圣诞树的设计与制作

时间:2019-11-07 13:54 点击:

  目 录 1、设计任务及要求-----------------------------1 2、总体框图-----------------------------------1 3、选择器件-----------------------------------2 4、功能模块-----------------------------------11 5、总体电路图设计-----------------------------16 6、硬件实验-----------------------------------17 7、课设心得-----------------------------------18 1 圣诞树的设计与制作 一、 设计任务与要求 圣诞树一共有七层彩灯控制电路组成。顶层用一个五角星红色闪光灯构成; 第一层由 CD4017 和 LM555 构成一个双闪或三闪式信号闪光电路;第二层有 8 个不同颜色的彩灯组成的控制电路,控制要求彩灯依次由暗变亮,又变暗不断重 复闪烁发光; 第三层由两组不同颜色的彩灯构成,形成红灯闪烁完毕绿灯接着闪 烁,然后停 3s 到 5s 后红灯再次闪烁,然后绿灯再次闪烁,从而形成一个周期闪 烁的彩灯控制电路;第四层由一只双四位串入/并出移位存储器 CD4015 组成形 成光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果; 第五层在第四层的基础上对电路结 构进行适当的变化形成一亮一暗交替闪烁发光电路;第六层双色花样流动灯,通 过输出端与发光二极管的交叉连接在时钟脉冲的作用下两计数器输出的脉冲使 双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。 任务完成后, 总体效果就是各层设计的彩灯电路在各自控制的电路下形成交 替动感闪烁发光效果。 二、总体框图 圣诞树的设计与制作 红 色 闪 光 灯 电 路 双 闪 式 信 号 闪 光 灯 电 路 循 环 闪 烁 灯 电 路 移 动 发 光 式 闪 光 灯 电 路 交 替 发 光 式 闪 光 灯 电 路 双 色 花 样 流 动 闪 光 灯 电 路 周 期 闪 烁 的 闪 光 灯 电 路 图(1)圣诞树的设计与制作的总体框图 在闪光灯电路中,我决定用二进制计数器 74LS293。利用它的二进制功能, 从而实现 LED 闪光灯电路。在双闪电路中,题目要求用 LM555 和 CD4017 组成一 个双闪电路,但 CD4017 的芯片我们不是很熟悉,所以我决定利用十进制计数器 74LS160 构成三进制计数器来实现双闪电路。在循环闪烁灯电路中,我打算将同 步 4 位二进制加/减计数器 74LS193 的输出接到 3-8 译码器的输入端,再用四个 与非门共同组成一个循环闪烁的闪光灯电路。在移动发光式闪烁灯电路中,我用 两只双四位串入/并出移位寄存器 4015BD 组成 LED 灯光移动闪烁电路, 在脉冲的 2 作用下,移位寄存器的输出端依次输出驱动脉冲,通过驱动二极管的发光,形成 光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果。 交替发光式 LED 闪光灯电路是在移动 闪烁电路的基础上改变的,即改变输入数据。在双色花样流动闪光灯电路中,我 用了两个 4017BD 芯片,通过输出端与发光二极管的交叉连接,在时钟脉冲的作 用下两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。 在周期 闪烁的闪光的电路中,我仍用十进制计数器 74LS 160 实现了红灯绿灯的循环闪 烁,但不知道如何实现 3-5S 的停顿 三、选择器件 1.CD4017 CD4017 是 5 位 Johnson 计数器,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,计数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。 CD4017 提供了 16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料 双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。 推荐工作条件 电源电压范围:3V-15V;输入电压范围:0V-VDD 工作温度范围 M 类:55℃-125℃ ;E 类:40℃-85℃ 极限值: 电源电压:-0.5V-18V;输入电压:-0.5V-VDD 十 0.5V;输入电流:±10mA 贮存温度:-65℃-150℃ 引出端功能符号 CO:进位脉冲输出;CP:时钟输入端; CR:清除端; INH:禁止端; Q0-Q9 计数脉冲 输出端; VDD:正电源; VSS:地 CD4017 引脚图: 图(2)芯片 CD4017 的管脚图 D4017 引脚图的功能: 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: 3 A、频率输入脚:CLOCK(Pin14),为频率信号的输入脚。 