数字电子技术模拟电子技术循环彩灯设计讲解.docx

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数字电子技术模拟电子技术循环彩灯设计讲解

课程名称：

数字电子技术、模拟电子技术

设计题目：

循环彩灯

院系：

电子信息科学与技术

学生姓名：

张雷周宇

学号：

2013092212020130922125

专业班级：

2013级电信一班

设计要求：

1、设计制作一个循环彩灯电路；

2、设置彩灯数量为8个，8个彩灯依次闪烁，彩灯亮灯时间为1秒。

循环彩灯

摘要：

设计制作了一个循环彩灯控制电路，该电路可以控制8个彩灯循环点亮，每个彩灯点亮时间为1秒。

控制电路主要信号发生器、计数器、译码器和输出电路几部分组成。

信号发生器是由555定时器构成的多谐振荡器；驱动电路由74LS192计数器和74LS138译码器组成；输出电路由八个发光二级管和一个300Ω的电阻和一个5V电源组成。

利用Multisim10对设计的电路进行仿真，可以得到八个彩灯依次循环着亮，并且每个彩灯的亮灯时间为1秒。

此外要注意，74LS192发光二极管要共阳极连接。

关键词：

循环彩灯；555定时器；74LS192；74LS138；Multisim10电路仿真

1.设计背景

1.1电子技术课程设计的目的与意义

电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养设计人员的素质和能力具有十分重要的作用。

在电子信息类本科教学中，课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。

通过课程设计要实现以下两个目标，第一学生初步掌握电子线路的设计、组装及调试方法。

即学生根据设计要求，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能要求；第二课程设计为后续的毕业设计打好基础。

毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际方面，运用已学过的分析和设计电路的理论知识，逐步掌握工程设计的步骤和方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。

1.2电子技术课程设计的方法和步骤

电子电路设计方法是在设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各部分进行单元电路的设计、参数计算和器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的系统电路图。

首先明确系统的设计任务要求对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，以便明确系统应完成的任务。

然后进行方案选择，把系统要完成的任务分解为若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。

方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。

在此过程中要敢于探索，勇于创新，争取方案的设计合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。

并且对方案要不断进行可行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整框图。

2.设计方案

2.1任务分析

根据课程设计要求，分析可知，循环彩灯是由555定时器构成的多谐振荡器产生固定周期的时钟发生器，为电路提供时钟信号，为实现产生所需要的周期，要用到电阻和电容，以及由定时器构成的多谐振荡器，支持整个电路的工作；又为实现计数，故要用双时钟类型计数器来实现一个加法功能，才能保证实现此要求，并且计数器的进制要对，用置零来实现进制的要求；有了计数器，我们要把这些输入的二进制代码变成输出是一组与输入一一对应的高低电平，因此要使用译码器来进行译码，选择适当的译码器；输出电路中，为了让彩灯发光并且不被由于电压过大而烧坏，我们要加上一个保护电阻，电阻的阻值我们可以计算出来；要使8个彩灯依次循环发光。

另外还要注意到结合本电路彩灯管要进行共阳极连接。

由计数器和译码器组成，用以驱动8个彩灯正常工作，并且在时钟电路的控制下让8个彩灯循环工作。

电路结构框图如图1所示。

图1电路结构框图

2.2方案论证

在循环彩灯电路中，需要体现的是电路的循环功能，电路采用由数字—模拟混合集成电路555定时器构成的多谐振荡器产生固定周期为1秒的时钟发生器，为电路提供时钟信号，这是输入电路；用双时钟异步芯片74LS192来进行一个加法计数，计数之后我们要对输入电路的二进制输入进行译码，故采用了3线—8线译码器74LS138来实现，驱动电路采用双时钟类型的异步计数器74LS192和3线—8线译码器74LS138来实现，所以再经过由计数器和译码器组成的驱动电路，经译码器译出的脉冲信号到达输出电路，由芯片74LS192构成八进制计数器，并对时钟信号进行计数来实现八个彩灯依次循环发光；由芯片74LS138组成译码器，并且74LS138对74LS192的低3位输出代码进行译码，并驱动对应的发光二极管点亮，直接控制彩灯的闪烁；而74LS138的输出管脚均为低电平，所以我们要把二极管的另一端加上一个5V的高电平，在高电平的电源与发光二级管之间我们加上一个保护电阻来维护发光流过二级管的电流和两端电压，最终要8个彩灯循环亮，并且每个灯亮灯时间为多谐振荡器的周期，依次循环发亮，此时表示有输出结果，电路正常工作。

