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通信工程2011级1班
设计要求：
1.设计制作一个循环彩灯电路。
2.八个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒。
学生应完成的任务：
设计循环彩灯的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。
利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。
根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。
参考文献：
[1]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：
北京大学出版社，2012.10
[2]古树忠，刘文洲.AltiumDesigner教程[M].北京：
电子工业出版社，2010.1
工作计划：
5月27号—28号完成原理图的设计；
5月29号—31号进行PCB设计；
6月3号—4
号制作PCB板；
6月5号—7号电路板安装与调试，提交课程设计报告。
任务下达日期：
2013年5月27日
任务完成日期：
2013年6月7日
指导教师（签名）：
学生（签名）：
循环彩灯电路设计
摘要：
在这次课程设计中，主要是通过555定时器、74LS161、74LS164等芯片组成电路。
由555定时器和电阻、电容组成多谐振荡器，作为74LS161和74LS164的时钟信号发生器。
通过74LS161计数器构成九进制计数，将其输出端QD和QA接74LS00并分别接入74LS161和74LS164的清零端，将74LS161输出端的QA接入74LS164的串行代码输入端，然后在74LS164移位寄存器的作用下，使得8个彩灯按照所设计规律一亮一灭，从左向右移动，亮灯和灭灯时间均为一秒。
关键词：
555定时器；
74LS161；
74LS164；
循环彩灯
目录
1.设计背景1
1.1了解并掌握数字电子技术理论及应用1
1.2掌握数字电路集成芯片工作原理1
2.设计方案1
2.1设计思路1
2.2电路框图2
3.方案实施2
3.1原理图设计2
3.2Multisim电路仿真5
3.3用AltiumDesigner设计原理图6
3.4PCB布线制板7
3.5安装调试7
3.6备用方案及比较8
4.结果与结论10
4.1结果10
4.2结论11
5.收获与致谢11
6.参考文献11
7.附件12
1.设计背景
1.1了解并掌握数字电子技术理论及应用
数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片引脚功能及工作原理、555定时器等。
随着科学技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。
为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。
在人们的日常生活中，常用的电子设备，也都是采用数字电路与数字系统。
所以说，数字电子技术的应用会越来越广泛，对人们以后的生活影响也会越来越大。
数字集成电路是由许多的逻辑门组成的复杂电路。
与模拟电路相比，它主要进行数字信号的处理，即信号以0与1两个状态表示，因此抗干扰能力较强。
数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。
1.2掌握数字电路集成芯片工作原理
本次课程设计用到的芯片主要是74LS161、74LS164、555定时器。
74LS161是同步4位十六进制加法计数器，并且具有同步置数和异步清零功能。
74LS164
是一个串行输入、并行输出的8位单向移位寄存器。
555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路，该电路使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
在本次课程设计中使用的就是多谐振荡器，使其产生10101010信号脉冲。
2.设计方案
2.1设计思路
循环彩灯设计按照8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒的规律进行。
电路设计主要是通过555定时器、74LS161、74LS164等芯片构成中规模集成电路来完成，由555定时器和阻容元件构成的多谐振荡器振荡周期为1秒。
利用74LS161进行九进制计数，再通过74LS164控制电路按照所设计规律进行工作。
2.2电路框图
图1电路结构框图
3.方案实施
3.1原理图设计
用555定时器构成的多谐振荡器，先利用555定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出端经RC积分电路接到施密特触发器的输入端。