B、数据输出脚: a、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。 b、CARRY OUT(Pin12) ,进位脚,当4017计数10个脉冲之后,CARRY OUT 将输出 一个脉波,代表产生进位,共串级计数器使用。 C、 控制脚: a、 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”。 b、CLOCK ENABLE(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。 2.CD4015 CD4015 是一个串入并出移位寄存器,从逻辑结构上看,移位寄存器有以下 两个显著特征:(1)移位寄存器是由相同的寄存单元所组成。一般说来,寄存单 元的个数就是移位寄存器的位数。为了完成不同的移位功能,每个寄存单元的输 出与其相邻的下一个寄存单元的输入之间的连接方式也不同。(2)所有寄存单元 共用一个时钟。在公共时钟的作用下,各个寄存单元的工作是同步的。每输入一 个时钟脉冲, 寄存器的数据就顺序向左或向右移动一位。通常可按数据传输方式 的不同对 CMOS 移位寄存器进行分类。移位寄存器的数据输入方式有串行输入和 并行输入之分。 串行输入就是在时钟脉冲作用下,把要输入的数据从一个输入端 依次一位一位地送入寄存器; 并行输入就是把输入的数据从几个输入端同时送入 寄存器。 在 CMOS 移位寄存器中,有的品种只具有串行或并行中的一种输入方式,但 也有些品种同时兼有串行和并行两种输入方式。 串行输入的数据加到第一个寄存 单元的 D 端,在时钟脉冲的作用下输入,数据传送速度较慢;并行输入的数据一 般由寄存单元的 R、S 端送入,传送速度较快。移位寄存器的移位方向有右移和 左移之分。 右移是指数据由左边最低位输入, 依次由右边的最高位输出; 左移时, 右边的第一位为最低位,最左边的则为最高位,数据由低位的右边输入,由高位 的左边输出。 移位寄存器的输出也有串行和并行之分。串行输出就是在时钟脉冲作用下, 寄存器最后一位输出端依次一位一位地输出寄存器的数据; 并行输出则是寄存器 的每个寄存单元均有输出。CMOS 移位寄存器有些品种只有一种输出方式,但也 有些品种兼具两种输出方式。实际上,并行输出方式也必然具有串行输出功能。 CD4015 是由两组独立的 4 位串入-并出移位寄存器组成。每组寄存器都有 一个 CP 输入端、一个清零端 CL 和一个串行数据输入端 DS。每位寄存单元都有 输出端引出,因而即可作串行输出,又可实现并行输出。加在 DS 端上的数据在 时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。当在 CL 端加高电平时,寄存器的输出被全 部清零。下表(1)为 CD4015 线 中的移位过 程。该图可以看出,CD4015 的初始状态为“0101”, 要串行输入 4 位数据,就 要给 CP 端加 4 个脉冲。通过信息在 CD4015 中的流动过程,我们可知 CD4015 具 有下述功能: (1)从串行输入到串行输出, 数据延迟了 4 个时钟周期。 因此, CD4015 可用作延迟电路。 (2)串行数据经过 CD4015 以后, 转换成了并行数据, 可由 Q0~ Q3 端并行输出。(3)可作为数据寄存器使用。 4 CP DS CL 1 0 Q0 0 Q1 0 保持 Q2 0 Q3 0 0 1 0 0 0 1 Q0n Q0n Q1n Q1n Q2n Q2n 表(1)CD4015 的线N 是一个非门,其逻辑功能表如下表所示: 表(2)74LS04 的逻辑功能表 下图是其逻辑框图: 5 图(4) 74LS04 的内部结构 4. 74LS160 74LS160N 为十进制同步加法计数器。其逻辑功能描述如下:在 CT74LS160 中 LD 为预置数控制端,D0-D3 为数据输入端,C 为进位输出端, R D 为异步置零 端,Q0-Q3 位数据输出端,EP 和 ET 为工作状态控制端。 当 R D =0 时所有触发器将同时被置零, 而且置零操作不受其他输入端状态的 影响。当 R D =1、 LD =0 时,电路工作在预置数状态。这时门 G16-G19 的输出始 终是 1,所以 FF0-FF1 输入端 J、K 的状态由 D0-D3 的状态决定。当 R D = LD =1 而 EP=0、 ET=1 时, 由于这时门 G16-G19 的输出均为 0, 亦即 FF0-FF3 均处在 J=K=0 的状态,所以 CP 信号到达时它们保持原来的状态不变。同时 C 的状态也得到保 持。如果 ET=0、则 EP 不论为何状态,计数器的状态也保持不变,但这时进位输 出 C 等于 0。当 R D = LD =EP=ET=1 时,电路工作在计数状态。从电路的 0000 状 态开始连续输入 10 个计数脉冲时,电路将从 1111 的状态返回 0000 的状态,C 端从高电平跳变至低电平。