数电课程设计电子色子的设计与制作.docx
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数电课程设计电子色子的设计与制作
郑州科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目电子色子的设计与制作
学生姓名李康
专业班级11级电子科学与技术一班
学号201131007
院（系）电气工程学院
指导教师周喜
完成时间2013年12月8日
前言
21世纪，随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代──信息时代。
其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。
信息科学的基础是微电子技术和光电子技术，它们同属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。
本专业培养具备物理电子、光电子与微电子学领域内宽广理论基础、实验能力和专业知识，能在该领域内从事各种电子材料、元器件、集成电路、乃至集成电子系统和光电子系统的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发等方面工作的高级工程技术人才。
本专业学生主要学习数学、物理、物理电子、光电子、微电子学领域的基本理论和基本知识，受到相关的信息电子实验技术、计算机技术等方面的基本训练，掌握各种电子材料、工艺、零件及系统的设计、研究与开发的基本能力。
其中实践、动手能力尤为重要。
数电课程设计的实训恰好满足我们电子科学与技术专业学生的需要，不仅使得我们巩固了科学文化知识，还增强了我们的动手能力。
我们学习了仿真软件，学会了辨认各种元器件，加强了自己的焊接技术。
自身得到了很大的提高。
随着科学技术的发展，人们对电子制作有很大的兴趣。
在日常生活中，许多娱乐项目都用到了色子，所以，我们通过学习的电子制作，应用74ls00与非门和74ls161计数器以及4511译码器芯片自己制作一个电子色子。
1课程设计的目的
1、提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；
2、对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；
3、能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；
4、使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图；
5、更加熟练地掌握焊接技术；
6、模拟制作电子色子，使其更简单、直观、方便。
2课程设计的任务与要求
2.1课程设计任务
1、使用逻辑门电路、集成芯片等器件设计完成电子色子的设计；
2、用开关代替掷骰子，按下开关则LED从1-7随机显示点数；
3、用七段LED显示点数；
4、电路的焊接调配过程尽量简化、便捷；
5、对所做的电路总结，写出设计报告。
2.2课程设计要求
1、方案比较及认证；
2、系统框图，原理说明；
3、利用仿真软件Dxp或Multisim仿真电路，并学习PROTEL软件，并用其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；
4、完成课程设计报告（应包含电路图、清单、调试及设计总结）。
3设计方案与论证
制作电骰子即要在电路控制下每次随机地产生一个1~7中的数。
为了保证所设计出来的骰子性能，应该使得1~7出现的概率是一样的。
产生随机数的方法有很多，原理都是采集利用自然中的随机量来产生。
如采集放大空间中的噪声信号，然后利用D/A转换成数字信号，产生随机数；又如用时间作随机量，采用循环计数的方式产生随机数。
还可以在以上的基础上加上乱码电路来增加随机性。
因为利用噪声信号产生随机数的方法比较复杂、不易实现、制作成本较高，所以采用时间做随机量的方法来产生1~6的随机数。
电路分为三块：
脉冲产生电路、循环计数电路和译码显示电路。
即：
脉冲产生部分
译码显示部分
循环计数部分
3-1电骰子结构框图
脉冲产生电路有很多实现方法：
可以利用门电路组成的多谐振荡器实现，也可以使用555定时器来实现，还可以用石英晶体来实现。
门电路组成的多谐振荡器是利用电容的充放电和门电路的开启电压来实现的，所需器件简单，是最基本的脉冲发生电路。
3.1设计方案
方案一
仿真电路图如下：
3-2仿真图
方案二
仿真电路图如下：
3-3仿真图
3.2方案的论证
经过上述分析，可以看出各个方案的基本原理都很类似，对于计数部分74LS161与40192的逻辑功能相似，都是通过反馈置数法构成1~6的循环计数器，在使用上没有多大区别，74LS161较40192控制更加简单，只需要一个二输入与非门即可实现反馈置数，故选用74LS161。
