了如何通過設計的分析對所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導線的連接上，如何選擇導線走向是關鍵，我們應該盡量保證所連電路的簡捷，寧短勿長，合理布線。一個完美的作品不僅要能很好的完成要求實現功能，還要在感官上給人美的享受。所以站在美的角度對自己的電路進行改良是很必要的。

據老師介紹，這是大學里唯一一次比較大型的動手實踐機會。我當然不會錯過。課程設計，通過選擇的題目，根據要求，運用所學知識將其付諸實踐來完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程中的深入理解，這需要的是一種理論聯系實踐的能力。理論知識往往都是在一些理想狀態下的假設論，而實際的動手操作則完全不同，需要考慮實際中的很多問題。有些知識在理論上可能完全沒錯但到了實際中則不然。比如在動筆做題時我們是不用考慮導線、電阻是否連接的牢固合理，但在實際中，導線電阻有時是會帶來時延造成花型變化的錯亂，所以我們應盡量在連接電路時選擇最短路徑。平時試驗中，我就很認真，所以會比平時不動手的要輕松地多。

最初大家沒思路的時候，特別的著急，我想出來了，大家問我，我就說了我的思路，我們不是抄襲，只是探討，們個人都理解了才開始設計，我做的循環兩遍，他們的都不是。我們的設計不同，我只是給大家啟發了一個思考點。理論上我先設計出來，但在實習中經常會遇到一些自己可能暫時無法想明白的問題，請教同學或老師是很好的做法，節省時間，也會從別人身上學到更多。在設計時和同學相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的idea，其他人的設計也可能有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優方案最終一定會得到最好的設計方法。

本次試驗中包括CP的產生電路用的555芯片，基本電路我用了7個芯片（一片555、兩片161、兩片194、一片00、一片04），分頻電路用74和151實現，一共用了9個芯片。是目前我想出的用最少的器件，最簡單的布線來實現所要求的功能。

從電路圖的設計、實現、仿真、實驗報告，都是自己思考和動手。掌握了ModelSim軟件的操作，用所學習過的芯片設計電路，并用面包板來實現，實現的過程中排錯、檢查的能力也得到鍛煉。

總而言之，好好利用了學校給我們提供的此次實習的機會，努力按要求完成了任務，提高了自己的綜合思考能力和動手實踐能。

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數電課程設計_八路彩燈.doc (1.03 MB, 下載次數: 45)

2018-12-12 23:03 上傳

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