利用 C 端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。 下表(3)为 74LS160N 的逻辑功能表: 6 输入 CLR 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 表(3)74LS160 的逻辑功能表 74LS160N 的逻辑符号: 74LS160 的逻辑框图: 1 LOAD ENT ENP CLK 输出 异步清零 同步预置 计数 保持 保持 图(5)74LS160 的逻辑符号 74LS160 的内部原理图: 图(6)74LS160 的逻辑框图: 图(7)74LS160 的内部原理图 7 5. IN4001 IN4001 是一个二极管,在主板上二极管的作用是:做指示灯、整流、稳压、 钳位、 开关的作用。 主板二极管的标注是 在主板中二极管一般用 D 或 VD 表示。 其标注一般由 5 部份组成. 二极管的主要参数:1、 最大整流电流是指二极管长期连续工作时允许通过的 最大正向电流值,其值与 PN 结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子 时会使管芯发热,温度上升,温度超过容 许限度(硅管为 140 左右,锗管为 90 左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下,二极管使用中不要 超过二极管最大整流电流值。例如,常用的 IN4001-4007 型锗二极管的额定正 向工作电流为 1A。2、最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值 时,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工 作电压值。 例如, IN4001 二极管反向耐压为 50V, IN4007 反向耐压为 1000V。 3、 反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极 管的反向电流。反向电流越小,管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向 电流与温度 有着密切的关系,大约温度每升高 10℃,反向电流增大一倍。例如 2AP1 型锗二极管,在 25℃时反向电流若为 250uA,温度升高到 35℃,反向电流 将上 升到 500uA,依此类推,在 75℃时,它的反向电流已达 8mA,不仅失去了单 方向导电特性,还会使管子过热而损坏。又如,2CP10 型硅二极管,25℃ 时反 向电流仅为 5uA,温度升高到 75℃时,反向电流也不过 160uA。故硅二极管比锗 二极管在高温下具有较好的稳定性。 4、最高工作频率 二极管工作的上限频率。 超过此值是,由于结电容的作用,二极管将不能很好地体现单向导电性。 二极管好坏判断 1、普通二极管 正向:600 欧左右,反向为 1(数字表二极 管档) 2、快速恢复二极管 主板二极管代换原则 1、贴片二极管,颜色,大小一致可换。 2、红色玻璃 二极管可互换使用 3、快恢复二极管 PBYR2535、PBTR2545、PBYR2045 可相互代 换,其余须稳压值相同,方可代换。几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体 二极管,它在许多的电路中起着重要的作用,它是诞生最早的半导体器件之一, 其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压 时,由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流 相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相 抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时, 外界电场和自建电场进一步加强, 形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值 无关的反向饱和电流 I0。 当外加的反向电压高到一定程度时,p-n 结空间电荷层 中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了 数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多,按照所用的半导体材料,可分为锗二极 管(Ge 管)和硅二极管(Si 管) 。根据其不同用途,可分为检波二极管、整流二 极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构,又可分为点接触型二极管、 面接触型二极管及平面型二极管。 点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光 洁的半导体晶片表面,通以脉冲电流,使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起,形 成一个“PN 结”。