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闪光色子
郑州科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目闪光色子
学生姓名杨鑫洁
专业班级自动化1班
学号201042155
院(系)电气工程学院
指导教师赵明冬
完成时间2013年3月22日
目录
前言1
1课程设计的目的1
2课程设计的任务与要求1
3设计方案2
4设计原理及功能说明4
5单元电路的设计5
5.1555定时器的应用5
5.1CD4017的应用12
6硬件的制作与调试14
6.1电路元器件的检测14
6.2电路制作步骤15
6.3电路调试16
7总结16
参考文献17
附录一:
总体电路原理图18
附录二:
总体电路实物图19
附录三:
元器件清单20
前言
色子是娱乐游戏的一种道具,可以用它来随机地选取1~6的数。
本电路设计一个电色子电路,该电路由电色子的电路结构决定。
电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成,其中计数器是整个电路的核心部分,而译码器在电路中没有采用原有的译码器,而用门电路来实现,是为了让电路更简单。
1课程设计的目的
(1)巩固加深对模拟电子技术基础的理解,提高综合运用所学知识的能力,培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
(2)通过查找资料、选方案、设计电路、写报告等环节的训练,熟悉设计过程、步骤。
为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。
(3)设计模拟和数字电子混合电路,实现特定功能。
学习这一技能,积累这方面的经验。
2课程设计的任务与要求
(1)当将开关闭合的时候,电子色子随机变化,从1~6,每隔0。
5秒左右变化一次。
(2)在变化过程中,1的相邻变化状态不能是6,2的相邻变化状态不能是5,3的相邻的变化状态不能是4。
(3)当开关断开后,继续工作5秒左右停止变化。
(4)提醒,用状态机实现。
不允许用编程实现。
3设计方案
色子只处理从1~6的数字,但是根据色子点数的形状需要配置7个LED。
通过其中某几个LED发光,表现色子的点数。
图3-1表示LED发光的位置。
图3-1 电色子的LED发光组合
7个LED的位置分别用a~g字母表示。
7个LED发光的所有组合形式计算起来非常多。
这里仅把其中发光组合相同的LED进行分组,表2-1是其分组的情况。
从这个结构看出可以分成4个组。
从图2-2可以看出如果色子的3,4,5,6点数发光必须要有a和g这两个LED。
图3-2 LED的发光组合
从图3-2可以看出,实际上需要利用数字电路中常说的“译码器电路”来实现数字的选择。
确定了基本功能之后,接下来就可以考虑采用怎样的电路来实现这些功能,图2-3是根据功能画出框图的考虑方法。
图3-3 基本功能框图
图3-4是基于基本功能所画出的电路原理框图。
图3-4 电色子的结构框图
计数器的计数动作(计算数字)由输入时钟来决定。
就是说,给计数器输入时钟的时间相当于色子摇动的时间。
摁下开关相当于摇动色子的动作,在时钟的作用下启动计数器,只有在时钟控制电路的输出为“1”时计数器的输出才发生变化。
此时色子开始滚动;在经过计数器的输出作用下利用译码器使LED发光,这就是需要设计译码器电路。
图3-4就是根据以上考虑所得出的框图,基于这个框图来设计实际电路。
开关闭合期间,LED随时钟输入脉冲显示数字,松开开关一定时间后,LED随机表示色子的某1个点数。
4设计原理及功能说明
通过555延时器的输出端控制555震荡电路,信号的发生部分一共用了两个555集成电路。
将输出的脉冲一个作为JK触发器的同步时钟脉冲部分,两个方波发生器加在A、B这两个控制端,将这个时序逻辑部分的输出接入到数码显示管,使它显示1~6的数字,且满足电子设计的功能要求。
5单元电路的设计
5.1555定时器的应用
通过555延时器的输出端控制555震荡电路,信号的发生部分一共用了四个555集成电路。
将输出的脉冲一个作为JK触发器的同步时钟脉冲部分,另外两个加在A、B这两个控制端,将这个时序逻辑部分的输出接入到数码显示管,使它显示1~6的数字,且满足电子设计的功能要求。
(1)555延时器的设计及参数计算
图5-1555延时器
延时时间t=5s,即1.1RC=5s,令C=100nF,求得R1=45。
4MΩ
(2)555振荡电路及其参数计算
图5-2555定时器的内部结构
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成,是模拟电路和数字电路的混合体。
其中6脚为阀值端(TH),是上比较器的输入。
2脚为触发端(TR),是下比较器的输入。
3脚为输出端(OUT),有0和1两种状态,它的状态由输入端所加的电平决定。
7脚为放电端(DIS),是内部放电管的输出,它有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定。
4脚为复位端(R),叫上低电平(<0。
3V)时可使输出端为低电平。
5脚为控制电压端(CV),可以用它来改变上下触发电平值。
8脚为电源(VCC),1脚为地(GND)。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端:
阀值端(TH)可看成是置零端R,要求高电平;触发端(TR)可看成是置位端S,低电平有效。
它只有一个输出端OUT,OUT可等效成触发器的Q端。