3.方案实施

3.1原理图设计

1、时钟电路设计

时钟电路是由555定时器构成的多谐振荡器组成的。

555集成时及电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成

多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。

555定时器的逻辑符号图如图2所示。

图2555定时器的逻辑符号图

555定时器的功能表如表1所示。

表1555定时器的功能表

输入

输出

UTH

UTR

UO

TD

0

1

1

1

1

×

×

低电平

低电平

不变

高电平

高电平

导通

导通

不变

截止

截止

555定时器可以很方便地构成多谐振荡器，555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。

用它可以构单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。

555定时器的结构及工作原理：

第一，分压器：

由三个等值电阻构成；第二，比较器：

由电压比较器C1和C2构成；第三，R-S触发器；第四，放电开关管T。

多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。

由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。

本实验正是利用其产生震荡脉冲,作为信号发生器使用。

电源电压取5V，我们喜爱用占空比为2/3的脉冲信号，所以根据振荡周期计算公式

可得，该电路的振荡周期为1s。

由555定时器构成的时钟信号产生电路如图3所示。

图3由555定时器构成的时钟信号产生电路图

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图4（a）（b）所示。

图474LS192（a）引脚排列（b）逻辑符号

图中：

为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，

U为非同步进位输出端，

D为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如表2所示。

表274LS192功能表

输入

输出

MR

CPU

CPD

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

1

×

×

×

×

×

×

×

0

0

0

0

0

0

×

×

d

c

b

a

d

c

b

a

0

1

1

×

×

×

×

加计数

0

1

1

×

×

×

×

减计数

74LS138的作用:

利用G1、G2A和G2B可以扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可以扩展成32线译码器。

74LS138引脚图如图5所示。

图574LS138的引脚排列

用与非门组成的3线-8线译码器74LS138内部电路结构如图6所示。

图674LS138内部电路结构

74LS138功能表如表3所示。

表374LS138功能表

输入

输出

S1

2+

3

A2A1A0

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

0

×

1

1

1

1

1

1

1

1

×

1

0

0

0

0

0

0

0

0

×××

×××

000

001

010

011

100

101

110

111

11111111

11111111

01111111

10111111

11011111

11101111

11110111

11111011

11111101

11111110

无论是从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。

如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。

2、驱动电路设计

八进制的计数器是用74LS192改制而成。

八进制的计数器电路图如图7所示。

图7计数电路

图中的管脚5是接的由555定时器构成的多谐振荡器的输出端，管脚3、2、6分别接芯片74LS138的管脚1、2、3这3个输出端。

译码电路是用74LS138实现。

译码电路图如图8所示。

图8译码电路

图中的管脚1、2、3分别接芯片74LS192的管脚3、2、6这3个输出端。

在译码器输出端直接接发光二级管的负极，后与保护电阻串联，接至5v电源即可。

由74LS192计数器和74LS138三线八线译码器组成,用以驱动发光二极管正常工作，并且在时钟电路的控制下让八个发光二极管循环工作。

设计原理：

把555定时器的输出端接74LS192计数器的加数计数器端，将74LS192计数器的输出端分别接74LS138译码器的输出端，再把74LS138译码器的8个输出端分别接8个彩灯。

因为只需要8个彩灯依次点亮，也就是8种状态，然后进入下一个循环，而74LS192计数器是十进制计数器，有十种输出状态，所以采取把74LS192计数器的QD输出端返回接其置零端，以实现当计数到八时，返回从零开始计数。

这样就完成了循环彩灯的循环控制。

驱动电路图如图9所示。

图9驱动电路图

图中芯片74LS192的管脚5是接的由555定时器构成的多谐振荡器的输出端，芯片74LS138管脚15、14、13、12、11、10、9、7分别为芯片74LS138的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y78个输出端。

3、输出电路设计

输出电路有8个发光二极管和2个300Ω的电阻和1个高电平组成。

只有当从驱动电路过来的是低电平，才可以让发光二极管导通发光。

输出电路如图10所示。

图10输出电路图

图中管脚15、14、13、12、11、10、9、7分别为74LS138的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y78个输出端。

3.2电路仿真

在元件库中找出所需的元件，并在各单元电路设计的基础上，按照设计电路图，用Multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合要求的系统整体逻辑电路图。

系统整体电路设计完成后，要进行认真的检查之后再对系统整体进行仿真，来验证设计的正确性。

根据彩灯的闪烁情况判断电路是否正常，并利用示波器分别接入各单元电路输入输出端，调整示波器合适的测量和观察范围，对各单元电路输入输出端进行输入输出的信号波形的观察，看它的实际输入输出与理论上是否有差别，若有差别，要找出原因，并分析它是否影响电路正常工作。

若影响，要进行修改，直到仿真成功为止。

通过仿真，确定我们的电路原理图无误，可以制板。

在仿真过程中，我们仿真的周期为1.004s，而实际上周期应该为1s，这是由于仿真软件的仿真环境没有设置好，经过老师的设置，最终仿真周期变成1s，仿真误差为：

用555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz，可能因为电压的不稳定，在开始时彩灯亮的时间并不为1s，在循环过一次后，彩灯按照时长为1秒进行依次发亮，电路仿真的结果为八个彩灯依次发亮，并且亮灯时间为1秒，依次循环。