由于是点接触,只允许通过较小的电流(不超过几十毫安) , 适用于高频小电流电路,如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN 结”面积 8 较大,允许通过较大的电流(几安到几十安) ,主要用于把交流电变换成直流电 的“整流”电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管,它不仅能通过较大的 电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中, 电流只能从二极管的正极流入, 负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正 向特性和反向特性。1. 正向特性:在电子电路中,将二极管的正极接在高电位 端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须 说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管 的正向电流十分位弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电 压”,锗管约为 0.2V,硅管约为 0.6V)以后,二极管才能直正导通。导通后二 极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为 0.3V,硅管约为 0.7V) ,称为二极管 的“正向压降”。2. 反向特性:在电子电路中,二极管的正极接在低电位端, 负极接在高电位端, 此时二极管中几乎没有电流流过, 此时二极管处于截止状态, 这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电 流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电 流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。 二极管的主要参数: 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标,称 为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言,必须了 解以下几个主要参数: 1.额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过 的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容 许限度(硅管为 140 左右,锗管为 90 左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以, 二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。 例如, 常用的 IN4001-4007 型锗二极管的额定正向工作电流为 1A。2.最高反向工作电压加在二极管两端的 反向电压高到一定值时, 会将管子击穿, 失去单向导电能力。 为了保证使用安全, 规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001 二极管反向耐压为 50V,IN4007 反 向耐压为 1000V。3.反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电 压作用下, 流过二极管的反向电流。 反向电流越小, 管子的单方向导电性能越好。 值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高 10,反向电流 增大一倍。 例如 2AP1 型锗二极管, 在 25 时反向电流若为 250uA, 温度升高到 35, 反向电流将上升到 500uA,依此类推,在 75 时,它的反向电流已达 8mA,不仅失 去了单方向导电特性,还会使管子过热而损坏。又如,2CP10 型硅二极管,25 时反向电流仅为 5uA,温度升高到 75 时,反向电流也不过 160uA。故硅二极管比 锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 6.LM555 LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各 大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一种通用集 成电路。 LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽,可用来产 生时间延迟和多种脉冲信号,被广泛用于各种电子产品中。 