WHUT数电课设_彩灯循环控制电路的设计

1、目 录1 技术指标11.1 技术要求11.2 初始条件12 设计方案及其比较12.1 彩灯循环控制电路的基本原理12.2 方案一22.2.1 电路原理框图及原理图22.2.2 方案一电路原理分析22.2.3 方案二Proteus仿真实现32.3 方案二42.3.1 电路原理框图及原理图42.3.2 方案二电路原理分析42.3.3 方案二Proteus仿真实现52.4 方案三52.4.1 电路原理框图及原理图52.4.2 方案三电路原理分析62.4.3 方案三Proteus仿真实现72.5 方案比较73 实现方案83.1 实现方案元件清单83.2 实现电路原理分析83.2.1 矩形脉冲产生电路8

2、3.2.2 彩灯循环控制电路123.2.3选通发光二级管及显示电路153.2.4 实现方案总电路图及原理分析153.3 实现方案面包板布线图164 调试过程及结论184.1 Proteus仿真结果184.2 面包板线路调试过程184.3 调试出现的问题194.4 结论195 心得体会206 参考文献21武汉理工大学专业课程设计（二）课程设计说明书彩灯循环控制电路的设计1 技术指标1.1 技术要求设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。1.2 初始条件直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、

3、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。2 设计方案及其比较2.1 彩灯循环控制电路的基本原理彩灯循环控制电路的设计主要思路为：首先产生CP脉冲，输出送给彩灯循环控制电路的时钟脉冲输入端，由彩灯循环控制电路驱动二极管发光，采用共阴极或者共阳极连接，彩灯循环电路的结构框图如图1所示。CP脉冲产生电路彩灯循环控制电路彩灯演示电路产生脉冲驱动发光二极管 图1 彩灯循环电路的结构框图其中，第一部分主要可以通过NE555定时器连接成多谐振荡器，从而产生CP脉冲，调节充放电过程中电流所经过电阻可以控制发光时间。把电阻阻值调大，充电时间常数变大，周期变长，相应的频率变慢；电阻阻值调小，充电时间常数变小，周期变小，

4、频率变快。第二部分主要可以通过自然二进制计数器来实现循环功能，输出送给译码电路，这样就可以得到一个个的独立电平信号；此外，移位寄存器也可以将高电平或者低电平依次循环输出。通过调节分频器，可以得到不同的维持时间。第三部分的彩灯显示电路通过发光二极管共阴极或者共阳极连接来实现，但需要注意的是为使灯正常被点亮必须控制电流的大小，所以需要接限流电阻来保证彩灯的安全性和可靠性。2.2 方案一2.2.1 电路原理框图及原理图图2为方案一电路的原理框图。电路由脉冲产生电路，十进制计数产生集成选通电路，及发光二级管显示电路组成。彩灯显示电路（LED）十进制计数器译码电路（CD4017）多谐振荡器矩形脉冲产生电

5、路。（NE555）图2 方案一的原理框图图3为方案一的电路原理图。由NE555定时器,CD4017十进制计数器及相应显示元器件组成。图3 方案一的电路原理图2.2.2 方案一电路原理分析将NE555定时器连接成多谐振荡器，用来产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号作为CD4017计数器的输入脉冲，从而触发计数器工作。CD4017芯片为十进制数译码器，可实现计数和译码功能，其内部由计数器和译码器两部分组成，经过计数译码后实现了在连续脉冲的触发下，输出端从Q0到Q9端依次输出与脉冲同步的高电平的功能。输出端与共阴极的发光二极管相连，可达到依次点亮的循环的效果。CD4071芯片的CLK端为脉冲输入端，E为使

6、能低有效。MR为清零端，高电平清零。CD4071有Q0到Q9十个输出端，当有连续脉冲输入时，Q0到Q9循环输出高电平。为了使三个设计方案相一致，将Q8端与MR端相连，当第九个脉冲输入时，Q8输出低电平变为高电平，MR端输入高电平，各输出端清零，在接下来的脉冲到来时，重新开始从Q0到Q7循环输出高电平脉冲信号。将CD4017的8个输出端分别与发光二极管的阳极连接，八盏灯共阴极连接，阴极通过一个限流电阻到公共地，灯被循环点亮。发光的时间调节是通过滑动变阻器实现的，为滑动变阻器接入的电阻，多谐振荡器电路产生脉冲循环的时间由电容的充放电时间决定，利用三要素法知周期为： (1)频率为： (2)发光二极管

