数字逻辑课程设计报告多路彩灯控制器.docx
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数字逻辑课程设计报告多路彩灯控制器
数字逻辑课程设计报告
——多路彩灯控制器
学院名称
:
电子工程学院
学生姓名
:
崔欢(13)
专业名称
:
集成电路设计与集成系统
班级
:
电路1102
实习时间
:
2013年6月3日——2013年6月14日
多路彩灯控制器的设计
一、课程设计题目(与实习目的)
(一)、题目:
多路彩灯控制器
(二)、实习目的:
1.进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用.并掌握其工作原理.进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计的基本思想和方法.学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5.锻炼动手能力.排错能力。
二、任务和要求
实现彩灯控制的方法很多.如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等.都可以组成大型彩灯控制系统。
因为本次实习要求设计的彩灯路数较少.且花型变换较为简单.故采用移位寄存器型彩灯控制电路。
(1)彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器.基本要求:
1.8路彩灯能演示三种花型(花型自拟);
2.彩灯用发光二极管LED模拟;
选做:
实现快慢两种节拍的变换。
(2)课程设计的总体要求
1.设计电路实现题目要求;
2.电路在功能相当的情况下设计越简单越好;
3.注意布线.要直角连接.选最短路径.不要相互交叉;
4.注意用电安全.所加电压不能太高.以免烧坏芯片和面包板。
三总体方案的设计
整体电路分为四个模块.第一个模块时钟信号的产生;第二个模块实现节拍控制;第三个模块实现花型的控制;第四个模块实现实现花型的演示。
这种方案将整个设计电路的功能模块化.设计思想比较简单。
元件种类使用少.且都较熟悉易于组装电路。
这么设计的出发点是:
电路设计模块化.易于检查电路.对后面的电路组装及电路调试都很方便.花型控制电路简单.花型也比较简单。
主体框图如下:
时钟信号CP电路:
用555芯片产生CP脉冲。
节拍控制电路:
节拍变化由151八选一数据选择器完成.节拍的快慢变化可由74双上升沿D触发器完成.它可实现二分频。
花型控制电路:
由161.4位二进制同步计数器完成;
花型演示电路:
由194双向移位寄存器完成(可左移右移完成花型变化);
四单元电路的设计
1.设计所使用的元件及工具:
74LS161(四位二进制同步计数器)----------------------------2个;
74LS194(移位寄存器)-----------------------------------2个;
74LS151(八选一数据选择器)--------------------------------1个;
74LS74(双D触发器)---------------------------------------1个;
74LS00(四二输入与非门)----------------------------------2个;
74LS04(六非门)-------------------------------------------1个;
555---------------------------------------------------1个;
发光二极管------------------------------------------------8个;
电容:
4.7μf----------------------------------------------1个;
0.01μf-----------------------------------------------1个;
电阻:
150kΩ---------------------------------------------------------------------1个;
100Ω----------------------------------------------4个;
4.7kΩ------------------------------------------------1个;
实验板一块;万用表一个;钳子一个;导线若干。
2.各个单元电路
(1)时钟信号电路
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
4.7μf10nf
电阻取:
150kΩ4.7kΩ
电路图如下:
(2)节拍控制电路
由一片151和一片74级联实现。
整体上实现脉冲频率的变换.即交替产生快慢节拍。
令74的Vcc.CLR.PR都接高电平.将^Q的输出接到D端.Q端的输出接到151的D1端。
令151的B,C,G’,GND接低电平.Vcc接高电平.D0接时钟信号的CP脉冲.A端接由花型控制电路的QG输出。
所以Y端的输出就为:
Y=CP·^A+Q·A
(Q是74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能.记录上一个状态.所以在每一个CP脉冲的上升沿.Q输出为上一次的记录(即一个脉冲)。
也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。
所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。
A端接的是161的高位片的QF即当到达第32拍时QF为1接下来的33~64拍为变慢后的脉冲输出。
电路图如下:
(3)花型控制信号电路
由二片161级联的模64(三种花型每种显示一遍.再总体重复一遍的总节拍数)计数器。
161的级联用的是同步.并用^QG清零。
当三种花型全新显示一遍后(总共32拍)161的输出变为00000100所以将161高位片的信号QF输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。
161的CP脉冲来自节拍控制电路中151的输出端Y。