对于时钟脉冲产生电路虽然由555定时器构成的电路比较稳定，然而由两个与非门搭建的基本多谐振荡器则更加简便，而且考虑到成本因素，在这里选用门电路搭建的脉冲发生电路。
译码显示电路都一样，不予考虑。
综上所述，选用方案二。
4设计原理及功能说明
4.1原理图
4-1原理图
4.2原理图功能说明
时钟脉冲信号的设计，时钟脉冲电路有两个与非门和两个电阻、一个电容构成。
R5可以减少电压源电压变化对振荡频率的影响当VTh=VDD/2时，有R5>>R6（一般去R5=10R）。
在电骰子的电路时钟脉冲的输出端接到计数电路的脉冲输入端CP控制计时器芯片工作74LS161实现加法计数功能，理论上要保证频率足够大，使数码管显示数字不能被人眼分辨，保证所显示数字的随机性即可，但又不能太高，这样电路运行将不稳定，所以只需要50Hz左右即可满足要求。
电容C1的充电时间：
T1=R6C㏑2；
放电时间：
T2=R6C㏑2；
矩形波的振荡周期：
T=T1+T2=R6C㏑4；
频率：
f=1/T；
选择电阻：
R6=6kΩ，R5=12kΩ，C=10uF，
则得出：
f=1/R6C㏑4≈48Hz。
计数器的设计在计数器的设计中，因为电骰子窑实现1到6的循环变化，所以要是计数器实现1到6的六进制循环，采用反馈预置数的方式。
把计数器的输入端置为莫一串序列，将计数器的输出端Q2和Q3通过与非门连接到计数器芯片的置数端PE，低电平有效。
因为74LS161为同步置数，当计数器加计数至6时，Q2和Q3都为高电平，通过与非门后为低电平，当下一个脉冲上升沿到来时，计数器完成置数，输出端杯置数为0001，数码管显示为1，这样就完成了从1到7的循环计数。
然而74192为异步置数，在反馈时要将输出Q1Q2Q3通过与非门接到74192的反馈置数端。
设UO1为低电平0、UO２为高电平1时，称为第一暂稳态；UO1为高电平1,UO２为低电平0时，称为第二暂稳态。
设接通电源后，由于某种原因使UI1产生了很小的正跃变，经G1放大后，输出UO1产生负跃变，G２输出UO２产生较大的正跃变，使UI1进一步增大，于是电路产生正反馈过程。
正反馈使电路迅速翻到G1开通、G２关闭的状态。
输出UO1负跃到低电平UOL，UO1正跃到高电平UOH，电路进入第一暂稳态。
G2输出UO２的高电平经对电容C进行反向充电，使UI1下降。
同时，UO２的高电平又对C充电，Uo1随之上升，当UI2上升到G2的阈值电平UTH时，电路又产生另一个正反馈过程。
正反馈的结果使G2开通，输出由高电平UOH跃到低电平UOL，使UI1迅速下降到小于G1的阈值电压UTH，使G1关闭，它的输出由低电平UOL跃到了高电平UOH，电路进入第二暂稳态。
接着，G1输出的高电平UO1对C进行反向充电，UI2随之下降，同时，UI1随之升高。
当UI1上升到G1的UTH时，G1开通、G2关闭，电路又返回到第一暂稳态。
4-2多谐振荡器结构图
4-3多谐振荡器波形图
在电骰子的电路中，时钟脉冲的输出端接到计数电路的脉冲输入端CP控制计时器芯片74LS161实现加法计数功能，理论上要保证频率足够大，使数码管显示数字不能被人眼分辨，保证所显示数字的随机性即可，但又不能太高，这样电路运行将不稳定，所以只需要50Hz左右即可满足要求。
电容C1的充电时间
T1=R6C㏑2；
放电时间：
T2=R6C㏑2；
矩形波的振荡周期：
T=T1+T2=R6C㏑4；
频率：
f=1/T；
选择电阻：
R6=6kΩ，R5=12kΩ，C=10uF，
则得出：
f=1/R6C㏑4≈48Hz。
共有三个部分：
震荡、计数、显示。
将多谐振荡器产生的时钟脉冲通过一个单刀双掷开关送到计数器74LS161的CP端。
将单刀双掷开关的一端接在多谐振荡器的输出端，单刀双掷开关的另一端接到连到地。
这样，当开关掷多谐振荡器一端时，时钟脉冲通过开关送入计数器，计数器74LS161实现计数功能，在1到6之间循环计数；当开关掷向地时，时钟脉冲不能通过开关，故计数器74LS161保持之前的状态，数码管静态显示之前计数器输出的数字。
这样，一次掷骰子的过程就结束了。
5单元电路的设计
循环计数部分也有多种实现办法：
可以利用单个的触发器自己搭建，也可利用集成的计数器通过外加控制信号变成所需进制的计数器。
其中使用集成的计数器添加必要的控制电路组成使得电路结构简单清晰，而且具有很高的稳定性。
又在集成芯片基础上的循环计数器可以采用反馈清零法和反馈置数法，因为此处要使用1到7的循环计数，所以采用反馈置数法实现。
“反馈预置数法”的LD端控制信号由计数器的输出端的信号通过门电路实现。
预置数从D3D2D1D0输入，同步预置数功能的预置数应该为（1111-M）+1（加法）或（M-1）（减法）；异步预置数数据为（1111-M）（加法）或M（减法）。
如九进加法计数，同步预置控制功能的预置数数据为D3D2D1D0=0111，即第八个CP作用后，产生预置数信号，第九个CP时预置数为0111；异步预置数据为0101。