7、的发光时间即为T，改变滑动编组器接入的电阻值就可以改变脉冲频率，进而实现彩灯循环的时间的调节。为退耦合电容，用来消除工作过程汇总由于输出信号突变引起的干扰，提高电路的稳定性。为过电流保护电阻。2.2.3 方案二Proteus仿真实现用Proteus电子辅助设计软件绘制实现电路原理图并进行仿真调试。图4为方案一仿真结果图。图4 方案一仿真图从图中，可以准确的观察出电流的流动方向，电路工作过程中，每次只有一个彩灯被点亮，并且其余的电流方向均是由公共地经限流电阻R2流向CD4017芯片，只有一条支路是从芯片流向公共地端，根据发光二级管的单向导电性，每次只有一个灯被点亮。2.3 方案二2.3.1 电路

8、原理框图及原理图图5为方案一电路的原理框图。电路由脉冲产生电路，八进制序列脉冲发生器，选通发光二级管电路及显示电路组成。多谐振荡器矩形脉冲产生电路。（NE555）计数器控制彩灯循环电路（74LS161）选通发光二级管电路（74LS138）彩灯显示显示电路（LED）图5 方案二的原理框图图6为方案一的电路原理图。由NE555定时器,74LS161计数器，74LS138译码器及相应元器件组成。图6 方案二的电路原理图2.3.2 方案二电路原理分析方案二的矩形脉冲产生电路及发光时间的调节原理同方案一。CD4017芯片为十进制计数译码器，可同时实现计数和译码的功能，因此可用74LS161计数器和74L

9、S138译码器来代替CD4017芯片的这两个功能。矩形脉冲信号作为74LS161计数器的输入脉冲触发计数器工作，将计数器的Q3端通过一个非门与清零端MR相连构成八进制计数器，计数器的低三位输出端与74 LS138译码器的低三位输入端连接，则计数器产生的000到111的八进制序列经译码器译码输出，译码器的输出端循环输出低电平。将发光二级管阴极连接在8个输出端，发光二极管采用共阳极连接，阳极接在一起经过限流电阻后与电源相连，则每次一个彩灯被点亮，计数器循环工作，实现了八盏彩灯的循环点亮。彩灯控制循环的时间调节仍然是通过改变接入的电阻阻值，通过观察公式知，接入的阻值越大，彩灯对应的被点亮的周期越长，

10、频率越小。2.3.3 方案二Proteus仿真实现 用Proteus电子辅助设计软件绘制实现电路原理图并进行仿真调试。图7为其仿真结果图。图7 方案二仿真图仿真结果与方案一的结果基本一致，只是彩灯的连接方式不同，导致了电流的流向恰好相反，只有一条支路为公共地流向LED发光二极管，其余的电流为74LS138译码器流向公共地端。芯片工作过程中，首先满足芯片能正常工作，即第一步是连接芯片的电源端和公共地端，否则，芯片不工作。在不了解芯片所有引脚功能的情况下，最好都让引脚满足不工作，即使能无效。2.4 方案三2.4.1 电路原理框图及原理图图8为方案三的电路原理框图，其由脉冲产生电路，N进制控制电路，

11、选通及显示电路组成。多谐振荡器矩形脉冲产生电路。（NE555）N进制彩灯控制电路（74LS161）选通发光二级管电路（74LS199）彩灯显示电路（LED）图8 方案三的原理框图图9为方案三的电路原理图，电路主要由NE555定时器，74LS161计数器与74LS199移位寄存器组成。图9 方案三的电路原理图2.4.2 方案三电路原理分析方案三中，由多谐振荡电路产生的脉冲周期 (3)作为下一级的脉冲输入。74LS161计数器可以将脉冲进行N分频（N16），即N进制。通过计数器的RCO进位输出端输出的分频后的脉冲与下一级的移位寄存器的脉冲输入，用来触发移位寄存器工作，每产生一个进位，就对寄存器触发

12、一次，移位寄存器相应的所有数据向右平移一位。每盏灯的发光时间为，发光的时间调节通过计数器的进制数来实现（改变N），单刀双掷开关SW1、SW2、SW3、SW4可以改变D0、D1、D2、D3的置数状态。比如：将D3D2D1D0置为1001，在脉冲触发下计数器进行加计数，RCO端在Q3到Q0为1111的时候输出一个高电平脉冲。经过非门后使计数器重新置数。实现了Q3到Q0循环输出为1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111的电平信号（7进制循环计数）。每七个脉冲RCO端输出一个高电平脉冲作为移位寄存器74199的触发信号。移位寄存器工作的提前是，寄存器已经被预置数，为了区分唯

