数字电子技术课程设计-8路输出的彩灯循环控制电路.doc

太原科技大学课程设计说明书（数电） 绪 论 数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。 随着科学的发展，人们生活水平的提高，人们不满足于吃饱穿暖，而要有更高的精神享受。不论是思想，还是视觉，人们都在追求更高的美。特别使在视觉方面，人们不满足于一种光，彩灯的诞生让人们是视觉对美有了更深的认识。本设计是一个彩灯控制器 ，使其实用于家庭、商场、橱窗、舞厅、咖啡厅、公共广场等场所的摆设、装饰、广告、环境净化与美化。 本次课程设计在编写时参考了大量优秀教材，并得到太原科技大学机械电子工程学院测控技术与仪器教研室刘畅老师的大力支持，他提出来许多的意见和建议，在此表示衷心的感谢。 由于编者水平有限，本设计说明书难免出现不妥之处，恳请老师和广大读者给与批评并提出宝贵的意见，我将由衷地欢迎与感激。 编 者2010年于太科大 目录 绪 论1一、课程设计题目3二、课程设计目的3三、课程设计基本要求：4四、课程设计任务和具体功能4五、工作原理5六、设计总框图5七、电路元器件的说明6八、总电路图27九、调试与检测28十、误差分析：30十一、设计心得体会。31附录32参考文献36一、课程设计题目：8路输出的彩灯循环控制电路二、课程设计目的：1、巩固和加强“数字电子技术”、“模拟电子技术”课程的理论知识的理解和应用。2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发的过程。3、提高电子电路实验技能及multisim10仿真软件的使用能力。4、掌握电子电路安装和调试的方法及故障排除方法。5、学会撰写课程设计说明书。6、通过查询资料文献和设计手册，培养独立分析问题和解决问题的能力。7、培养创新能力和创新思路。三、课程设计基本要求：1、 确定整体设计方案，明确要实现的功能和设计所需要的元器件，给出整体设计框图。2、对电路中所需元器件及参数进行设计。3、按照自己设计的电路用multisim10软件画出总体电路图并进行仿真。4、对课程设计中所有用到的电子元器件及芯片的功能进行描述。5、认真完成课程设计说明书，提交格式符合要求，内内容完整的课程设计说明书。四、课程设计任务和具体功能a、设计任务：采用中规模集成电路设计8路输出的彩灯循环控制电路。b、具体功能：7490n计数器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即可控制彩灯闪烁的快慢。计数器输出端作74ls138d译码器输入信号，计数器输出不同的数据，即可控制74ls138d译码器得到8钟不同的输出。五、工作原理 电路由555定时器、7490n计数器和74ls138d译码器组成。7490n计数器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即可以改变计数器的计算快慢，即可控制彩灯闪烁的快慢。计数器输出端作74ls138d译码器输入信号，计数器输出不同的数据，即可控制74ls138d译码器得到8钟不同的输出。六、设计总框图 电源接入 555定时电路计数器电路译码器电路 彩灯演示电路七、电路元器件的说明 a、555定时器元器件介绍 555集成时基电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。在延时操作中，脉冲由一个电阻和一个电容控制。用于稳定工作的振荡器时，频率由两个电阻和一个电容控制。ne555会在下降延触发和清零，此时输出端产生200ma的电流。ne555的工作温度为070。 1、555定时器的工作原理 11 555定时器内部逻辑电路结构图1 555定时器内部逻辑电路结构 555集成定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，有ttl和cmos等型号之分，但外引线排列和功能完全相同。其组成电路框图如图1所示。555定时器有二个比较器a1和a2，有一个rs触发器，r和s高电平有效。三极管td是放电管(有时有另一三极管，是对清零起跟随作用，起缓冲作用)，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kw电阻组成的分压器，由此可以获得 2/3vcc和1/3vcc 两个基准分压值，一般称为阈值。 若在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 a1 的反相输入端的电压为 2vcc /3，a2 的同相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 a2 的输出为 1，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 a1 的输出为 1，a2 的输出为 0，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。 12 555定时器外引线排列图图2(1) 555定时器外引脚排列图2（2） 555定时器外引脚排列 555定时器的外引线排列如图2（1）（2）所示。 1脚是接地端gnd，2脚是低触发端tl，3脚是输出端out，4脚是清除端rd，5脚是电压控制端cv，6脚是高触发端th，7脚是放电端dis，8脚是电源端vcc。 （tr）为低电平触发端。该端输入电压高于1/3ucc时，比较器c2输出为“1”，当输入电压低于1/3ucc时，比较器c2输出为“0”。 （u0）为输出端。输出为“1”时的电压比电源电压ucc低2v左右。输出最大电流为200ma。 （）为复位端。在此端输入负脉冲（“0”电平，低于0.7v）可使触发器直接置“0”，正常工作时，应将它接“1”（接+ucc）。 （co）为电压控制端。静态时，此端电位为2/3ucc。若在此端外加直流电压，可改变分压器各点电位值。