555 时基电路有双极型和 CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极 型。优点是输出功率大,驱动电流达 200mA 。而另一种 CMOS 型的优点是 功耗低、电源电压低、输入阻抗高,但输出功率要小得多,输出驱动电流 只有几毫安。 电路特点: 9 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。 内部结构: 图(8)555 计时器的内部结构 10 LM555 引脚图: 图(9)LM555 的引脚图 7.74LS293 74LS293 是 4 位异步二进制加法计数器,具有二分频和八分频能力。它由一 个二进制和八进制计数器组成, 两个计数器各具有下降沿有效的时钟端,两个计 数器具有相同的高电平使能清除端 R0(1)和 R0(2). 74LS293 的引脚图: 由 74LS293 构成的二进制计数器: U7 12 R01 & 13 R02 CTR U7 12 R01 & 13 R02 CTR XFG3 10 INA 11 INB DIV2 QA 9 DIV8QB 5 QC 4 QD 8 10 INA 11 INB DIV2 QA 9 DIV8QB 5 QC 4 QD 8 74LS293N 74LS293N 图(10)芯片 74LS293 的引脚图 图(11)二进制计数器 8.74LS193 74LS193 为可预置数的同步十进制加减法计数器,它具有上升沿有效的加计 数时钟端 UP 和减计数时钟端 DOWN,该计数器具有异步清零端,当清零信号 CLK 为高电平时,实现清零功能;该计数器还有异步置数功能,当置数信号 LOAD 为 低电平时,实现预置数;当计数器加计数,且计数值为 9 时,进位端 CO 输出宽 度等于加计数脉冲 UP 的低电平脉冲;当计数器减计数、且计数值为 0 时,借位 端 BO 输出宽度等于减计数脉冲 DOWN 的低电平脉冲。 10 C QC 6 9 D QD 7 74LS193N 15 A 1 B QA 3 QB 2 14 CLR ~CO 12 11 ~LOAD UP ~BO 13 DOWN 11 图(12)74LS193 的引脚图 5 4 U8 9.74LS138 74LS138 是 3 线 线译码器。 将输入二进制代码转换成与代码对应的高、低电平 的电路称为译码器。 74LS138 的逻辑符号; 6 4 5 74LS138N 74LS138 的功能表: 输入 使能端 G G1+G2 X 1 0 X 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 输入端 C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 图(13)74LS138 的逻辑符号 Y Y Y Y Y Y Y Y 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 表(4)74LS138 的功能表 其中 C、B、A 是译码器的数据输入端,Y0 到 Y7 是输出端,也就是输入端 C、 B、A 的各个最小项。 1 2 3 U9 输出端 A Y0 15 B Y1 14 C Y2 13 Y3 12 G1 & Y4 11 ~G2A Y5 10 ~G2B Y6 9 Y7 7 四、功能模块 1、红色闪光灯电路 U1 12 R01 & 13 R02 CTR U2A 10 INA DIV2QA 9 DIV8QB 5 11 INB QC 4 QD 8 & 74LS00D 30Ω 5% LED1 XFG1 R1 74LS293N 图(14)第七层红色闪光灯电路 12 由 74LS293 构成的二进制计数器如图(14)所示,在脉冲的作用下,输出端 会输出 0000 和 0001 两种状态。若输出 0000,则经过与门后输出信号就变为高 电平,发光二极管就发光;接着输出 0001,经与非门后的输出信号就变为低电 平,发光二极管就变暗。这样一来,就会形成闪烁发光的闪光灯电路。 2、双闪式信号闪光灯电路 U4 DCD_HEX_GREEN J1 0 8 Key = A 2 V1 5V 5 12 9 11 7404N 7404N U2A 4 U3A 3 R1 400Ω U1 VCC 5V VCC LED1 1 V2 10 Hz 5V GND GND 10 GND 74160N GND GND GND 图(15)第一层双闪电路 图 (15) 的工作原理是通过控制 74LS160 这个计数器将信号转化为 3 个信号, 分别为 0000,0001,0010,比较三个信号在 QB 处为与前两个数字与第三个数字的 不同之处, 故设计 0000,0001 的 QB=0 为灯亮时的信号控制灯亮,反之 0010 时发 光二极管阴极信号为高电平,发光二极管灭,如此循环得到控制双闪灯的电路。 