数电课程设计八路彩灯.docx
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数电课程设计八路彩灯
多路彩灯控制器的设计
一、课程设计题目(及实习目的)
(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.数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会,增强动手实践的能力。
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。
三总体方案的选择
(1)总体方案的设计
针对题目设计要求,经过分析及思考,拟定以下二种方案:
方案一:
总体电路共分三大块。
第一块实现花型的演示;第二块实现花型的控制;第三块实现时钟信号的产生。
主体框图如下:
方案二:
在方案一的基础上将整体电路分为四块。
第一块实现花型的演示;第二块实现花型的控制;第三块实现节拍控制;第四块实现时钟信号的产生。
并在部分电路的设计上及方案一采用了完全不同的方法,如花型的控制。
主体框图如下:
根据所提供的实验器材各模块总体思路如下:
时钟信号CP电路:
参见高等教育出版社王淑银主编的《数字电路及逻辑设计》课本P404图10-3-6(a);
花型控制电路:
由1614位二进制同步计数器完成;
花型演示电路:
由195双向移位寄存器完成(可左移右移完成花型变化);
节拍控制电路:
节拍变化由151八选一数据选择器完成,节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成,它可实现二分频。
(2)总体方案的选择
方案一及方案二最大的不同就在,方案一是基于基本要求而设计的,方案二加入了节拍的变化,花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。
两种方案的基本思路相同,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。
由于在设计的构想时期,已经确定将电路模块化,设计的过程中又已经将节拍控制电路设计出来,通过仿真软件也实现了设计要求——分频。
方案二同时完成了选做的要求,只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂,为了确保短时间内完成课程设计和高效率,我选择了方案二。
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(四二输入及非门)----------------------------------1个;
74LS04(六非门)-------------------------------------------1个;
发光二极管---------------------------------------------------8个;
555-----------------------------------------------------1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)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
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
我的设计是每种花型完整显示两遍,所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64,即1~16显示第一个花型,17~32显示第二个花型,33~64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,通过161的输出反馈来控制经过观察每16个CP低位片输出Q1—Q4变化比较频繁,根据变化的花型频率选用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的变化从而实现滑行的变化。
现将两片194分为低位片1和高位片2,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
QEQF
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
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
X
^L8
0
0
1
1
X
X
1
0
0
SL=^L8S1=QE.^QF
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
^L8
X
0
1
0
1
^L8
^L8
1
1
1
SR=^L8SL=^(QE.^QF)
194高位片
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
X
X
0
^L8
^L8
1
X
X
1
L4
XL4
SL=XSR=^QF.^L8+QF.L4
QE
QF
0
1
QE
QF
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
S1=0S0=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QE、QF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=QE.^QF
S1=0
S0=^S1
S0=1
SL=^L8
SL=X
SR=^L8
SR=QF.L4+^QF.^L8
电路图如下:
(2)花型控制信号电路
由二片161级联的模128(三种花型节拍每种显示两遍,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^QH清零。
当三种花型全新显示一遍后(总共64拍)161的输出变为所以将161高位片的Q2(即QG)信号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74的输出端Y。
电路图如下:
(3)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QG即当到达第64拍时QG为1接下来的65~128拍为变慢后的脉冲输出。
电路图如下:
(4)时钟信号电路9(由于仿真是无法弄出555片子,故是原理图)
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
4.7μf0.01μf
电阻取:
150kΩ4.7kΩ
电路图如下:
五总体电路图(见附页)
注:
由于仿真画图时芯片复杂,CP产生电路产生用电源代替(已试验,可以等效)。
六电路组装完成后,实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形
1.基本CP脉冲产生电路波形图及分频电路波形图
2.测试波形:
(列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即QA---QH)
花型一:
花型二:
花型三:
七电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法。
本次数字电路课程设计总共用了5天完成的,这几天每一
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