13、一的一个信号，作为工作的参考信号，使Q7到Q0初始状态为10000000。电路中永远只含有唯一的一个高电平，通过SW5控制是寄存器是置数还是右移，由于Q7初始为高电平，所以该寄存器将高电平依次从Q7-Q0-Q7的移动，实现了发光二极管的选通。发光二极管使用共阴极连接，每盏灯的发光时间为7T。为了使电路中不出现高阻态，使用上拉电阻，将输出端的输出状态确定。2.4.3 方案三Proteus仿真实现用Proteus电子辅助设计软件绘制实现电路原理图并进行仿真调试。图10为其仿真结果图。图10 方案三仿真图2.5 方案比较方案一优点为使用的芯片数量少，利用了CD4017本身的计数及译码功能，实现起来比

14、较简单。如果需要连接更加多的彩灯，则需要采用级联的方式，将CD4017的进位输出端与下一级的脉冲信号输入端进行级联，每十个CP脉冲信号产生一个上升沿进位脉冲。缺点为芯片本身就是一个十进制计数器，只能利用强制清零来实现其他个数的实现。方案二是在方案一的基础上，将CD4017芯片的功能用74LS161计数器及74LS138译码器来取代，芯片比方案一要多，但是由于74LS161是可以实现十六进制的计数，采用强制清零或者强制置数法，可以实现其他进制，并且实现起来较方便。采用级联的方式可以实现多个彩灯的循环。方案三主要利用了74LS161来实现分频，从而达到控制二极管被点亮的时间，充分利用了移位寄存器的

15、功能，将高电平依次移位输出，送给彩灯显示电路。同样可以利用级联的方法将分频宽度调大。因为在操作过程中需要利用置数/右移端，需要我们把握时，首先预置数，再进行移位，实现起来可能会困难一点。经对比，且考虑到现有芯片的基础上选择方案一。3 实现方案3.1 实现方案元件清单本次课程设计所用器件如表1所示：表1 本次课程所用原件名称型号数目集成电路CD40171集成电路NE5551电阻1.52电阻3001瓷片电容1041电解电容11滑动变阻器1001滑动变阻器501发光二极管LED103.2 实现电路原理分析3.2.1 矩形脉冲产生电路 所用芯片为NE555定时器。NE555定时器是多用途的数字模拟混合

16、集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，使用灵活，方便。NE555定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V工作。输出驱动电流约为200mA。图11为NE555芯片的管脚图。图11 NE555芯片管脚图 管脚介绍：图10中1脚是接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。图12为NE555芯片的内部结构。图12 NE555芯片的内部结构组成部分：1) 基本RS触发器：由两个“与非”门组成2) 比较器：C1、C2是两个电压比较器3) 分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器

17、，为比较器C1和C2提供参考电压。4) 晶体管开关和输出缓冲器：晶体管T构成开关，其状态受端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。 基本功能为：1) 当时，输出电压为低电平，T饱和导通。2) 当、时，C1输出低电平，C2输出高电平，Q0，T饱和导通。3) 当、时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此、T也保持原来状态不变。4) 当、时，C1输出高电平，C2输出低电平，Q1，T截止。NE555集成电路的逻辑功能表如表2所示。表2 NE555集成电路的逻辑功能表输入组合信号输出组合信号（6端输入信号）（2端输入

18、信号）（输出电压）T的状态0低电平导通1不变不变1高电平（不定）截止1高电平截止1低电平导通多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。NE555芯片1与8端接电源，当电路与电源接通瞬间C2两端没有储存电荷，两端的电压为0。555定时器的2、6端输入电压为0，即出现上述表格中的第四种情况，集成运算放大器的输出为高电平，输出为低电平，基本RS触发器置1工作状态，输出电压为高电平，使晶体管截止，经R1，给电容C2充电。图13为矩形脉冲产生电路原理图，由NE555定时器构成多谐振荡电路。图13 矩形脉冲产生