3、循环闪烁灯闪光电路 U5 VCC 2 3 U6 74LS193N 4 5 6 0 74LS138N & & U3B 16 VCC 5V & U1A 1 74LS00N & U2B 74LS00N 7 8 9 11 13 14 12 LED1 LED2 LED3 LED5 LED6 LED7 & 74LS00N XFG1 0 10 LED4 15 17 VCC 5V VCC R1 300Ω LED8 U4C 74LS00N 图(16)第二层循环闪光灯电路 13 图(16)中同步 4 位二进制加/减计数器 74LS193 计数输出到 3-8 译码器 74LS138,G1 和 G2 组成与非门结构的 SR 锁存器。在译码器输出 1 引脚为低电平 时,G1 输出高电平,使 G2 输出低电平,G3 门解除封锁,计数脉冲通过 G3 门, 使计数器加计数。在译码器输出 8 引脚为低电平时,G2 输出高电平,使 G1 输出 低电平,G4 解除封锁,计数脉冲通过 G4 门,使计数器减计数。译码器输出连接 共阳极连接的发光二极管,译码器输出低电平时,二极管发光。由于计数器工作 在加/减计数状态,则发光二极管将来回顺序点亮。 4、移动发光式闪光灯电路 XFG1 VCC 12V 24 VCC 4015BD_5V C1 20nF 22 U2B 11 12 13 14 4015BD_5V U7E 4069BCL_5V 6 8 U1A 2 4 3 5 7 LED9 9 LED7 LED1 LED2 0 R2 160Ω R3 160Ω R4 160Ω R9 160Ω R5 160Ω R6 160Ω R7 160Ω R8 160Ω 17 18 19 10 LED3 LED4 LED5 LED6 1 R1 100kΩ J1A 0 VCC Key = A VCC 12V 图(17)第四层移动发光式闪光灯电路 图(17)中,CD4015 中的两个移位寄存器,第二寄存器的数据端 D2 接第一个 寄存器的 1D 输出端, 构成了一个八位移位寄存器。第一寄存器的数据端 1D 通过 一只反相器与第二寄存器的 QD 输出端相连,使电路开机复位后第一寄存器的数 据端为“1” 。C2、R9 组成的开机复位电路,接通电源后使寄存器复位,各输出 端均输出低电平 “0” 。当由移位脉冲发生器输出的移位脉冲同时加以至移位寄存 器的两个脉冲输出端 CP1 和 CP2 后,由于第一寄存器的数据端为“1” ,所以它的 输出端 Q1-Q4 依次输出高电平, 接在它的输出端的发光二极管 LED1-LED4 依次发 光;而第二寄存器的数据端为“0”,所以它的输出端 QA-QD 依次输出低电平,接 在它的输出端的发光二极管 LED5-LED8 不发光。在 D 来了高电平后,LED5-LED8 就会依次发光,当 LED8 发光后,高电平就会通过非门变为低电平回到 D 端,从 而使 LED1-LED8 依次熄灭。此后的各循环将按上述状态继续下去。注意:在接通 电源后,首先将开关 A 闭合,实现清零。停顿几秒后,再断开开关 A。接下来就 14 会出现移动发光的效果。 5、交替发光式闪光灯电路 U5A VCC 12V XFG1 4069BCL_5V 19 U1A 2 4 6 4015BD_5V C1 20nF 12 9 10 11 17 4015BD_5V 13 14 15 18 16 R2 160Ω R3 160Ω R4 160Ω R9 160Ω 3 5 7 LED9 8 LED7 LED1 LED2 VCC U2B R5 160Ω R6 160Ω R7 160Ω R8 160Ω LED3 LED4 LED5 LED6 0 1 R1 100kΩ 0 图(18)第五层交替闪光灯电路 当电路接通电源后使电路复位后,Q1 的低电平首先通过反相变为高电平后 加至第一寄存器的数据端。当第一个移位脉冲输入后,Q1 变为高电平,LED1 发 光。Q1 的高电平经反相器反相后变为低电平加至数据端,当第二个移位脉冲输 入后,Q1 变为低电平,LED1 不发光。而此时原 Q1 端的高电平被移位至 Q2,使 LED2 发光。此后在连续输入移位脉冲的作用下,发光二极管 LED1-LED8 将按照 一亮一暗的形式交替闪烁发光。 6、双色花样流动式闪光电路 15 15V Vs VDD R6 100Ω 12V Vs 2 3 5 6 10 21 4017BD_5V 22 23 24 555_VIRTUAL Timer 25 LED1 LED11 LED12 1 288.6kΩ R1 RST U1 CNTR LED3 LED4 LED2 LED5 LED16 LED17 LED18 LED19 27 31 LED13 LED14 LED15 12 LED6 LED7 LED8 LED9 LED10 R5 500Ω 0 16 17 18 U2 CNTR 0 VCC OUT 0 9 4 7 8 DIS THR 577.2kΩ R2 TRI CON GND 100Ω Rl 19 20 13 11 14 15 4017BD_5V 10nF C 10nF Cf 0 LED20 图(19)第六层双色花样流动式闪光电路 上图(19)所示,LM555 与 R1、Rp 和 C1 构成一个多谐振荡器,向两个计数 器提供时钟脉冲。在接通电源后,上五排的发光二极管由于接高电平而发光,下 五排的二极管由于接地而不发光。第一个脉冲来后,LED1 由于输出端输出高电 平而会熄灭,同时 LED16 由于输出端输出高电平而发光。