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循環彩燈

制作循環彩燈實習報告

摘要：設計一個循環彩燈控制電路，該電路實現了讓八個彩燈循環閃爍的功能，并且循環閃爍的時間為1秒。其中，閃爍時間由555定時器這樣的時鐘電路產生周期為1秒的脈沖所控制；彩燈的循環閃爍由十進制計數器接受定時器產生的脈沖所控制；彩燈顯示功能由三線八線譯碼器實現，輸出分配數據直接控制燈的閃爍。用Multisim 10對設計電路進行仿真可得到八個發光二極管循環閃爍的結果。

關鍵詞：循環彩燈；555定時器；計數器；譯碼器；發光二極管

1.設計背景 ……………………………………………………………………2

1.1了解數字電路系統的定義及組成………………………………………2

1.2掌握時鐘電路的作用及基本構成…………………………………………2

2.設計方案……………………………………………………………………2

2.1任務分析……………………………………………………………………2

2.2方案論證……………………………………………………………………3

3.方案實施 …………………………………………………………………3

3.1原理圖設計…………………………………………………………………3

3.2電路仿真……………………………………………………………………7

3.3 PCB制作 …………………………………………………………………8

4.結果與結論…………………………………………………………………8

5.收獲與致謝………………………………………………………………9

6.參考文獻……………………………………………………………………9

7.附件 …………………………………………………………………………9

7.1電路原理圖………………………………………………………………10

7.2 PCB布線圖 ………………………………………………………………11

7.3元器件清單……………………………………………………………11

1. 設計背景

1.1 了解數字電路系統的定義及組成

用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。數字電路包括數字脈沖電路和數字邏輯電路。前者研究脈沖的產生、變換和測量；后者對數字信號進行算術運算和邏輯運算。數字電路系統一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉換成數字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數字電路可以處理的數字信號。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。

1.2 掌握時鐘電路的作用及基本構成

時鐘電路是數字電路系統中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統都在它的控制下按一定的規律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據系統的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統所需的各種時鐘脈沖。

2. 設計方案

2.1 任務分析

任務中要實現8個彩燈循環閃爍，可以通過譯碼器實現。要求又有1秒的時間控制，因此需要一個時鐘控制電路，555定時器可以產生；又要使八個彩燈依次閃爍且循環，故要用可逆計數器來實現一個加法功能，才能保證實現要求。需要注意的是計數器輸入端怎樣接高低電平才能實現循環；使用譯碼器來進行譯碼。

2.2 方案論證

根據任務要求，將整個設計化為三大電路：

一、時鐘電路。首先用555定時器進行設置，與電阻和電容一起構成周期為一秒的時鐘周期發生器，為電路提供時鐘信號產生一秒的脈沖，支持整個電路的工作。

二、驅動電路。可以由74LS192N計數器和74LS138N三線八線譯碼器組成用以驅動發光二極管正常工作的電路，并且在時鐘電路的控制下讓八個發光二極管循環工作。

三、輸出電路。由八個發光二極管組成，在驅動電路控制下循環工作。

3. 方案實施

3.1 原理圖設計

選擇合適的數字器件，應用DXP或multisim軟件繪制各單元的邏輯電路圖。

1、時鐘電路

用555定時器設計的多諧振蕩器如圖1所示。

圖1 555定時器構成的脈沖發生器電路

用555定時器構成的多諧振蕩器電路如圖1所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。下面圖2是多諧振蕩器的工作波形圖。

圖2 多諧振蕩器的工作波形圖

電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0v，所以555定時器狀態為1，輸出Vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源Vcc對電容C充電，電路進入暫穩態一，此后，電路周而復始地產生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩態的維持時間取決于RC充、放電回路的參數。暫穩態Ⅰ的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩態二的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度T2≈0.7R2C。

因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比Ｄ，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D≈1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。

2、驅動電路

下面圖3是用SN74LS192N設計的計數器控制電路。

圖3 計數器設計的控制電路 74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數器，其工作原理是：74192上升沿觸發，由UP，DOWN兩管腳控制加減計數，有異步置數端LOAR和異步復位端CLR，BO’和CO’分別輸出高電平表示加進位和減進位。由于74192沒有保持腳，故需要外圍電路實現保持功能。因為74192上升沿觸發，所以把UP，DOWN強制置低電平即可實現保持功能。

四個主從觸發器的輸出端，由兩計數(時鐘)輸入之一的“低”到“高”電平的過渡而被觸發。計數方向在其它計數輸入端為“高”時，由脈沖的計數輸入端所定。當置數輸入為“低”時，把所希望的數據送入數據輸入端上，來把每個輸出端預置到兩電平之一。輸出將符合獨立于計數脈沖的數據輸入的改變。清零輸入在加高電平時，迫使所有輸出端為低電平。清零功能獨立于計數輸入和置數輸入。清零、計數和置數等輸入端都是緩沖過的。借位和進位兩輸出端可級聯遞增計數和遞減計數兩功能。借位輸出在計數器下謚時，產生寬度等于遞減計數輸入的脈沖；同樣，進位輸出在計數器上謚時, 產生寬度等于遞加計數輸入的脈沖。