多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号就可以自动地产生矩形脉冲。
下图2为多谐振荡器连接图。
图2多谐振荡器连接图
由555定时器构成多谐振荡器，其输出是周期性的矩形波，其周期T=（R
+2R
）Cln2=1s,占空比q=T
/T
=（R
+R
）/（R
）。
74LS161是具有同步置数和异步清零的同步十六进制计数器。
其引脚图和符号如下图3所示。
图374LS161引脚图和符号
74LS161的清零端是异步的。
当清零端CR为低电平时，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清除功能。
74LS161的预置是同步的。
当预置数端LOAD为低电平时，在CLK上升沿作用下，输出端QA
－QD与数据输入端A－D相一致。
当CLR'
=1，LOAD'
=1时，若ENP、ENT均为高电平时，计数器对计数脉冲CLK按8421BCD码进行加法计数，若ENP·
ENT=0，计数器保持原来状态不变。
表174LS161功能表
CLKCLR'
LOAD'
ENPENT工作状态
×
0×
清零
10×
预置数
110×
保持
11×
0保持
1111计数
在计数电路中采用的是异步清零方式，其电路连接图如下图4所示。
图474LS161连接图
74LS164是一个串行输入、并行输出的8位单项移位寄存器。
A、B是串行代码输入端，CLR'
是异步清零端，QA～QB是并行代码输入端，CLK为移位脉冲输入端。
当清零端CLR为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。
串行数据输入端A、B可控制数据。
当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端CLK脉冲上升沿作用下QA为低电平。
当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLK上升沿作用下决定QA的状态。
图574LS164连接图
时钟（CLK）每次由低变高时，数据右移一位，输入到QA，QA是两个数据输入端（A和B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位（CLR）输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
图674LS164逻辑符号
3.2Multisim电路仿真
在Multisim上对电路进行连接后，并逐一检查器件的连接状况正确无误，组成完整数字电路进行仿真。
仿真结果为8个彩灯从上至下点亮，具体亮灭为第一个先亮，亮灯时间为1秒，接着第二个灯点亮，同时第一个灯熄灭，灭灯时间也为1秒；
第二个灯熄灭时，第一、第三个灯点亮。
8个彩灯依此规律循环点亮，在第八个点亮后1秒，电路进行清零，所有灯熄灭1秒后，重新进入循环。
从仿真结果上看，整体符合课程设计所设计规律。
图7循环彩灯Multisim仿真电路图
在仿真电路中，由555定时器和阻容元件构成的多谐振荡器输出矩形波时钟信号，其波形图如下图8所示。
图8多谐振荡器输出波形
3.3用AltiumDesigner设计原理图
在Multisim上仿真后，按照Multisim仿真图在Altiumdesigner上绘制PCB原理图。
图9AltiumDesigner原理图
3.4PCB布线制板
绘制好原理图以后，检查线路连接，然后检查各个器件封装是否与所提供的实际器件相符，也可以通过PCB原理图中的仿真功能进行检测错误，通常有接线错误，封装错误，然后通过提示在原理图上进行修改。
最后导入PCB板进行布线，在布线时可以先设置参数，可以将信号线设置成0.5mm。
由于原理图器件多，在手动布线时很复杂，所以我先使用了自动布线，而后在自动布线的基础上进行修改。
手动修改以后，将电源线、地线修改成所需宽度，既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率，所以对电、地线的布线要认真对待。
最后的布线图如下图10所示：
图10PCB布线图
3.5安装调试
1.安装
利用AltiumDesigner布线以后，就进入实际动手制作线路板的过程，首先将布线图印制在空白的线路板上，然后在双氧水与盐酸的混合液中进行腐蚀，直至在线路板上显示出电路图，最后进行打孔操作。
电路板制作好以后，就进行安装焊接操作，将各元器件插入电路板，焊接完毕。
2.调试
（1）调试仪器：
直流稳压电源数字万用表
（2）调试方法：
安装焊接完后，利用调试仪器对电路进行调试。
对于一个新设计的电路板，调试起来往往会遇到一些困难，特别是当板比较大、元件比较多时，往往无从下手。
但如果掌握好一套合理的调试方法，调试起来将会事半功倍。
对于刚焊接完成的新PCB板，我们首先要大概观察一下，板上是否存在问题，例如是否有明显的裂痕，有无短路、开路等现象。