依次下去,就会形成流 动发光的花样闪光电路。 7、周期闪烁的闪光灯电路 图(20)第三层周期闪烁电路 16 在周期闪烁的闪光灯电路中, 我利用二进制计数器形成了红灯绿灯的周期闪 烁。当输出端为 0000 时,输出的低电平经过与非门后变为高电平,LED1 就会发 光;当输出端为 0001 时,输出端输出高电平,LED2 就会发光;周而复始,一直 下去。但遗憾的是,我不会设计 3-5 秒的间隔时间,使第三层电路没能成功。 五:总体电路设计 U12A VCC 5V &U1A 1 74LS00N &U2B U5 VCC 2 3 U6 74LS193N 4 5 6 0 74LS138N & &U3B 74LS00N 7 9 11 13 LED1 8 VCC VCC 12V 5V VCC R1 300Ω VCC XFG3 4069BCL_5V 49 U10A 38 39 4015BD_5V 47 R12 160Ω 51 52 LED20 LED21 LED17 LED22 LED2 74LS00N XFG1 0 10 LED3 LED4 15 17 R13 160Ω 40 R14 160Ω R18 160Ω 53 LED5 14 12 LED7 & LED6 LED8 C2 20nF 44 41 42 43 50 4015BD_5V U15 U4C 74LS00N XFG2 VCC 12V 34 U7E 19 20 22 4015BD_5V C1 20nF 36 U8B 24 25 26 4015BD_5V 18 U9E 35 4069BCL_5V 30 33 LED16 0 R11 100kΩ 0 0 37 U11B R15 160Ω R16 160Ω R17 160Ω R19 160Ω 45 54 46 55 LED18 LED23 LED19 LED24 0 R3 160Ω VCC 21 R4 LED9 160Ω 23 R5 LED10 160Ω R10 160Ω 32 LED15 XFG4 12 R01& CTR 13 R02 U16A 10 INADIV2QA 9 DIV8QB 5 11 INB QC 4 QD 8 82 & 74LS00D 83 30Ω R25 84 LED45 85 R6 160Ω R7 160Ω R8 160Ω R9 160Ω 27 28 29 31 LED11 LED12 LED13 U20 0 74LS293N DCD_HEX_GREEN J2 VCC 5V VCC R2 100kΩ J1A 0 LED14 0 87 15V Vs VDD R24 100Ω 59 Key = A 95 V1 5V GND V2 10 Hz 5V GND GND GND 69 70 LED38 81 LED39 65 LED30 80 LED31 LED32 LED33 73 74 66 72 67 68 4017BD_5V 71 U14 CNTR U17 89 91 90 92 7404N 7404N U18A 93 U19A 86 R26 94 400Ω LED46 88 VCC Key = A VCC 12V 12V Vs 1 U13 CNTR VCC RST OUT LED25 60 61 LED27 62 63 64 75 4017BD_5V LED28 LED26 LED29 76 LED40 77 78 0 555_VIRTUAL Timer 79 LED41 LED42 LED43 0 LED44 LED35 LED36 LED37 GND 74160N GND 288.6kΩ R1 56 57 58 DIS THR 577.2kΩ R2 TRI CON GND 100Ω Rl 0 10nF C 10nF Cf U25 LED34 VCC R23 500Ω 0 VCC 5V 105 5V DCD_HEX U26A 7400N & XFG5 U24 1 ~CLR 9 ~LOAD 10 ENT RCO 15 7 ENP 2 CLK 3 A 4 B QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 4 3 2 1 VCC 101 XFG6 VCC U21 1 ~CLR 9 ~LOAD 10 ENT RCO 15 7 ENP 2 CLK 3 A 4 B QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 U23A 74LS00D & 103 104 106 102 96 U22A & 74LS00D 98 LED48 99 27Ω R27 0 6 D 5 C 107 74LS160N 0 6 D 5 C 100 LED47 97 27Ω R28 0 74LS160N 图(21)圣诞树的设计与制作的总体电路图 17 由于我设计的这个圣诞树共分七层,而每层之间又没有联系,所以画出的总 体电路图就是七个电路图的合并图。接通电源后,顶层中,由 74LS293 构成的二 进制计数器如图所示,在脉冲的作用下,输出端会输出 0000 和 0001 两种状态。 