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制作循環(huán)彩燈實習(xí)報告
循環(huán)彩燈
摘 要：設(shè)計一個循環(huán)彩燈控制電路，該電路實現(xiàn)了讓八個彩燈循環(huán)閃爍的功能，并且循環(huán)閃爍的時間為1秒。其中，閃爍時間由555定時器這樣的時鐘電路產(chǎn)生周期為1秒的脈沖所控制；彩燈的循環(huán)閃爍由十進制計數(shù)器接受定時器產(chǎn)生的脈沖所控制；彩燈顯示功能由三線八線譯碼器實現(xiàn)，輸出分配數(shù)據(jù)直接控制燈的閃爍。用Multisim 10對設(shè)計電路進行仿真可得到八個發(fā)光二極管循環(huán)閃爍的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：循環(huán)彩燈；555定時器；計數(shù)器；譯碼器；發(fā)光二極管
目 錄
1.設(shè)計背景 ……………………………………………………………………2
1.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成………………………………………2
1.2掌握時鐘電路的作用及基本構(gòu)成…………………………………………2
2.設(shè)計方案……………………………………………………………………2
2.1任務(wù)分析……………………………………………………………………2
2.2方案論證……………………………………………………………………3
3.方案實施 …………………………………………………………………3
3.1原理圖設(shè)計…………………………………………………………………3
3.2電路仿真……………………………………………………………………7
3.3 PCB制作 …………………………………………………………………8
4.結(jié)果與結(jié)論…………………………………………………………………8
5.收獲與致謝………………………………………………………………9
6.參考文獻……………………………………………………………………9
7.附件 …………………………………………………………………………9
7.1電路原理圖………………………………………………………………10
7.2 PCB布線圖 ………………………………………………………………11
7.3元器件清單……………………………………………………………11
1. 設(shè)計背景
1.1 了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成
用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。數(shù)字電路包括數(shù)字脈沖電路和數(shù)字邏輯電路。前者研究脈沖的產(chǎn)生、變換和測量；后者對數(shù)字信號進行算術(shù)運算和邏輯運算。數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。在設(shè)計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計合適的輸入接口電路。
1.2 掌握時鐘電路的作用及基本構(gòu)成
時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設(shè)計時鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。
2. 設(shè)計方案
2.1 任務(wù)分析
任務(wù)中要實現(xiàn)8個彩燈循環(huán)閃爍，可以通過譯碼器實現(xiàn)。要求又有1秒的時間控制，因此需要一個時鐘控制電路，555定時器可以產(chǎn)生；又要使八個彩燈依次閃爍且循環(huán)，故要用可逆計數(shù)器來實現(xiàn)一個加法功能，才能保證實現(xiàn)要求。需要注意的是計數(shù)器輸入端怎樣接高低電平才能實現(xiàn)循環(huán)；使用譯碼器來進行譯碼。
2.2 方案論證
根據(jù)任務(wù)要求，將整個設(shè)計化為三大電路：
一、 時鐘電路。首先用555定時器進行設(shè)置，與電阻和電容一起構(gòu)成周期為一秒的時鐘周期發(fā)生器，為電路提供時鐘信號產(chǎn)生一秒的脈沖，支持整個電路的工作。