放电端(DIS)可看成由内部放电开关控制的一个接点,放电开关由触发器的反Q端控制:
反Q=1时DIS端接地;反Q=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端R,控制电压端CV,电源端VCC和接地端GND。
这个特殊的R-S触发器有两个特点:
(1)两个输入端的触发电平要求一高一低:
置零端R即阀值端TH要求高电平,而置位端S即触发端TR则要求低电平。
(2)两个输入端的触发电平,也就是使它们翻转的阀值电压值也不同,当CV端不接控制电压是,对TH(R)端来讲,>2/3VCC是高电平1,<2/3VCC是低电平0;而对TR(S)端来讲,>1/3VCC是高电平1,<1/3VCC是低电平0。
如果在控制端CV加上控制电压VC,这时上触发电平就变成VC值,而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
图5-3555震荡电路
参数计算:
1/T=1.44/(R1+2R2)C=2S
令C=100uF令R1=1KΩ,解得R2=3.1KΩ
图5-4设计的仿真图
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
X
010
001
001
010
X
001
001
01
X
011
010
011
011
X
011
001
11
X
101
110
110
101
X
110
110
10
X
100
101
100
100
X
100
100
图5-5真值表
图5-5是根据设计中对电子色子的功能要求而画出的状态表,其中A、B是我们加入的状态控制的脉冲信号,用以控制其次态的显示。
由于有两种状态是不符合条件的(0和7),为此我们设计它的自启动,在设计自启动时又要考虑它的化简,通过尝试的以下状态表:
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
1
0
1
1
0
1
1
1
01
1
1
0
1
1
1
1
0
11
1
1
0
0
1
1
0
0
10
1
0
1
0
0
0
0
1
图5-6Q1的卡诺图化简
Q1=Q3’(BQ2’+A’B’Q2)+Q3(A’BQ2+BQ2+A’Q1+B’Q2’Q1’)
根据JK触发器的特征方程得:
J1=BQ2’+A’B’Q2
K1’=BQ2+A’Q1+B’Q2’Q1’
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
1
1
0
0
1
1
0
0
01
1
1
1
1
1
1
1
1
11
0
0
1
1
0
0
1
1
10
0
0
0
0
0
0
0
0
图5-6Q2的卡诺图化简
Q2=A’Q3’Q2’+BQ3’Q2+A’Q3Q2+BQ3Q2’=Q2’(A’Q3’+BQ3)+Q2(BQ3’+A’Q3)
得到JK触发器的特征方程:
J2=A’Q3’+BQ3K2’=BQ3’+A’Q3
Q3Q2Q1
AB
000
001
011
010
110
111
101
100
00
0
0
0
0
0
0
0
0
01
0
0
0
0
0
0
0
0
11
1
1
1
1
1
1
1
1
10
1
1
1
1
1
1
1
1
图5-7Q3的卡诺图化简
Q3=A
得其特征方程为:
J3=AK3=A’
以上化简比较复杂,容易产生错误,这里化简是为了作比较,以上化简结果是最简的形式。
以上化简所对应的电路图如下:
图5-8电路图
在我们做这次设计中选用了逻辑转换器来代替化简,只要将真值表输入其中即可自动化简出结果,本设计采用此种化简。
图5-9逻辑转换器
图5-10逻辑转换图内部
其中A、B、C、D、E分别对应我们定义的ABQ3Q2Q1,只需在问号上输入对应状态的真值表即可。
5.1CD4017的应用
CD4017是5位Johnson计算器,具有10个译码输出端,CP,CR,INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时,计算器在时钟上升沿计数;反之,计数功能无效。
CR为高电平时,计数器清零。
Johnson计数器,提供了快速操作,2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通,保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平,只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位,并用作多级计数链的下级脉动时钟。
图5-11CD4017LogicDiagram逻辑图
cd4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0~Q9;MR为清零端,CP0和~cp1是2个时钟输入端,三个输出端的控制。
0Y1Y2Y。
每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端(R)加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平"0"进制计数/分频器CD4017,其内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端(O0~O9)和1个进位输出端~O5-9。
每输入10个计数脉冲,~O5-9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输入(MR、CP0和~CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平,其余输出端(O1~O9)均为低电平。