若输出 0000,则经过与门后输出信号就变为高电平,发光二极管就发光;接着 输出 0001,经与非门后的输出信号就变为低电平,发光二极管就变暗。这样一 来,就会形成闪烁发光的闪光灯电路。第一层中,通过控制 74LS160 这个计数器 将信号转化为 3 个信号,分别为 0000,0001,0010,当输出为 0000,0001 的 QB=0 为灯亮时的信号控制灯亮,反之 0010 时发光二极管阴极信号为高电平,发光二 极管灭,如此循环得到控制双闪灯的电路。第二层中,由于计数器工作在加/减 计数状态,则发光二极管将来回顺序点亮。第三层中,利用二进制计数器形成了 红灯绿灯的周期闪烁。当输出端为 0000 时,输出的低电平经过与非门后变为高 电平, LED1 就会发光; 当输出端为 0001 时, 输出端输出高电平, LED2 就会发光; 周而复始,一直下去。但遗憾的是,我不会设计 3-5 秒的间隔时间,使第三层电 路没能成功。第四层和第五层中,两个四位移位寄存器 CD4015 构成一个 8 位移 位寄存器,在脉冲的作用下,就会实现设计要求。在第六层中,在接通电源后, 上五排的发光二极管由于接高电平而发光,下五排的二极管由于接地而不发光。 第一个脉冲来后,LED1 由于输出端输出高电平而会熄灭,同时 LED16 由于输出 端输出高电平而发光。依次下去,就会形成流动发光的花样闪光电路。 六、硬件实验 硬件实验所需芯片一览表 芯 片 名 称 CD4017 CD4015 74LS04 74LS160 74LS138 74LS293 LM555 发光二极管 电阻 导线 若干 若干 若干 表(5)硬件试验所需芯片及器件 18 备 注 有 有 有 有 有 没有 有 有 有 有 在今天中午的硬件实验中,我可以说是一头雾水,本来在仿真软件上连得挺 好的电路图,在硬件试验中结果就是出不来。我的圣诞树总共又七层,但在做硬 件实验时我只做了四层。虽然这四层都出结果了,但我对自己还是不满意,如果 时间和耐心都足够的话,我相信我会做完剩下两层。在连实物图的过程中,我暴 露了学习中得很多不足的地方。如:对待每一个问题总是想当然的简单化,其实 是看起来容易做起来难, 很多芯片的功能我都知道,但在实际用得过程中我总会 混淆它们;在经过努力仍没出结果的时候,我就会心烦的放弃,而不是好好的找 出问题所在,仔细改正?? 做硬件实验,我明白了很多,总结了一下,做实验不成功大概就以下几方面 的原因:1 芯片的问题。很多芯片在反复使用的过程中会损坏管脚,但在用得时 候却没有发现。2 导线的问题。经过无数次使用的导线,与试验箱接触的地方很 有可能出现断裂。3 在学习中,掌握知识点不是很透彻,以至于在运用的过程中 总会模棱两可。4 在连接的过程中,即使是盯着每个管脚看,但仍会出错,插错 管脚。 在今后的学习中,我一定要弄透彻问题,对待事情仔细认真,耐心地去完成 每一件事。 七、课设心得 课程设计刚开始, 拿着选定的题目不知如何入手。毕竟课程设计不同于实验 课,电路图都要自己设计。静下心来,仔细分析题目,再加上指导老师的说明与 提示,心中才有了一些设计方案。将整个系统根据不同的功能分成不同的模块, 再分别进行设计,逐个攻破,最后再将其整合。 在设计过程中, 我接触的芯片都是平时上课没有接触过的,所以我必须从头 了解每个陌生芯片的作用以及管脚图,尽管最后还不是运用的很熟练,但是至少 对这些芯片有了初步的认识与了解。通过这次课程设计,使我受益颇多。既巩固 了课上学过的理论知识, 又掌握了一些课外芯片的用处。在此基础上学习了数字 设计系统的基本思想和方法,学会了科学的分析实际问题,通过查资料,分析资 料和请教老师、同学,等多种学习途径,香港公式网论坛,独立思考。同时也培养了我严谨的工作 态度。在此次的圣诞树彩灯设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握 了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在设计电路中,往往是先仿真后连接 实物图,在仿真时我深刻的体会到理论与实践的差距,在连接实物图时,你又会 发现有时仿真和电路连接并不是完全一致的,在实际的电路连接中往往容易遗 漏。因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的。 但是在设计电路的连接图中 出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的.。 总之,经过这次的课程设计,我对理论知识有了进一步的理解,尤其时芯片 的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。 其次是我又明白了许多 理论与实践的不同之处,最后就是学会了调试较复杂数字电路的方法,验证所设 计电路的功能,增强了动手能力。总而一句话,在老师的帮助下,这次课程设计 收获颇多。 19

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