电骰子设计与制作正文.docx

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电骰子设计与制作正文

摘要.............................................................................................................................1

1结构设计与方案选择.............................................................................................2

1.1结构设计.........................................................................................................2

1.2各部分电路方案.............................................................................................3

1.2.1脉冲产生电路........................................................................................4

1.2.2循环计数电路........................................................................................7

1.2.3译码显示电路........................................................................................9

2.整体电路方案及对比选择.....................................................................................10

2.1电骰子整体电路方案一.................................................................................10

2.2电骰子整体电路方案二.................................................................................11

2.3方案对比选择.................................................................................................11

3.实际电路的调试安装及故障排除.........................................................................12

结束语........................................................................................................................14

参考文献....................................................................................................................15

附录............................................................................................................................16

摘要

现实中投掷骰子，实质是为了随机且等机会地得到1、2、3、4、5、6这六个点数。

电骰子的设计和制作的最终实质与现实中骰子相同，其需要综合运用电子、电路的知识，设计出以时间间隔为随机变量能产生1至6这六个随机数的电路。

电骰子电路由脉冲产生电路、循环计数电路、译码显示电路等部分组成。

计数器的功能是统计时钟脉冲的个数，利用这个功能和反馈置数使计数器实现1至6的循环计数。

时钟脉冲的产生可以使用555定时器构成多谐振荡器，也可以使用RC电路搭建的简单多谐振荡器。

在Multisim软件上进行设计和仿真，可以使电路图清楚美观，且使方案的比较验证更加简易，得出最佳的设计方案，大大的方便了设计过程的实施。

关键词：

循环随机数多谐振荡器计数器

电骰子的设计与制作

1.结构设计与方案选择

1.1结构设计

制作电骰子即要在电路控制下每次随机地产生一个1~6中的数。

为了保证所设计出来的骰子性能，应该使得1~6出现的概率是一样的。

产生随机数的方法有很多，原理都是采集利用自然中的随机量来产生。

如采集放大空间中的噪声信号，然后利用D/A转换成数字信号，产生随机数；又如用时间作随机量，采用循环计数的方式产生随机数。

还可以在以上的基础上加上乱码电路来增加随机性。

因为利用噪声信号产生随机数的方法比较复杂、不易实现、制作成本较高，所以采用时间做随机量的方法来产生1~6的随机数。

电路分为三块：

脉冲产生电路、循环计数电路和译码显示电路。

其电路框图如图1-1所示：

图1-1电骰子电路结构框图

图1-1电骰子电路结构框图

脉冲产生电路有很多实现方法：

可以利用门电路组成的多谐振荡器实现，也可以使用555定时器来实现，还可以用RC谐振电路来实现。

门电路组成的多谐振荡器是利用电容的充放电和门电路的开启电压来实现的，所需器件简单，是最基本的脉冲发生电路。

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

RC谐振电路经过三极管的整流、放大，也可产生相应频率的矩形脉冲波，可以用于驱动计数器进行计数。

在三者相比之下还是用555定时器所构成的多谐振荡器性能更好、脉冲更加稳定。

循环计数部分也有多种实现办法：

可以利用单个的触发器自己搭建，也可利用集成的计数器通过外加控制信号变成所需进制的计数器。

采用单个触发器进行循环计数部分的搭建的设计步骤比较繁杂，且线路搭接很多，在设计尽量简便、电路结构尽量简单的要求上我们不予采用。

相比之下，使用集成的计数器使得电路结构简单清晰，而且具有很高的稳定性，只需在其中添加必要的控制电路即可。

又在集成芯片基础上的循环计数器可以采用反馈清零法和反馈置数法，因为此处要使用1~6的循环计数，所以采用反馈置数法实现。

“反馈预置数法”的LD端控制信号由计数器的输出端的信号通过门电路实现。

预置数从D3D2D1D0输入，同步预置数功能的预置数为（1111-M）+1（加法）或（M-1）（减法）；异步预置数数据为（1111-M）（加法）或M（减法）。

最后的译码显示电路由译码器和七段数码管及必要的元件组成，将计数器的输出端输出的四位二进制数传输到译码器的输入端，通过译码器的译码之后，驱动与译码器相配适的七段数码显示管进行显示。