19、电路原理图这一情况维持到C2两端的电压略超过。此时为上述表格中的第五种情况，集成运放输出为低电平，输出为高电平，基本RS触发器清零工作状态，输出电压为低电平，使晶体管导通，电容经C2经过R1、晶体管让电容放电。这一情况一直维持到C2两端的电压略低于。此后重复上述过程。如此周而复始，形成震荡，产生矩形脉冲波输出。电路的工作波形如图14所示。图14 矩形脉冲电路工作波形 振荡频率的估算：1) 电容充电时间 电容充电时，时间常数，起始值，终了值，将转换值带入RC过渡过程计算公式进行计算。 (4)2) 电容放电时间 电容放电时，时间常数，起始值，终了值， 转换值，带入RC过渡过程计算公式进行计算： (

20、5)3) 电路振荡周期T (6)4) 电路振荡频率f (7) 5) 输出波形占空比q 定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。 (8)3.2.2 彩灯循环控制电路所用芯片为CD4017十进制计数器。CD4017 是十位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一

21、般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。管脚图如图15所示。工作原理：CD4017是十进制计数分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。 图15 CD4017管脚图 CD4017有10个输出端（Q0Q9）和1个进位输出端CO。每输入10个计数脉冲，CO就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。图16为CD4017内部结构。图16 CD4017内部结构CD4017有3个输（MR

22、、CLK和E），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1Q9）均为低电平。CLK为时钟输入端，上升沿触发，用来计数；设置时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，将LED发光二极管共阴极连接，每一个高电平输出，对应一个LED彩灯被点亮，故可直接用作顺序脉冲发生器。表3为CD4017功能表。表3 CD4017功能表输入输出CPINHCRCOH计数脉冲为时，CO=HLL计数HLLL保持计数脉冲为时，CO=LHLLL若想驱动少于10个的LED发光二极管，可采用强制清零法来实现

23、，将需要的发光二极管个数对应的输出端接到MR，时钟信号的上升沿到来时，进入下一个循环。在连接这个电路过程中，有一个比较关键的成功因素就是要弄清楚电路为电平敏感还是上升沿敏感。若是上升沿敏感的电路，则清零信号能够保持，作为有效的输出信号，可以驱动一个LED发光二极管。此时电路输出虽然送给清零端，但一定要等下一个脉冲到来时，清零信号才能有效工作；而电平敏感的清零信号只要清零信号到来，电路就被强制清零，清零信号不能保持。CD4017的构成十进制的输出波形如图17所示。图17 CD4017输出波形图3.2.3选通发光二级管及显示电路通过CD4017自身完成十进制的计数方式，同时译码输出，直接在输出端接

24、上LED彩灯。图18为选通发光二极管及显示电路，彩灯控制循环的实验目的。图18 选通发光二级管及显示电路将十个LED灯以共阴极连接方式连接在的接口上。电路工作时，经CD4017译码选通后发光二极管D1D10循环闪亮。R3为过流保护电阻，防止电流过大烧坏二极管。3.2.4 实现方案总电路图及原理分析下图19为实现方案电路原理图。实现方案以方案一为原型加以调整，由于原图的电阻不能满足需求，所以在实现上增加了一个定值电阻。此外，在设计过程中用强制清零法，将十进制计数器转化成八进制，而实现时，恢复十进制功能。图19 实现方案的总电路原理图实现方案电路由矩形脉冲产生电路，十进制自然二进制计数器译码输出构

25、成彩灯控制循环部分来选通发光二级管及显示电路三部分组成。接通电源后，由NE555定时器构成的多谐振荡器，产生了矩形脉冲信号，矩形脉冲信号从NE555定时器的3脚输出。输入到CD4017计数器的脉冲端，每个脉冲上升沿触发计数器加计数一次，译码器将二进制序列转换为十进制，并从相应输出端输出高电平信号。LED灯采用共阴极接法，各个阴极连接在译码器10个输出端口，译码器输出端循环输出高电平信号，十个LED灯被循环点亮。实现彩灯循环被点亮的效果。调节滑动变阻器的阻值，可以观察到彩灯被点亮的时间不一样，达到改变时间的目的。3.3 实现方案面包板布线图首先通过一个面包板布局软件仿真一下面包板的布局，能够较合

26、理的将面包板的布线图规划清晰，并且能够验证各管脚的通断。在接线不合理的情况下，能够方便的采用其他方案，避免了实物连线不必要的拆线，拆芯片等复杂工作，并且可以防止芯片被损坏，以及导线的浪费。图20为软件仿真的NE555脉冲产生电路面包板绘制图。图20 NE555面包板绘制仿真图图21为彩灯循环控制电路及显示电路的面包板仿真。图21 彩灯循环控制电路及显示电路面包板连接仿真通过仿真，能够让实物连接比较方便快捷。图22为最终的实现方案面包板布线图。图22 实现方案面包板布线图4 调试过程及结论 4.1 Proteus仿真结果用Proteus电子辅助设计软件绘制实现电路原理图并进行仿真调试。图23为其