CP0和~CP1是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由~CP1端输入。
设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高。
CD4017引脚功能:
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。
CD4017有16支脚,除电源脚VDD及VSS为电源接脚,输入电压范围为3–15V之外,其余接脚为:
(1)频率输入脚:
CLOCK(Pin14),为频率信号的输入脚。
(2)数据输出脚:
Q1-Q9(Pin3,2,4,7,10,1,5,6,9,11),为解码后的时进制输出接脚,被计数到的值,其输出为Hi,其余为Lo电位。
CARRYOUT(Pin12),进位脚,当4017计数10个脉冲之后,C、OUT将输出一个脉波,代表产生进位,共串级计数器使用。
(3)控制脚:
CLEAR(Pin15):
清除脚或称复位(Reset)脚,当此脚为Hi时,会使CD4017的Q0为”1”,其余Q1-Q9为”0”。
CLOCKENABLE(Pin13),时序允许脚,当此脚为低电位,CLOCK输入脉波在正缘时,会使CD4017计数,并改变Q1-Q9的输出状态。
6硬件的制作与调试
6.1电路元器件的检测
电阻、电容、发光二极管、三极管的检测。
电阻:
主要识读其标称值,并用万用表检测其实际值。
电容:
识别判断其正负极性,并用万用表检测质量的好坏。
发光二极管:
识别判断其正负极性,并用万用表检测其正反向电阻进行质量检测。
三极管:
识别其类型与三极管引脚的排列,并用万用表检测。
(1)内容扩展场效应晶体管。
(2)认识驻极体话筒正负极性与外壳相连端为接地端,另一端为漏极D。
6.2电路制作步骤
(1)按电路原理图完成电路元器件的布局。
(2)按工艺要求对元器件的引脚加工成型。
(3)按布局图在实验电路板上依次进行元件的排列、插装。
(4)按焊接工艺要求对元器件进行焊接,直至所有的元器件焊接完毕。
(5)焊接电源输入或输出端子。
电烙铁使用方法:
使用电烙铁时,首先检查焊头,焊头若出现黑色的氧化物就先磨掉。
上锡的具体方法是:
插上电源插头,将电烙铁烧热,待刚刚熔化焊锡时,涂上助焊剂,再用焊锡均匀地涂再烙铁头上,是烙铁头均匀地涂上一层锡。
焊接时将引脚对应好焊接电路板的焊接位置上,接着先将焊丝接触然后电烙头从下至上的较快速的上锡。
焊接出来的焊点应该饱满,略有尖头。
导线焊接:
导线焊接前要出去末端绝缘层。
导线焊接,搪锡是关键步骤,尤其多股导线。
注意导线挂锡时要边上锡边旋转,旋转方向与拧合方向要一致;焊接时间不宜过长,否则容易烫坏元件,必要时可用镊子加住管脚帮忙散热;焊点应呈正弦波峰形状,表面应光亮圆滑,无焊刺,锡量适中;焊接完成后,再对照电路图检查一遍接线有无错误,若有及时更正,没有的话就可加电压测试了。
加上电压后,若正常工作且符合设计要求和目的,则电路设计成功,否则继续调试找出问题所在,修正错误直至达到正常工作且符合设计要求和目的。
6.3电路调试
(1)发光二极管不亮发光二极管的极性是否接错电路是否有未连通之处,引脚排列是否有错驻极体话筒是否有效。
(2)发光二极管亮但不闪烁电阻是否有偏小的可能偶合电容C是否已击穿。
7总结
通过本次的课程设计让我更加深刻理解模拟电路的相关知识,巧妙地把这门课程应用到现实生活中,在本次课设中,让我感觉了,自己所学知识的溃乏,验证了古人说的“书到用时方恨少”这句话,所以我们要反复的学习学过的知识。
通过课程设计,锻炼了我们的动手能力。
还体现了同学们之间的团队精神,每个人都参与进来,让我们感受到了课设的乐趣,在欢乐中我们学到了很多的知识。
我们认为,在这次课程设计中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,我们通过查找大量的资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考,动手操作的能力,在各种其它的能力上也都有了提高。
更重要的是,在实验上,我们学会了很多的学习方法。
而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
面临社会的挑战,只有不断的学习,实践、再学习、再实践。
再次感谢老师们提供的帮助和指导!
参考文献
[1]欧伟明瞿随春。
电子信息系统设计。
西安电子科技大学出版社。
2005
[2]浣喜明姚为正。
电力电子技术。
高等教育出版社。
2007
[3]康华光邹寿彬。
电子技术基础。
高等教育出版社。
2002
[4]路松行。
电工与电子技术。
西安电子科技大学出版社。
2004
[5]胡烨姚鹏陈明。
Protel99SE原理图与PCB设计教程。
机械工业出版社。
2009
附录一:
总体电路原理图
附录二:
总体电路实物图
附录三:
元器件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
电阻
4.7k
1
2
电阻
1m
1
3
电阻
10k
1
4
电容
1uf
1
5
电容
100uf
1
6
三极管
9014
2
7
发光二极管
黄色
7
8
555定时器
黑色
1
9
计数器
Cd4017
1
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- 闪光 色子