二、 驅(qū)動電路�？梢杂�74LS192N計數(shù)器和74LS138N三線八線譯碼器組成用以驅(qū)動發(fā)光二極管正常工作的電路，并且在時鐘電路的控制下讓八個發(fā)光二極管循環(huán)工作。
三、 輸出電路。由八個發(fā)光二極管組成，在驅(qū)動電路控制下循環(huán)工作。
3. 方案實施
3.1 原理圖設(shè)計
選擇合適的數(shù)字器件，應(yīng)用DXP或multisim軟件繪制各單元的邏輯電路圖。
1、 時鐘電路
用555定時器設(shè)計的多諧振蕩器如圖1所示。
圖1 555定時器構(gòu)成的脈沖發(fā)生器電路
用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖1所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。下面圖2是多諧振蕩器的工作波形圖。
圖2 多諧振蕩器的工作波形圖
電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0v，所以555定時器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源Vcc對電容C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)一，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)二的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度T2≈0.7R2C。
因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比Ｄ，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D≈1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。
2、 驅(qū)動電路
下面圖3是用SN74LS192N設(shè)計的計數(shù)器控制電路。
圖3 計數(shù)器設(shè)計的控制電路 74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器，其工作原理是：74192上升沿觸發(fā)，由UP，DOWN兩管腳控制加減計數(shù)，有異步置數(shù)端LOAR和異步復(fù)位端CLR，BO’和CO’分別輸出高電平表示加進位和減進位。由于74192沒有保持腳，故需要外圍電路實現(xiàn)保持功能。因為74192上升沿觸發(fā)，所以把UP，DOWN強制置低電平即可實現(xiàn)保持功能。
四個主從觸發(fā)器的輸出端，由兩計數(shù)(時鐘)輸入之一的“低”到“高”電平的過渡而被觸發(fā)。計數(shù)方向在其它計數(shù)輸入端為“高”時，由脈沖的計數(shù)輸入端所定。當(dāng)置數(shù)輸入為“低”時，把所希望的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)輸入端上，來把每個輸出端預(yù)置到兩電平之一。輸出將符合獨立于計數(shù)脈沖的數(shù)據(jù)輸入的改變。清零輸入在加高電平時，迫使所有輸出端為低電平。清零功能獨立于計數(shù)輸入和置數(shù)輸入。清零、計數(shù)和置數(shù)等輸入端都是緩沖過的。借位和進位兩輸出端可級 聯(lián)遞增計數(shù)和遞減計數(shù)兩功能。借位輸出在計數(shù)器下謚時，產(chǎn)生寬度等于遞減計數(shù)輸入的脈沖；同樣，進位輸出在計數(shù)器上謚時, 產(chǎn)生寬度等于遞加計數(shù)輸入的脈沖。
下面是驅(qū)動電路的另一個器件74LS138譯碼器所構(gòu)成的電路圖。
圖4 由74LS138譯碼器組成的部分驅(qū)動電路
譯碼器可以將輸入代碼的狀態(tài)翻譯成相應(yīng)的輸出信號，以高、低電平的形式在各自的輸出端口送出，以表示其意愿。譯碼器有多個輸入端和多個輸出端。假如輸入端個數(shù)為1個，每個輸出端只能有兩個狀態(tài)，則輸出端個數(shù)最多有2n個。常用譯碼器輸入、輸出端口數(shù)來稱呼譯碼器，如3線-8線譯碼器，4線-10線譯碼器等。74138就是一個三線-八線譯碼器。