在没有其他外部联线时，应在该端与地之间接入0.01f的电容，以防干扰引入比较器c1的同相端。 （th）为高电平触发端。该输入端电压低于2/3ucc时，比较器c1输出为“1”，当输入电压高于2/3ucc时，比较器c1输出为“0”。 （d）为放电端，当输出u0=“0”，即触发器= 1时，放电晶体管t导通，相当7端对地短接。当u0 为“1”，即= 0，t截止，7端与地隔离。 和分别为电源端和接地端。 13 555定时器功能表（如表1）rdthtru0t00导通1大于2/3ucc大于1/3ucc0导通1小于2/3ucc小于1/3ucc1截止1小于2/3ucc大于1/3ucc保持保持表1 555定时器功能表功能：功能主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。图3为多谐振荡电路波形图。图3 555多谐振荡波形图 2、 555定时器参数指标555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5v16v 工作，7555 可在 318v 工作，输出驱动电流约为 200ma，cmos555集成定时器的电源电压在4.5v18v范围内使用。 因555定时器的输出端电流可以达到200ma，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。 b、7490n计数器元器件介绍 74ls90功能：十进制计数器（2 和5） 原理说明：本电路是由4 个主从触发器和用作除2 计数器及计数周期长度为除5 的3 位2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9 输入。管脚引线如下图 通过不同的连接方式，74ls90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助r0(1)、r0(2)对计数器清零，借助s9(1)、s9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从cp1输入，qa作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从cp2输入，qdqcqb作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将cp2和qa相连，计数脉冲由cp1输入，qd、qc、qb、qa作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。 (4)若将cp1与qd相连，计数脉冲由cp2输入，qa、qd、qc、qb作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5)清零、置9功能。a）异步清零 当r0(1)、r0(2)均为“1”；s9(1)、s9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即qdqcqbqa0000。 b）置9功能当s9(1)、s9(2)均为“1”；r0(1)、r0(2)中有“0”时，实现置9功能，即qdqcqbqa1001。功能表如下图输 入输 出功 能清 0置 9时 钟qd qc qb qar0(1)、r0(2)s9(1)、s9(2)cp1 cp21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1qa 输 出二进制计数1 qdqcqb输出五进制计数 qaqdqcqbqa输出8421bcd码十进制计数qd qaqdqcqb输出5421bcd码十进制计数1 1不 变保 持74ls90逻辑图如下图建议操作条件： 符号 参数最小典型最大 单位vcc电源电压4.7555.25vvih输入高电平电压2-vvil输入低电平电压-0.8vioh高电平输出电流-0.4maiol低电平输出电流-8mafclkclock frequency (note 5)时钟频率a to qa0-32mhzb to qb0-16fclkclock frequency (note 6)时钟频率a to qa0-20mhzb to qb0-10twpulse width (note 5)脉冲宽度a15-nsb30-reset15-twpulse width (note 6)脉冲宽度a25-nsb50-reset25-trelreset release time (note 5)重置发布时间25-nstrelreset release time (note 6)重置发布时间35-nstafree air operating temperature工作温度0-70note 5: cl = 15 pf, rl = 2 kw, ta = 25 and vcc = 5vnote 6: cl = 50 pf, rl = 2 kw, ta = 25 and vcc = 5v电气特性symbol 符号parameter 参数conditions 条件最小典型最大 单位vi输入钳位电压vcc = 最小, ii = -18ma-1.5vvoh输出高电平电压vcc=最小,ioh=最大 vil=最大,vih=最小2.73.4-vvol输出低电平电压vcc = 最小, iol = 最大 vil = 最大, vih = 最小(note 8)-0.350.5viol= 4ma, vcc =最小-0.250.4ii输入电流最大输入电压vcc = 最大, vi =7vreset-0.1mavcc = 最大 vi =5.5va-0.2b-0.4iih输入高电平电流vcc = 最大, vi =2.7vreset-20aa-40b-80iil输入低电平电流vcc = 最大, vi =0.4vreset-0.4maa-2.4b-3.2ios短路输出电流vcc = 最大 (note 9)-20-100maicc电源电流vcc = 最大 (note 7)-915ma交流电气特性： 符号 参数输出rl=2k 单位cl =15pfcl =50pf最小最大最小最大fmax最大时钟频率a to qa32-20-mhzb to qb16-10-tplh低到高电平输出传递延迟时间a to qa-16-20nstphl高到低电平输出传递延迟时间a to qa-18-24ns c、74ls138译码器元器件介绍 1.