电路图如下:
(4)花型演示电路
由二片移位寄存器194实现。
其八个输出信号端连接八个发光二极管.用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。
而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出控制(它们由同一个CP脉冲控制)。
三种花型变换样式
花型1:
8路灯分两半。
从左至右渐亮.全亮后.再分两半从左至右渐灭。
循环两次;
花型2:
从中间到两边对称地逐次渐亮.全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。
循环两次;
花型3:
从左至右顺次渐亮。
全亮后逆序渐灭。
循环两次。
移存器输出状态编码表
节拍序号
花型1
花型2
花型3
1
00000000
00000000
00000000
2
10001000
00011000
10000000
3
11001100
00111100
11000000
4
11101110
01111110
11100000
5
11111111
11111111
11110000
6
01110111
11100111
11111000
7
00110011
11000011
11111100
8
00010001
10000001
11111110
9
11111111
10
01111111
11
00111111
12
00011111
13
00001111
14
00000111
15
00000011
16
00000001
这3种花型在每种频率下各显示一遍.三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为32.即1~8显示第一个花型.9~16显示第二个花型.17~31显示第三个花型。
要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变,将两片194分为低位片和高位片.再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。
列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下:
(用^Li表示Li的取非)
花型
低位片
节拍控制信号
SL
SR
S1
S0
SL
SR
S1
S0
QDQE
1
X
^L8
0
1
X
^L8
0
1
00
2
^L8
X
1
0
X
^L8
0
1
10
3
X
^L8
0
1
X
L4
0
1
01
X
^L8
0
1
x
L4
0
1
11
列出卡诺图分析
194低位片
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
^L8
0
0
1
1
X
X
1
0
0
SL=^L8S1=D^E
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
X
0
1
0
1
^L8
^L8
1
1
1
SR=^L8S0=^(D^E)
194高位片
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
X
0
0
0
1
X
X
1
0
0
SL=XS1=0
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
^L8
0
1
1
1
L4
L4
1
1
1
SR=^L8^E+L4ES0=1
由上图分析可以得到控制194高、低位片的左移右移变化控制端S1、S0以及串行输入端的由161的输出端QD、QE和本身输出端L4和^L8控制。
用去QA—QH表示161从低位到高位的个输出端。
控制结果表达式如下:
194低位片
194高位片
S1=D^E
S1=0
S0=^S1
S0=1
SL=^L8
SL=X
SR=^L8
SR=^L8^E+L4E
电路图如下:
五总体电路图
六电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法。
刚开始数电实习的时候.我想到了,先设计电路,再搭电路,以便后来的排错,从而完成实习要求。
在设计电路时.我先确定了总体框图.555的CP脉冲电路.74,151的分频电路相对容易.很快就设计好了.难就难在161和194的关系处理上.怎么用161控制194的花型转换.怎么用194连续显示3种花型呢?
接着我想到161的功能就是计数.它可以通过计数来控制花型的转换.而194是移位寄存器.通过控制它的SL,SR,S0.S1.就可以进行花型的显示.而卡诺图化简就可以找出161和194的关系.理清思路后.我很快就完成了设计。
周三我就开始用面包板搭电路了.再搭电路前.我用万用表测了面包板的正负极是否连通.在确保它是连通的后才正式搭电路.由于设计和仿真都是自己一步步扎扎实实地走的.周五就进行了测验.加上电后.我分模块对电路进行了测试。
1.测试脉冲产生模块。
在555定时器的3脚插上了一个LED灯后.发现灯不亮.我就怀疑是不是点没加进去.检查后发现.我把电源负极和地分开了.没有把它们接在一起.这就相当于电路没连通.在用导线把它们连接好后再加电.LED灯正常闪亮.我又在151的Y输出端接上了一个LED灯.正常闪亮.说明脉冲产生电路是正常的。
2.测试节拍控制模块。
我先把A接0.发现Y输出接的LED灯和CP输出端接的灯闪亮是同步的.即还没有分频.再把A接高电平.这时现Y输出接的LED灯和CP输出端接的灯闪亮便不是同步的了.即实现了分频.分频电路正确。
3.测试花型控制电路和花型演示电路。
我在两片161的输出端都接上了LED灯.观察它计数是否正确.再在两片194的输出端接上LED灯.观察其分频前的花型和分频后的花型是否正确。
在加电后.观察到161可以正常计数.且194的花型显示也是正确的.但就是在161计数到32后没有进行分频.在分频模块功能正常的前提下.出现这种情况的原因只有一种.那就是A的高电平没有返回给151.所以对于151来说在A是0时.输出的就是CP.所以没有分频.我用万用表测了151的A引脚和161的F输出.发现是正常连通的.但是加电后还是不能分频.既然不是接触不良.那问题会出在哪呢?