74138有三個輸入端：OE1、OE2A、OE2B和八個輸出端Y0-Y7，當(dāng)三個輸入端的編碼為000時，譯碼器輸出Y0=0，而Y1-Y7=1。即Y0對應(yīng)于OE1、OE2A、OE2B為000狀態(tài)，低電平有效。A、B、C為使能控制端，起到控制譯碼器是否能進行譯碼的作用。只有C輸入為高電平，A和B都為低電平時才能進行譯碼，否則不論輸入為何值，輸出端均為1。
3、 輸出電路
輸出電路有八個發(fā)光二極管和一個330Ω的保護電阻，驅(qū)動電路傳輸?shù)氖堑碗娖讲艜䦟?dǎo)通所以八個二極管要反向放置，下面圖5是此設(shè)計的輸出電路圖。
圖5 八個發(fā)光二極管組成的輸出電路圖
3.2 電路仿真
在各單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，用multisim軟件把各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的系統(tǒng)整體邏輯電路圖。系統(tǒng)整體電路設(shè)計完成后，對系統(tǒng)整體進行仿真，驗證設(shè)計的正確性。本設(shè)計的循環(huán)彩燈仿真電路圖如下。
圖6 循環(huán)彩燈的仿真電路圖
仿真結(jié)果是：八個發(fā)光二極管依次閃爍,經(jīng)過嚴密的時間測量，由于計算數(shù)據(jù)的誤差每個彩燈閃爍的時間不正好是一秒鐘，有毫秒的誤差。
3.3 PCB制作
經(jīng)過仿真以后，在DXP軟件中新建電路原理圖在進行編譯執(zhí)行后，對其進行元件的封裝的選擇，選擇合理的封裝之后在進行PCB布線。
1、 PCB板布線
在布線前要在DXP中完成對電路圖個元件的封裝。在封裝時要注意，因為對于同一個元件可能又有多種封裝方式。封裝時要根據(jù)所給元件的類型對各個元件進行封裝。
封裝完成后，把原理圖導(dǎo)入PCB板后，再對元件的位置重新手動擺放，布線是要盡量減少交叉重疊的線。觀察元件的三視圖，以保證封裝是正確。
2、 電路板制做
完成布線后，對PCB圖進行打印輸出，然后再用制板機制板。制板時要盡量使線不要相連，以免制出的板不能使用。制板完成后，要對制好的板進行鉆孔，打磨，直至板合格為止。
3、安裝與調(diào)試
按照打印好的電路圖，在PCB板上利用電烙鐵進行各元件的焊接。焊接時要注意不能使焊盤焊接處與其他線相連。調(diào)試時可能得不出仿真時的結(jié)果，要結(jié)合各方面進行考慮，電阻，電容，或者是電路的焊接問題。調(diào)試的時候以為安裝好就可以直接工作，結(jié)果彩燈未按預(yù)先估計那樣閃爍，經(jīng)過反復(fù)仔細檢查發(fā)現(xiàn)線路焊接有兩個點脫焊，修正后需要進一步的檢查與調(diào)試。
4. 結(jié)果與結(jié)論
仿真結(jié)果和預(yù)期的一樣，八個燈依次循環(huán)閃爍。繼續(xù)制板安裝后進行調(diào)試燈未亮，仔細檢查后是之前布線時的一根紅線脫焊，在進行修正之后又調(diào)試了下燈仍然不亮，檢查后未發(fā)現(xiàn)焊接處的問題，可能是電阻或電容的參數(shù)設(shè)置有問題，繼續(xù)進行調(diào)試了下燈終于亮了，達到了八個彩燈依次循環(huán)閃爍的效果。
5. 收獲與致謝
通過這次實習(xí)我對數(shù)字電路產(chǎn)生了濃厚的興趣，也有了新的認識，發(fā)現(xiàn)它在實際中應(yīng)用的很廣泛，而且在實習(xí)中我對555定時器，74192,74138這些芯片有了更深一層的了解。但是實習(xí)過程中也遇到了不少的問題,尤其是一開始在電路圖的設(shè)計方面不知道如何下手，整個電路必須充分考慮到各個方面才能使電路設(shè)計完整，經(jīng)過老師的指導(dǎo)和查詢資料才最終實現(xiàn)預(yù)期的效果。然后布線、制版分布元件，最后是焊接，經(jīng)過細心周密的設(shè)計后終于成功完成任務(wù)。
這次課程設(shè)計要特別感謝***老師、***老師、***老師的耐心輔導(dǎo)以及在設(shè)計中給出的寶貴建議和意見，在此我表示深深的感謝！
6. 參考文獻
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7. 附件
7.1 電路原理圖
電路原理圖如下圖7所示。
圖7 電路原理圖
7.2 PCB布線圖
PCB布線圖如下圖8所示。
圖8 PCB布線圖
7.3 元器件清單
本設(shè)計所用到的元件清單如表1所示。
表1 元器件清單
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