27、仿真结果图。图23 Proteus软件仿真图仿真现象：按下仿真键后，电路正常工作，D1D10循环闪亮，改变滑动变阻器的阻值，彩灯被点亮的时间改变，实现彩灯循环控制。4.2 面包板线路调试过程小组各成员一起合作，按照实现电路原理图及面包板仿真的连接设计方案，在面包板上布线。由于电路中LED发光二极管的个数较多，将所有的与二极管相连的管脚必须用导线引出来，使电路接线很困难，且技术要求LED发光二极管最好排成流水形式，给电路连接带来很大的不便。但由于小组在连线之前绘制了仿真模拟图，最终能够在不交叉不跳线的基础上将电路连接成功。调试工程中，将面包板电路的电源端引出一根导线连接直流稳压电源的正极，将面包

28、板电路的公共地端连接直流稳压源的负极。输入电压调为5.0V，使电路工作，虽然调试过程不是一次就成功，但经过耐心检查电路，最终排除所有的错误，流水似的彩灯被循环点亮，且每次只有一个亮。顺时针旋转滑动变阻器的旋钮，彩灯顺序被点亮的时间改变。图24为面包板线路调试过程图。图24 面包板线路调试过程图4.3 调试出现的问题 NE555的工作电压为4.5V16V，调试选用的输入电压为5.0V，调试成功了。整个过程却遇到很多问题。由于线路较多，我们最开始没有将所有的电源端引到同一根电源线上，造成不正常工作。我们在检测灯为什么不亮的时候，首先用万用表检察了一下电路通断，在电路导通的情况下，我们就想检测LED

29、彩灯的好坏，直接将电源正负极与彩灯正负极连接，没有保护电阻，彩灯被烧坏，告诫我们以后一定在了解元件工作参数的前提下再想解决办法。在仿真的时候，CD4017芯片没有把电源和地画出来，所以我们在连线的时候也没有注意到这一点，结果彩灯一直没亮，意识到这一点后，电路已经基本被排满，我们不得不重新布局电路。告诫我们内心一定有一些基本常识，芯片工作一定要首先连接地线和电源线。基本上大部分灯都被点亮了，但还剩下一个灯迟迟未亮，于是我们首先检查与该灯连接的输出端口有没有电压，发现，芯片的引脚有电压跳动，且导线也导通了，于是判断是引脚与面包板接触不良，原来是因为在安装芯片的时候没有用镊子，造成引脚弯了，告诫我们

30、以后在取放元件的时候尽量用工具。4.4 结论实现电路经调试验证可以实现技术要求，显示电路有保护电阻实现过流保护。所选芯片为常用芯片，级联使用方便，无多余元件，调试时选取合理电压即可实现彩灯循环控制的目的。实验成功。5 心得体会为期一周的数字电路课程设计即将结束了。这次的数电课设是我们第二次做电路方面的课程设计，因为已经有了上学期模电课设的经验，这次课设进行的更加顺利。课设的经历让我收获很多，也很开心。我们小组的课题是“彩灯循环控制电路的设计”，因为这个电路很有实用价值，在我们的生活中经常见到各种彩灯依次被点亮的情景，所以我对这次的课设很感兴趣。课题的实现原理较简单，在设计方案时，我首先上网查找

31、了CD4017的芯片资料，发现这个芯片很神奇，可以直接构成十进制计数，并且直接译码输出，最开始看实验要求的时候就想到用计数器与译码器结合，现在CD4017直接就代替了这两块芯片，顿时觉得天空明朗了。一边翻阅数电课本，一边思考还有哪些方案可行，于是想到了移位寄存器，通过计数器给移位寄存器输送脉冲，计数器在时序电路中应用的很广泛，它不仅可以用于对脉冲进行计数，还可用于分频，定时，产生节拍脉冲以及其他时序信号。可是电路连线太复杂，元件多所以舍弃。虽然原理简单，但这次课设中用面包板连接电路图比较麻烦，因为面包板较小且十个LED彩灯需要美观排列，给连线造成困难。芯片需要将十个管脚依次引出来与LED彩灯连接，还要考虑底线和电源线，以及脉冲输入端，但面包板只有5排，我和另一位组员刘广腾思考了很久，也尝试了多种