这引起了我的思考.会不会是F脚的输出逻辑电平达不到1.因为我在F脚接了一个LED灯.会产生压降.虽然灯可以亮.但它的逻辑值却是0.那么把F脚的这个灯拔掉这一问题会不会就解决掉了呢?
在拔掉灯后.我惊喜地发现在161计数到32后.可以实现分频了!
至此.测试完满结束。
七附加功能的实现
当我完成基本的实验电路后实习的老师建议我去尝试一下.用数码管实现花型的现实.即当时第一个花型时.数码管显示1.以此类推。
我用了几个小时的时间想出来了解决方案.用一片48芯片和一个数码管实现.将48芯片的D.C管脚分别接地.A接F1非或F2.即F1与F2非得与非.前面的电路已经实现.只须连接.B接F1.其他的输入管脚按照芯片的工作要求进行连接。
在连接电路时必须注意管脚的位置.开始接错了.数码管显示的是2,4,6。
最后检查是管脚位置接错了.检查完后.按照对的管脚图连接电路.数码管显示出了1,2,3.所以必须足够的耐心.细心。
八分析和总结。
本次课程设计我用了一个星期的时间就全部做完.两天天设计.两天测试.因为在设计之前根据设计的要求.每个模块都仔细的设计分析了.扎扎实实一步步实现.才有这么高的效率。
而且从本次课程设计中收获很多。
可以总结为以下的几点:
(一)学会了灵活运用数电知识
这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识.在整个实习过程中.都离不开对数字电路课程知识的再学习。
151,194,161,555各个芯片的功能.真值表都熟悉了一遍。
巩固了数电知识。
在刚开始设计花型时.由于我对194芯片的SR.SL控制不是很清楚.所以就在这块打住了.后来认真查书.找到控制它们的规律后.完成了194显示花型的设计.也完成了161对194的控制。
(二)锻炼了分析问题的能力和排错能力
在拿到这个题目时.我首先进行了分析.它要实现什么功能.分哪几个模块.各个模块又由哪些芯片构成.这些芯片该怎么用.各个模块之间又有什么联系。
在分析好这些后.再进一步地完善设计内容.从整体到部分.分而治之是核心。
设计好方案后.进行电路的搭建。
在测试电路时.不可避免地出现了各种错误.但是把问题具体化.大化小.最后还是可以找出问题.并解决问题的。
只要有足够的耐心和细心.思路清晰.就会很轻松地解决问题。
通过这次实习.我的逻辑思维能力得到了很好的锻炼.分析问题和解决问题的能力也得到了提升.排错能力也比以前好了。
(三)提高了动手能力
学数电的时候.我不会想着怎么布线.怎么放置芯片.使整体布局更合理.更美观.但实际搭电路的时候就得考虑这些问题.由于资源有限.怎么接可以更节约导线.用更少的芯片.这都得仔细设计.设计得好的话.有利于以后检查电路.也方便别人看。
如果没有这次实习.我可能还会犯一些很简单的错误.如不知道把负极和地接在一起.但是.时间出真知.通过自己动手实践.我牢牢地记住了这个知识点.也丰富了自己在搭电路方面的经验。
总结
本次试验中包括CP的产生电路用的555芯片.基本电路我用了8个芯片(一片555、两片161、两片194、两片00、一片04).分频电路用74和151实现.一共用了10个芯片。
是目前我想出的用最少的器件.最简单的布线来实现所要求的功能。
从电路图的设计、实现、实验报告.都是自己思考和动手。
学会了用所学习过的芯片设计电路.并用面包板来实现.实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。
总而言之.好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会.努力按要求完成了任务.提高了自己的综合思考能力和动手实践能。
九.参考文献。
<<数字电路逻辑设计>>----------------------------------高等教育出版社王毓银编
西安邮电大学数字逻辑课程设计过程考核及成绩鉴定表
学生姓名
崔欢
班级/学号
电路1102/05116048
承担任务实验室(单位)
电路与电子技术基础教学部
所在部门
电子工程学院
实施时间
2013年6月3日—2013年6月14日
课程设计过程
要求
优
良
中
及格
不及格
电路功能
花型种类
移动方向
移动速度
其它
电路质量
电路运行稳定
元件布局合理
连线简洁
回答问题
分析问题、解决问题能力
电路原理清楚.能抓住重点
设计报告
设计思路清晰、图表齐全、各部分电路说明正确。
学习态度
□认真□一般□差
学习纪律
□好□一般□差
实习综合成绩
□优秀□良好□中等□及格□不及格
指导教师签名
年月日
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- 数字 逻辑 课程设计 报告 彩灯 控制器