用直流稳压电源接到电路板的插针上，观察彩灯是否按预定设计方案工作，若不工作，可以利用数字万用表来测试各点的工作电压是否正常，发现并改正错误，直至正常工作。
3.6备用方案及比较
实施方案是从备用方案简化而来。
方案设计开始时，我采用的是备用方案，由于方案原理图使用器件较多，所以我在其基础之上去掉了74LS151改成了实施方案。
在备用方案中，我是利用74LS161和74LS151组合成计数器型序列信号发生器，74LS161采用异步清零，74LS151的D0、D2、D4、D6输入端接高电平，D1、D3、D5、D7输入端接低电平，在组合电路输出序列信号10101010，然后输入74LS164，经过8个移位脉冲以后，串行输入的8位数据全部移存在寄存器中，寄存器从QA～QH输出并行数据。
再将74LS164并行输出数据接入8个LED彩灯，便可实现彩灯的循环亮灭。
同样在设计思路完成以后，在Multisim上绘制电路图，进行仿真。
仿真结果为8个彩灯从上至下点亮，具体亮灭为第一个先亮，亮灯时间为1秒，接着第二个灯点亮，同时第一个灯熄灭，灭灯时间也为1秒；
由此可见，两种方案都符合设计要求，那么就应该在两种方案之间挑选更优的一种，从连接线路和元件使用方面，还是应该选择实施方案。
图11Multisim循环彩灯仿真电路图
进行Multisim电路仿真以后，同实施方案步骤，在AltiumDesigner上绘制PCB原理图
图12AltiumDesigner原理图
绘制完原理图，进行PCB制板，由于比方案一多一个芯片74LS151，所以在布线时会更加复杂。
那么在布线时，应更加注意线与线之间的距离，同时尽量避免跳线。
图13PCB布线图
方案比较：
备用方案与实施方案相比，虽然备用方案会比较复杂，在原理图设计、布线、焊接等方面也会比较困难，但是它们是两种方案，设计思路不相同，都可以接纳。
但我在考虑节约材料、时间、工作难度等情况下，决定在课程设计中采用实施方案。
4.结果与结论
4.1结果
通过对电路进行检查测试，发现8个LED灯接一个限流电阻，只有LED1点亮，其他都不亮，通过询问老师才了解其中的原因，所以我们小组更改了限流电阻的连接方式，将其短接。
在实验室里再次接通电源，终于使得8个LED能够按照所设计规律点亮，设计电路实现8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒。
4.2结论
首先设计电路图，由555定时器和阻容元件构成多谐振荡器，产生信号脉冲，通过74LS161计数和74LS164的单项移位作用下，使得LED能够按照规律点亮。
在Multisim上绘制电路图并仿真成功。
然后在AltiumDesigner上绘制原理图，确认无错误后，导入PCB,进行布线操作，完成制作PCB板。
5.收获与致谢
课程设计将要结束了，两周的时间让我感觉很漫长。
这是我第一次在大学期间自己动手设计制作一个电路，当然，在设计开始时，我感觉脑子一片空白，毕竟在之前的数电学习中对知识的掌握还很欠缺。
但我想这是自己的第一次课程设计，自己一定要尽力而为。
首先我在选定课题后，开始查阅课题所有关的器件的详细资料，尽管这些内容在数字电子技术课程中都学习过，但我还是要再次学习。
经过两周的课程设计，我对555定时器、74LS161、74LS164也有了更深的理解。
但在实际过程中，还是遇到了很多困难。
比如，我对Multisim、AltiumDesigner这两款设计软件不是很熟悉，所以说在设计原理图过程中，不知道该怎样操作，但还好，有同学和指导老师在，我最终还是将原理图设计出来，并且能够仿真成功。
这也是我在课程设计中的另一个收获，基本了解有关专业设计软件的操作使用，我想这也会对自己以后的专业学习有更大的帮助。
同时在设计过程中有自己的努力，也有困难，最后都是在老师的耐心指导下，我才得以顺利完成设计。
我和同一组的另两位同学在设计过程中，既分工明确，又齐心协作，最终完成课程设计。
最后，还是要感谢翟亚芳老师的指导帮助，让我对设计课题原理有了更深一步的理解。
还要再次感谢我的两位合作搭档，是我们的共同努力使课程设计得以完成。
在电路板制作过程中，也是通过电子协会的几位同学的不辞辛苦，让电路板顺利制作出来，在这也衷心感谢他们。
6.参考文献
7.附件
表2循环彩灯元器件清单
名称
功能或型号
数量
555定时器
时钟信号发生器
1个
74LS161
同步十六进制计数器
8位单项移位寄存器
74LS00
四2输入端与非门
电阻
47KΩ
2个
100Ω
电容
10uF
10nF
发光二极管
绿色
8个
插针
P1
图14实物图（正面）
图15实物图（反面）
指导教师评语：
课程设计报告成绩：
，占总成绩比例：
40％
课程设计其它环节成绩：
环节名称：
原理设计，成绩：
20％
PCB设计，成绩：
安装调试，成绩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
本次课程设计负责人意见：
负责人签字：
年月日
升级会员 