根据仿真结果可知电路原理无误，可以进行PCB板布线。

仿真图如图11所示。

图11仿真图

仿真电路的输入脉冲工作状态如图12所示。

图12仿真电路的输入脉冲工作状态

3.3PCB制作

经过仿真以后，在AltiumDesignerSummer09软件中新建四个文件：

工作空间文件、工程文件、原理图文件、PCB板文件，然后把设计好的原理图按原部件连接起来。

对其进行元件的封装的选择，选择合理的封装之后，进行编译执行，再进行PCB布局，最后进行PCB布线，布线时要遵守布线规则。

要不断地进行修改，合理地布局，使其达到整体合理、紧凑、美观。

要尽量避免焊盘的出现，跳线的出现，还要注意导线之间的间距，以及焊盘的内径大小和一些特别的要求。

PCB板制作要求：

要采用公制单位（mm）；接地线和电源线用0.8mm或者0.6mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或者0.3mm；焊盘的内径用0.9mm或者0.85mm，外径根据需要修改，一般情况下是X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或者X方向2.0mm，Y方向1.6mm；过空的大小与焊盘的大小一样；PCB板的大小应设计的紧凑美观，一般采用5×5（单位厘米）。

3.4安装与调试

在安装上，我们要注意发光二极管有没有插反，所以在安装前，请教了老师怎样辨认正负极，找到所需要的元件，按照打印好的电路图，然后安装好所有的芯片和电路原件后，在PCB板上利用电烙铁进行各元件的焊接。

按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路。

在线路没有问题的情况下连接电源调试，之后用电源逐个模块进行检查。

观看制作出来的电路板是否符合设计的要求。

若不能实现预期结果要分析出错的原因。

安装的过程中需要注意的事项：

第一，元器件的正反向和电阻、电容的大小对应的位置；第二，芯片555定时器、74LS192、74LS138的管脚应全部插入槽内才能用力按，轻轻的用力，不能把芯片的管脚弄断；第三，发光二级管的正负极、电容的正负极。

焊接的过程中需要注意的事项：

第一，将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡；第二，首先注意电路板上的铜片，不能划掉了，烙铁不能再铜片上停留时间过长，以至于铜片翘起；第三，用锡尽量少，但是要保证把元器件的管脚焊结实，并且不能虚焊；第四，不要把电烙铁猛力敲打，以免震断电烙铁内部电热丝或引线而产生故障；第五，电烙铁使用一段时间后，可能在烙铁头部留有锡垢，在烙铁加热的条件下，我们可以用湿布轻檫。

如有出现凹坑或氧化块，应用细纹锉刀修复或者直接更换烙铁头。

调试的过程中需要注意的事项：

第一，先用万用表测试电路板的所有铜铺导线是否有短路、断路和虚焊等；第二，注意电源的正负极；第三，注意电源的电压不能太大，不能烧坏整个电路板、芯片和发光二级管。

在经过多次调试，彩灯还是只有最后一个亮，并且还不闪、不循环，对此，张天鹏老师花了一个多小时进行了精心调试和排除障碍，由于555定时器不正常工作产生了不是课程设计所需要的占空比为2/3的矩形波，产生了不需要的杂波，没有成功。

我们回到宿舍，进行了细心的分析和判断，最终发现74LS192的8管脚接地线虚焊以至于接触不良，我们接好地线之后，彩灯亮了六个，我又进行了近三个小时的故障排除，查出了原因，另三个彩灯是由于虚焊和余锡点短路而造成不亮，最终我把这些故障排除，经多次调试我们的循环彩灯正常工作了，所以这次设计是成功的。

对自己在这次课程设计中的付出感到自豪的。

4.结果与结论

实验达到了预期目的，8个彩灯依次亮，彩灯亮灯时间为1秒，依次循环，然后开始下一个循环，循环彩灯正常工作。

此次课程设计圆满完成，但也存在不足。

比如元件封装的选取，后才得出正确的结论。

通过此次课程设计，我进一步加深了对数字电子技术知识的认知与理解，掌握了循环彩灯电路的设计、组装与调试方法。

学会了熟练运用仿真软件Multisim，PCB板设计软件AltiumDesigner。

培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。

6.附件

6.1电路原理图

电路原理图如图13所示。

图13电路原理图

6.2PCB布线图

PCB布线图如图14所示。

图14PCB布线图

6.3元器件清单

元器件清单如表4所示。

表4元器件清单表

元器件种类

功能

数目（个）

555定时器

定时

1

74LS192

可逆十进制计数器

1

74LS138

译码器

1

发光二极管

红、黄、蓝、绿

8

电阻

51KΩ

1

47KΩ

1

300KΩ

1

电容

10uF

1

100nF

1