1.2各部分电路方案

1.2.1脉冲产生电路

脉冲产生电路由所获取得知识、经验以及查阅有关资料之后，可有较好方案，一是用555定时器构成多谐振荡器，二是用RC电路加相应三极管构成的多谐振荡器。

这两者电路均可产生计数器所需的时钟脉冲，具体如下。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

图1-2555定时器管脚图及内部结构

图1-2555定时器管脚图及内部结构

设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL=0<1/3VCC，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即RD=1，SD=0（1表示高电位，0表示低电位），R-S触发器置1，定时器输出Uo=1，此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经向电容C充电，UC逐渐升高。

当UC上升到1/3VCC时，输出由0翻转为1，这时RD=RS=1，R-S触发顺保持状态不变。

所以0

t=t1时刻，Uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由1变为0，这时RD=0，RS=1，

R-S触发器复0，定时器输出Uo=0。

t1

Uc按指数规律下降，当Uc<2/3VCC时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的RD=SD=1，Q的状态不变，Uo的状态仍为低电平。

t=t2时刻，Uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R-S触发器的RD=1，SD=0，触发器处于1，定时器输出Uo=1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出Uo=1，电容放电时Uo=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

如图1-3，振荡周期T=T1+T2。

T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C；放电时间T2=R2C㏑2≈0.7R2C；矩形波的振荡周期T=T1+T2=㏑2（R1+2R2）C≈0.7（R1+2R2）C。

因此改变R1、R2和电容C的值，便可以改变矩形波的周期和频率。

）/（周期T）。

由此，满足电骰子所用的555多谐振器接线如图1-4所示，图1-5是该555多谐振荡器用Multisim软件进行仿真运行后的输出波形。

参数设置：

预设频率为100hz

由f=1/[0.7（R1+2R2）C]

此时不需要考虑占空比，直接取R1=R2=1kΩ

计算得C3=4.7uF

电容C4是用于防抖的，其值没有严格要求，取10nF

图1-4555多谐振荡器设计图

图1-5555多谐振荡电路仿真输出波形

RC双三极管多谐振荡电路由RC电路及配适的三极管构成，如图1-6所示，假设Q1导通时间稍快一些，上电瞬间（三极管速度比较快），C1、C2等同是断开的，此时R1,R2偏置电阻分别加在Q1的集电极和基极，处于反偏（Vce>0.7V），Q1导通，导通后，C1等同接地，进行充电，C1产生电流，瞬间，造成Q2截止，同时也使C2放电，很快C1充电后，等同又断开了，此时偏置电阻R4,R3分别再次加在了Q2的集电极和基极，处于反偏（Vce>0.7V），Q2又导通，反之Q2的导通由于C2又将进行充电，又将造成Q1的截止，C2的充电后又恢复Q1的导通，再次造成Q2的截止，如此不断两个三极管循环往复，便形成了自激振荡。

这个电路适合产生低频振荡，矩形波，能同时产生两个相同或不同频率，由C1,C2的容量大小决定（波形的改善:

可以同单稳态电路,采用校正二极管电路）。

相比LC振荡更简单，LC产生的是正弦波，能产生很高的频率，再经放大，反馈，再反馈，放大，不断循环重复，形成稳定振荡。

调整后也可以输出矩形波。

参数设置：

T=T1+T2=R2C11ln2+R3C2ln2

预设输出频率为f=100hz

取R2=R3，C1=C2，R1、R4为保护三极管，参数不严格规定

f=1/T

图1-6RC双三极管多谐振荡

电路设计图

得R2=R3=7.2kΩ，C1=C2=1uF

图1-7RC双三极管多谐振荡器Multisim仿真输出波形图

1.2.2循环计数电路

循环计数拟用计数器及外加控制电路构成。

在集成芯片基础上的循环计数器可以采用反馈清零法和反馈置数法，因为此处要使用1~6的循环计数，所以采用反馈置数法实现。

这里两个计数不同计数芯片构成计数电路可以满足要求，一是四位二进制同步计数器74LS161，一是74LS192。

计数器芯片74LS161是4位二进制同步计数器（异步清除），161为可置的4位二进制同步计数器，共有54/74161和54/74LS161两种线路结构型式，161的清除端是异步的。

