可编程彩灯电路时序电路综合设计Word文件下载.docx
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5
3）控制部分电路：
4）循环电路：
6
5）彩灯部分：
6）触发器控制电路：
7
4．实验测试结果分析，调试过程中所遇故障的分析7
5．设计过程的感想8
6．元件清单9
7．参考文献9
可编程彩灯时序电路
1．实验设计目的及要求
（1）掌握计数器、移位寄存器电路的原理及应用。
（2）掌握比较器或译码器电路的应用方法。
（3）掌握555电路的应用方法
（4）可编程彩灯电路实验将传统的四个分离的时序电路移位寄存器，计数器（分频器）、555和组合电路实验综合为一个完整的设计型的时序、组合电路综合实验。
教学目的是让学生熟悉各种常用的中规模集成电路时序逻辑电路的功能与使用方法，掌握多片中小规模集成电路时序逻辑电路的级联及综合设计技术，并学会组装和调试各种中规模集成电路时序逻辑电路。
（5）分析图示电路功能。
（6）完成振荡电路及分频电路的设计。
（7）连接整体电路，测试分析实验结果。
（8）彩灯电路循环速度肉眼可辨。
（9）可2灯循环，3灯循环，…，8灯循环。
最少6灯，可扩展成可逆循环。
（10）要求有功能扩展。
2．实验总电路框图及总电路原理图
4）
总电路实验框图：
5）实验电路框图：
①移位寄存器的时钟信号及置位信号的产生电路
②
移位寄存器、逻辑门及D触发器等组成的控制LED显示的时序电路
3．实验单元电路分析，元件介绍和元件参数计算
555定时电路是模拟-数字混合式集成电路。
555定时电路分为双极型和CMOS两种，其结构和原理基本相同。
555定时电路外引脚线排列如下所示：
TH：
阈值输入端
TR：
触发输入端
CO：
控制电压输入端
OUT:
输出端
DIS:
放电端
RST:
复位输入端
从结构上看，555定时电路由2个比较器、1个基本RS触发器、1个反向缓冲器、1个漏极开路的NMOS管和3个5k
电阻组成分压器组成，因此命名555定时电路。
其内部的两个电压比较器构成一个电平触发器，上触发电平2/3Ucc，下触发电平为1/3Ucc，在5脚控制端外接一个参考电压Uc，可改变上下触发电平值，两比较器的输出端分别接R-S触发器，由于两个或非门组成的R-S触发器必须用负性信号才能触发，因此只有同相端的电位高于反相端电位时，R-S触发器才翻转。
外接控制电压时，555的逻辑功能表：
输
入
比较器输出
出
uTH
uTR
RD
R（C1）
S（C2）
OUT
放电三极管T
d
＜UR1
＞UR1
＜UR2
＞UR2
1
1
不变
导通
截止
不外接控制电压时，555的逻辑功能表：
入
出
OUT
放电三极管
设计多谐振荡器电路图如下图所示：
当接通电源时，由于电容C2两端的电压不能突变，定时器的低触发端2端为低电平，输出端3端为高电平（内部结构决定）。
电源经过R1、R2给电容充电，当电容电压充到电源电压的2/3时，555内部的NMOS管导通，输出为低电平。
电容通过R1和NMOS管放电，当电容两端的电压下降到低于1/3电源电压时，NMOS管截止，电容放电停止，电源通过R1、R2再次向电容充电。
如此反复，形成振荡。
忽略NMOS管导通电阻可得：
振荡周期为：
；
充电时间为：
放电时间为：
。
根据实验需要我们设计555计时电路如上图，仿真时用的R为41kΩ，测得的周期为130ms，实际上R为滑动变阻器，故输出频率为7Hz-14Hz左右连续可调，经过分频器可进行二分频、四分频、八分频（我们实际电路中用的是二分频）。
波形如下图：
分频电路有计数器74LS193组成。
74LS193芯片可进行加法、减法计数，根据电路需要不同可设置不同的计数模式。
本实验中，我们采用加法计数，由输出端QA作为移位寄存器的输入时钟信号。
有分析可知，该分频电路为二分频。
控制部分电路由编码器74LS148和译码器74LS138组成，用来控制两片74LS194的输入。
译码器74LS138的四输出端分别接两片74LS194的输入端。
根据功能表设计电路如下图所示：
J2，J3是控制电路左右来回循环闪烁的，预置信号用J1的八个开关，用以控制循环灯数量，可以选择2到8灯循环，两块194通过SL，SR连接，可以进行左移、右移的进位输入，利用J2和J3可以实现任意区间内的灯的来回循环，但必须保证J2的数字比J3的小；
J1实现基本功能，通过对J1的设置，可以实现2~8之间的灯的流水循环。
由于我们采用74LS148与74LS138配合进行彩灯的预置，138输出为低电平有效，所以彩灯部分我们也采用低电平有效，即让所有发光二极管的阳极一起接电源，阴极接芯片的信号，具体电路如下：
由于需要使灯来回循环，而且由于J2、J3的影响，循环的频率是不固定的，为了保证在灯流到J2、J3的预置端点后马上改变74LS194的状态，选择了D触发器来用于保证时钟。