若LD端输入控制信号不用Co或Bo端的输出信号，而改用计数器Q3~Q0端输出信号进行组合（相与、与非、或、或非）后的信号，则应该按照计数过程推算得出结论。
最后的译码显示电路由译码器和七段数码管组成，将计数器的输出端输出的四位二进制数送到译码器的输入端，译码之后，驱动点亮七段数码管进行显示。
5-1计数单元电路
译码显示电路的设计，显示部分采用七段数码管和七段显示译码器CD4511一起实现，将数码管与七段显示译码器CD4511按照图所示的方式连接，然后将七段显示译码器CD4511的四个输入端连接到计数器74LS161的四个输出端即可。
5-2译码显示单元电路
前面已经讨论了各个单元电路的具体组成，现将但与电路连接起来组成一个完整的整体电路。
将多谐振荡器产生的时钟脉冲通过一个单刀双掷开关送到计数器74LS161的CP端。
将单刀双掷开关的一端接在多谐振荡器的输出端，单刀双掷开关的另一端接到连到地。
这样，当开关掷多谐振荡器一端时，时钟脉冲通过开关送入计数器，计数器74LS161实现计数功能，在1到6之间循环计数；当开关掷向地时，时钟脉冲不能通过开关，故计数器74LS161保持之前的状态，数码管静态显示之前计数器输出的数字。
这样，一次掷骰子的过程就结束了。
5-3整体电路图
软件仿真调试：
由于起初的方案是将控制的单刀双掷开关放在译码显示电路部分，在开关按下时，数码管不显示，当开关弹起时数码管上静态地显示一个1~6的数字，但是仿真的时候出现了乱码，分析得知在开关弹起后译码器工作在锁存状态，会将开关弹起瞬间的中间状态锁存下来，故会在数码管上显示一个乱码。
将单刀双掷开关移动到脉冲发生电路与计数电路部分之间后，译码器一直工作在计数状态，只要计数器暂停计数，数码管就显示一个固定的数，不存在乱码的问题。
6硬件的制作与调试
将整体电路图输入到仿真软件Multisim进行仿真测试，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
其元器件采用库的方式管理，方便调用，丰富多样的虚拟仪器方便对仿真结果进行观察。
由于起初的方案是将控制的单刀双掷开关放在译码显示电路部分，在开关按下时，数码管不显示，当开关弹起时数码管上静态地显示一个1~6的数字，但是仿真的时候出现了乱码，分析得知在开关弹起后译码器工作在锁存状态，会将开关弹起瞬间的中间状态锁存下来，故会在数码管上显示一个乱码。
将单刀双掷开关移动到脉冲发生电路与计数电路部分之间后，译码器一直工作在计数状态，只要计数器暂停计数，数码管就显示一个固定的数，不存在乱码的问题。
7总结
通过本次数电课程设计实训，我学习到了很多东西。
我学习到的不仅是数电的知识，还学习到了其他的知识。
我学习了仿真软件和电路模拟制作软件，例如proteldxp、Multisim等软件。
掌握一些思考的方法，对待问题比较严谨。
解决一个问题，应该选用正确的方法，否则将会很难甚至无法解决一个问题。
制作电骰子的方法有很多，本设计方案采用了最简便的方法以达到设计要求，即以最小的成本和代价来达到要求，这是我的设计宗旨。
通过软件仿真可以让我及时的更改电路，尝试不同的电路结构，以达到找到最简、最优方案的目的。
由于侧重了简便的目标，没有任何的附加，所以难免所做成的东西会比较粗糙，这是本设计方案的缺点。
我们小组有四人，我们团结协作，共同完成任务。
我们买制作成品所需要的元器件，我们用电路制作软件制作电路图，我们用仿真软件测试电路，我们用焊接工艺技术焊接成品。
凡此种种，无不需要我们共同努力，更加提高了我们的动手能力。
总之，这次数电课程设计实训让我学到了很多东西，我的动手能力得到了较大的提高。
从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）高等教育出版社，2006:
45~77
[2]吴友宇.数字电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2009:
21~35
[3]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，1998:
66~69
[4]吴友宇.模拟电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2009:
30~40
附录1：
总体电路原理图
附1：
电路原理图
实物图如下
实物图1
实物图2
附录2：
元器件清单
序号
名称
型号
个数
1
两输入与非门
74LS00
1
2
三输入与非门
74LS10
1
3
译码器
4511BD
1
4
计数器
LS161
1
5
电路板
1
6
开关
1
7
电阻
12K
1
8
电阻
6K
1
9
电容
10uF
1
10
电阻
470K
7
11
共阴极七段数码管
1
12
导线
若干
升级会员 