当清除端+R为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。

161的预置是同步的。

当置入控制器

为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端Q0~Q3与数据输入端0－3相一致。

对于54/74161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则

应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS161无此种限制。

161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。

当ENP、ENT均为高电平时，在CLOCK上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

对于54/74161，只有当CLOCK为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。

161有超前进位功能。

当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。

在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。

对于54/74LS161，在CLOCK出现前，即使ENP、ENT、+R发生变化，电路的功能也不受影响。

在使用74LS161芯片时，将ENP和ENT分别接高电平，将时钟脉冲接到CLK端，这样计数器就实现了加法计数功能。

表1-174LS161功能表

计数芯片74LS192，是十进制同步加/减计数器（有预置端，双时钟）。

74LS192为可预置BCD可逆计数器，其内部主要由四位D型触发器组成，与一般计数器不同之处在于加计数器和减计数器分别由两个时钟输入端。

74LS192具有复位CR、置数控制/LD、并行数据D0~D3、加计数时钟CPu、减

计数时钟CPD等输入，当CR为高电平时，计数器置零。

当/LD为低电平时，进行预置数操作，D0~D3上的数据置入计数器中，计数操作由两个时钟输入控制。

当CPD＝“1”时，在CPu上跳变时计数器加1计数；当CPu＝“1”时，在CPD上跳变计数器减1计数。

除四个Q输出外，74LS192还有一个进位输出/CO和一个借位输出/BO，/CO和/BO一般为高电平，只有在加计数模式，当计数器达到最大状态时，/CO输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲，在减计数模式，当计数器全为零时，/BO输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲。

图1-974LS192管脚图

表1-274LS192功能表

图1-10两种计数电路

由74LS161和74LS192的不同功能特点，可以设计得出具有相同功能的两种不同计数电路如图1-10所示，在时钟脉冲源的触发下从输出端输出1至6的循环二进制数码，当控制开关断开即相当于不加时钟脉冲时，计数器保持某一数值输出不变，即投掷骰子时，骰子不再滚动，显示出一个点数不变。

在计数器的设计中，因为电骰子窑实现1到6的循环变化，所以要是计数器实现1到6的六进制循环，采用反馈预置数的方式。

把计数器的输入端置数D3D2D1D0=0001，将计数器的输出端Q2和Q3通过与非门连接到计数器芯片的置数端

，低电平有效。

因为74LS161为同步置数，当计数器加计数至6时，Q2和Q3都为高电平，通过与非门后为低电平，当下一个脉冲上升沿到来时，计数器完成置数，输出端杯置数为0001，数码管显示为1，这样就完成了从1到6的循环计数。

然而74LS192为异步置数，在反馈时要将输出Q1Q2Q3通过与非门接到74192的反馈置数端。

1.2.3译码显示电路

显示部分采用七段数码管和七段显示译码器74LS48一起实现，将数码管与七段显示译码器74LS48按照图1-11所示的方式连接，然后将七段显示译码器74LS48的四个输入端连接到计数器四个输出端即可。

图1-11两种显示电路

这两个电路图的区别在于，第一个没有加限流电阻，而第二个加了限流电阻，这在实际应用中它们的效果是有很大不同的，因为七段数码显示管的工作电流很低，而且电骰子电路脉冲频率较高，若不加限流电阻，则七段数码显示管的显示会不稳定，会有些跳变的情况。