其中D触发器的时钟输入是由J2、J3开关定后而来，从而保证了拓展功能的实现。
其中J5用于整个电路的控制，当不按按键时，电路处于预置状态，此时的发光二级管只有第一个会亮；
当按下按键时，流水灯开始向下走，其间通过J1、J2、J3便能实现我们所想的功能。
4．实验测试结果分析，调试过程中所遇故障的分析
此次所焊的板子，由于我们使用的D触发器来作为控制电路，故电路的逻辑和实现都比较复杂，我们先是在Mutisim上面仿真，经过三天的努力，我们设计出了所需的电路，但是仿真的时候却不出结果，但是后来我们更改过一个软件的参数后便成功了。
然后再实际的焊接过程中我们反复核对，以免出错，但是还是出错了，第4个灯一直不亮，我们一开始以为是上拉电阻的问题，我们又换了上拉电阻，还是有问题，于是我们用万用表一一检查，发现有一个点接触不良。
于是我们很快解决了问题。
5．设计过程的感想
组员1：
这次焊接板子，我们在电路设计的过程中花了大量的时间，因为我们所设计的功能的逻辑比较复杂，而且所使用了的D触发器，使得电路变成了异步电路。
而且我们设计完成后还在仿真上面出现了问题，仿真时一开始很好，但是往后就会卡死，而且和显示的时间与实际的时间出入很大。
我们更改mutisim的一个参数（时间步长）后，仿真便没有了问题。
于是我们就可以开始焊接了。
实际的焊接过程中，我们每焊接一根线都会经过一定的讨论，因为我们要实现。
在板子上面的先不能有叠过来叠过去的情况，即我们要是每一根线都紧贴着板子，这一点就使我们花费了大量的时间。
焊接完成后，我们发现所焊的板子的第4个灯不亮，我们一开会以为是电路的问题，我们试探性的改变滑动变阻器的阻值，发现灯亮了，于是我们判定是电位器的原因，但是我们调来调去有发现灯不亮了，于是我们知道了电路是没有问题的，是接触不良的原因，我们就用万用表一一测量，但是我认为既然是第4个灯有问题就应该从灯往前走，于是我们一直向前走，发现其中有一个管脚时好时不好的，我们又对它进行了焊接，于是问题便马上解决了。
组员2：
这是本学期数电实验的最后一个设计实验了，我们组的成员都非常的用心，设计电路的过程中就多次到中发进行相应器件的采购。
但可能是因为他太心急了，买的电路板没有现成的公共端让我们提供给高电平和低电平，我们只好在焊接完电路后多焊几条线使之为公共端。
准备设计电路之前，我们搜集了一些资料，从中吸取了不少经验。
之后我们根据要求实现的功能想好了大概的电路，便用multisim11.0进行仿真过程，期间遇到了不少的问题，但都通过一次次的探索得到了解决。
这次的电路组成主要由555多谐振电路、计数器分频产生时钟信号，编码器、译码器产生移位寄存器预置信号，移位寄存器、拨码开关、D触发器、逻辑门进行循环的控制。
设计实验和焊接的过程我有很多的体会。
首先是每个元器件的输入端不能空载，必须有明确的电平输入，不然在实际焊接完电路后会有问题出现，所以拨码开关部分我们用了3.3K的上拉电阻使之在开关未开时保持高电平，打开之后为低电平。
其次是电路的线路布置，这部分我们下了不少功夫，上一个电路我们很多部分都有线路的交叉，这样线路又乱又不容易检查，所以我们利用电路板的双面属性使排线没有任何的交叉过程。
本次的电路设计及焊接收获还是蛮多的，和队友之间的默契配合、用到了课上没有细讲的时序电路，同时也增加了我们的自信心，使我们更有动力去探索更多的知识，学会更多的本领！
组员3：
这次实验需要做扩展内容的设计，所以不像前一次实验一样，有现成的电路。
我们首先是弄懂了电路的原理，之后再经过很长时间的讨论，修改出满意的电路图。
经过仿真检测后，开始买元件焊接电路板。
这次实验需要的芯片很多，接线肯定又很复杂，所以我们特意选择大的电路板。
焊接电路板时，我们吸取了上一次焊接时电阻排列较乱的问题，同时，也尽量把导线摆放整齐。
导线拐弯的地方弄成直角状等。
总而言之，此次大实验锻炼了自己的合作意识，增加了自己的信心，也让自己变得更加细心。
相信在以后的实验中，我会吸取这次实验中的教训，发扬这次的优点，让实验更加完美。
6．元件清单
元件
所需数目
555
1个
74LS193
74LS148
74LS138
74LS194
2个
74LS00
74LS175
74LS32
发光二极管
8个
电阻3.3k
3个
电阻51k
电阻300Ω
电容1uf
电容10nf
电位器100k
单刀双掷开关
拨码开关8脚
导线
若干
电路板
7．参考文献
【1】数字电路实验一体化教程，侯建军，北京：
清华大学出版社，2005年。
【2】电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计，侯建军，北京：
高等教育出版社，2007.10
【3】数字电子技术基础[第二版]，侯建军，北京：
高等教育出版社，2007.12
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