下面是驅動電路的另一個器件74LS138譯碼器所構成的電路圖。

圖4 由74LS138譯碼器組成的部分驅動電路

譯碼器可以將輸入代碼的狀態翻譯成相應的輸出信號，以高、低電平的形式在各自的輸出端口送出，以表示其意愿。譯碼器有多個輸入端和多個輸出端。假如輸入端個數為1個，每個輸出端只能有兩個狀態，則輸出端個數最多有2n個。常用譯碼器輸入、輸出端口數來稱呼譯碼器，如3線-8線譯碼器，4線-10線譯碼器等。74138就是一個三線-八線譯碼器。

74138有三個輸入端：OE1、OE2A、OE2B和八個輸出端Y0-Y7，當三個輸入端的編碼為000時，譯碼器輸出Y0=0，而Y1-Y7=1。即Y0對應于OE1、OE2A、OE2B為000狀態，低電平有效。A、B、C為使能控制端，起到控制譯碼器是否能進行譯碼的作用。只有C輸入為高電平，A和B都為低電平時才能進行譯碼，否則不論輸入為何值，輸出端均為1。

3、輸出電路

輸出電路有八個發光二極管和一個330Ω的保護電阻，驅動電路傳輸的是低電平才會導通所以八個二極管要反向放置，下面圖5是此設計的輸出電路圖。

圖5 八個發光二極管組成的輸出電路圖

3.2 電路仿真

在各單元電路設計的基礎上，用multisim軟件把各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的系統整體邏輯電路圖。系統整體電路設計完成后，對系統整體進行仿真，驗證設計的正確性。本設計的循環彩燈仿真電路圖如下。

圖6 循環彩燈的仿真電路圖

仿真結果是：八個發光二極管依次閃爍,經過嚴密的時間測量，由于計算數據的誤差每個彩燈閃爍的時間不正好是一秒鐘，有毫秒的誤差。

3.3 PCB制作

經過仿真以后，在DXP軟件中新建電路原理圖在進行編譯執行后，對其進行元件的封裝的選擇，選擇合理的封裝之后在進行PCB布線。

1、 PCB板布線

在布線前要在DXP中完成對電路圖個元件的封裝。在封裝時要注意，因為對于同一個元件可能又有多種封裝方式。封裝時要根據所給元件的類型對各個元件進行封裝。

封裝完成后，把原理圖導入PCB板后，再對元件的位置重新手動擺放，布線是要盡量減少交叉重疊的線。觀察元件的三視圖，以保證封裝是正確。

2、電路板制做

完成布線后，對PCB圖進行打印輸出，然后再用制板機制板。制板時要盡量使線不要相連，以免制出的板不能使用。制板完成后，要對制好的板進行鉆孔，打磨，直至板合格為止。

3、安裝與調試

按照打印好的電路圖，在PCB板上利用電烙鐵進行各元件的焊接。焊接時要注意不能使焊盤焊接處與其他線相連。調試時可能得不出仿真時的結果，要結合各方面進行考慮，電阻，電容，或者是電路的焊接問題。調試的時候以為安裝好就可以直接工作，結果彩燈未按預先估計那樣閃爍，經過反復仔細檢查發現線路焊接有兩個點脫焊，修正后需要進一步的檢查與調試。

4. 結果與結論

仿真結果和預期的一樣，八個燈依次循環閃爍。繼續制板安裝后進行調試燈未亮，仔細檢查后是之前布線時的一根紅線脫焊，在進行修正之后又調試了下燈仍然不亮，檢查后未發現焊接處的問題，可能是電阻或電容的參數設置有問題，繼續進行調試了下燈終于亮了，達到了八個彩燈依次循環閃爍的效果。

5. 收獲與致謝

通過這次實習我對數字電路產生了濃厚的興趣，也有了新的認識，發現它在實際中應用的很廣泛，而且在實習中我對555定時器，74192,74138這些芯片有了更深一層的了解。但是實習過程中也遇到了不少的問題,尤其是一開始在電路圖的設計方面不知道如何下手，整個電路必須充分考慮到各個方面才能使電路設計完整，經過老師的指導和查詢資料才最終實現預期的效果。然后布線、制版分布元件，最后是焊接，經過細心周密的設計后終于成功完成任務。

這次課程設計要特別感謝***老師、***老師、***老師的耐心輔導以及在設計中給出的寶貴建議和意見，在此我表示深深的感謝！

6. 參考文獻

[1]童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2015. [2]臧春華.電子線路設計與應用[M].北京:高等教育出版社,2015. [3]邱關源,羅先覺.電路（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2015. [4]閻石.數字電子技術（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2015. [5]張陽天,韓異凡. Protel DXP電路設計[M].北京:高等教育出版社,2015.

7. 附件

7.1 電路原理圖

電路原理圖如下圖7所示。

圖7 電路原理圖

7.2 PCB布線圖

PCB布線圖如下圖8所示。

圖8 PCB布線圖

7.3 元器件清單

本設計所用到的元件清單如表1所示。

表1 元器件清單

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