译码器 译码器是组合电路的一部分。所谓译码,就是把代码的特定含义“翻译”出来的过程,而实现译码操作的电路称为译码器。译码器分成三类： （1）二进制译码器：如中规模2-4线译码器74ls139,3-8线译码器74ls138等。 （2）二-十进制译码器：实现各种代码之间的转换,如bcd码-十进制译码器74ls145等。 （3）显示译码器：用来驱动各种数字显示器,如共阴数码管译码驱动74ls48（或74ls248）共阳数码管译码驱动74ls47（或74ls247）等。 2.74ls138引脚图 74ls138管脚图:74ls138 为3 线8 线译码器，共有 54/74s138和 54/74ls138 两种线路结构型式，其工作原理如下： 当一个选通端（g1）为高电平，另两个选通端（/(g2a)和/(g2b)）为低电平时，可将地址端（a、b、c）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 g1、/(g2a)和/(g2b)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74ls138还可作数据分配器 3.用与非门组成的3线-8线译码器74ls1383线-8线译码器74ls138的功能表表3.3.5 无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74ls138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。 当附加控制门的输出为高电平（s1）时，可由逻辑图写出 由上式可以看出，同时又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。 71ls138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（s1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表3.3.5所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图3.3.8电路中如果把作 为“数据”输入端（同时），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如 当101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。d、其他元件说明 上图中的元件分别是：数字电源、地线、电阻、电容、发光二极管。八、总电路图九、调试与检测 （1）信号发生器：在这部分非常重要，这个模块决定了下面的周期。在这个电路中，要调节cp的周期，在确定电路连接正确无误的情况下，用示波器观察cp的周期，如果所显示的周期没有满足我们所需要的时候，由周期计算公式： 可得到。我们只需要调节r1、r2或c的值便可以得到不同的周期，如此下去，直到调节得到我们所希望的为止。 用设计多谐震荡器，在此电路震荡电路中：、利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激震荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用同样也能产生自激震荡，只要反馈信号足够强。、由于门电路的传输延迟时间极短，电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的震荡是很困难的，而且频率不容易调节。、在电路中接入电路可以有助于获得较低的震荡频率，而且通过改变、的数值可以很容易实现对震荡频率的调节。、多谐震荡器的周期只由、决定，占空比： q = (r1+r2) / (r1+2r2) （2）、记数器：在这部分基本上是连线而已，没有什么误差出现，由于门电路有延时的做用，可能会有竞争冒险现象出现。检查竞争冒险的方法这主要有两种：（1），通过在计算机上运行数字电路的模型程序，能迅速的查出电路是否会存在竞争冒险现象。目前已有这类成熟的次序可供选用。（2），/用实验来检查电路的输出是否有因为竞争冒险而产生的尖峰脉冲。这时加到输入端的信号波形应该包含输入变量的所有可能发生的状态变化。在着部分还有就是芯片增加了预置数、异步置0和保持的功能。 （3）、译码器：74138上面已经介绍得非常清楚了，包括它在使用是的注意事项。只是在接线是注意不要接错就行了。而且在这不是也不是很多。 （4）、彩灯：在前面的个模块都无误的情况下，按事先已布置好情况下接好就可以了，在接前务必确认每个发光二极管是正常的。接好个部分的电路连线后，在接入电源之前首先要用万用表测量检验一下直流电源电压。这步非常重要，在没有检查情况下如果盲目接通电路，电源电压比较大的情况下很有可能会把芯片和发光二极管烧坏，在电源电压较小的情况下就很难得到我们的结论。十、误差分析：1.综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 电流表内阻串入回路造成的误差; 测得纹波电压时示波器造成的误差; 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差; 2.可以通过以下的方法去改进此电路: 1 减小接触点的微小电阻; 2 测得纹波时示波器采用手动同步; 3 采用更高精确度的