而且工作电流过高对显示管也有极大的损坏作用。

因此，后面的显示部分电路均选用加了限流电阻的显示电路。

2整体电路方案及对比选择

2.1电骰子整体电路方案一

如图2-1所示，电骰子电路方案一的配置如下

电源：

5V直流稳压源

脉冲电路：

555多谐振荡器（f=100hz）

计数电路：

74LS162及一二输入与非门相关控制电路

显示电路：

74LS48及七段数码显示管、限流电阻

2.2电骰子整体电路方案二

图2-2电骰子整体电路方案二

如图2-2所示，电骰子电路方案二的配置如下

电源：

5V直流稳压源

脉冲电路：

RC双三极管多谐振荡电路

计数电路：

74LS192及三输入与非门相关控制电路

显示电路：

74LS48及七段数码显示管、限流电阻

2.3方案对比选择

经过上述分析，两种方案电源及显示电路都是相同的，无需对比考虑。

对两个电路的不同部分、脉冲电路和计数电路进行综合对比分析。

RC双三极管多谐振荡电路虽然能够满足脉冲源的作用，但是其所用元件很多，而且接线复杂，而555多谐振荡器的接线及参数设定都比较简便。

在稳定性方面，555多谐振荡器也更胜一筹，从两个振荡源的仿真输出波形图中，可以对比看出，其波形比较标准、稳定。

总而言之，555多谐振荡器在简易性、稳定性方面都比RC双三极管多谐振荡电路要好，故脉冲源选用555多谐振荡器。

对于计数部分电路，74LS161与74LS192的逻辑功能相似，都是通过反馈置数法构成1~6的循环计数器，在使用上没有多大区别，74LS161较40192控制更加简单，只需要一个二输入与非门即可实现反馈置数，而74LS192却需要一个三输入与非门，故循环计数部分电路选用74LS161构成的。

综合上面各项考虑，以电路方案一作为电骰子电路方案。

将多谐振荡器产生的时钟脉冲通过一个开关送到计数器74LS161的CP端。

将开关的一端接在多谐振荡器的输出端。

这样，当开关掷多谐振荡器一端时，时钟脉冲通过开关送入计数器，计数器74LS161实现计数功能，在1到6之间循环计数；当开关断开时，时钟脉冲不能通过开关，故计数器74LS161保持之前的状态，数码管静态显示之前计数器输出的数字。

这样，一次掷骰子的过程就结束了。

再闭合开关、断开开关，又可进行下一次骰子投掷。

3实际电路的调试安装及故障排除

在仿真时，七段数码显示管显示出现了小异常，会有不相关的二极管发光，且闪烁不稳定。

经查资料得知，是因为外加电压过高导致。

数码管颜色为红色，其点亮后每个段划对应的内部发光二极管正向压降为1.8V左右，外加电压为高电位5V，远远高于1.8V。

每个二极管的工作电流为15mA，那么每个段划应该串联一个3/15=200欧姆。

仿真是加入一180欧姆排阻，显示正常，在现实连接电路是没有出现故障，这在设计中有提及。

在安装调试电路时，由于几个人的方案有些差异，最后为了电路的工作更加稳定，我们把555多谐振荡器的脉冲输出频率调成了50hz，即原定的1000欧姆电阻换成了2000，这并不影响原定电骰子功能的实现，反而增强了电路工作的稳定性。

实际电路安装调试过程中，因为我们已经对设计出来的电路进行了比较完善的仿真和故障排除，而且我们小组各成员齐心协力，实际电路很顺利地就接线完成并调试成功了。

最终实物所用电路如图3-1所示，由此进行线路连接所得实物如图3-2所示：

图3-1电骰子最终实物所用电路图

图3-2电骰子线路连接实物图

结束语

制作电骰子的方法有很多，本设计方案采用了最简便的方法以达到设计要求，这是我的设计宗旨。

通过软件仿真可以让我及时的更改电路，尝试不同的电路结构，以达到找到最简、最优方案的目的。

由于侧重了简便的目标，没有任何的附加，所以难免所做成的东西会比较粗糙，这是本设计方案的缺点。

本课题的核心是1~6的随机数的产生，只要保证1~6中每个数每次出现的概率相等位1/6。

电骰子主要用于娱乐活动等，其他地方用的较少，可以安装在自动麻将机等上，以代替传统的实物骰子。

由于无法得到真正的随机数，所以存在一定的误差，这个可以通过抽样检验试验和假设检验对实物进行测试，能够在一定的显著水平下成立即可。

从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。

回头想想，一项研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出来的，要经过不断努力和试验才能实现。

经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术的知识，将三门学科有机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来，虽然各自的学科学习掌握的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现的手足无措。

经过这次课程设计，我们把平时支离破碎的知识进行了整合，做到了融会贯通。

提高了自己的实践能力和信息的搜集与整合能力，位以后的课题研究打下了一定的基础。

参考文献

（1）吴友宇.数字电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2009

（2）阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1998

（3）吴友宇.模拟电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2009

（4）周新民.工程实践与训练教程.武汉：

武汉理工大学出版社，2009

附录

电骰子电路主要元件表

器件名称

数量

1

555定时器

1

2

74LS161

1

3

74LS48

1

4

74LS00

1

5

共阴极七段数码管

1

6

排阻7*180Ω

1

7

电阻2κΩ

2

8

电容4.7uF

1

9

电容10nF

1

10

单刀双掷开关

1