四路彩灯显示系统数电课程设计.doc

课 程 设 计

课程名称 数字电子技术课程设计
课题名称 四路彩灯显示系统
专 业 电气工程及其自动化
班 级 电气0781班
学 号 2
姓 名
指导教师 赵振兴

2010 年 1 月10日

湖南工程学院
课程设计任务书

课程名称： 数字电子技术
题 目：四路彩灯显示系统

专业班级： 电气0781
学生姓名： 学号： 10
指导老师： 赵振兴
审 批：

任务书下达日期 2010 年 1 月 4 日
设计完成日期 2010 年 1 月 10 日

设计内容及设计要求
一、 任务及要求：
用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下：
1、 开机自动置入初始状态后即能按规定程序进行循环显示。
2、 程序由三个节拍组成：
第一节拍时，四路输出Q1～Q4依次为1，使第一路彩灯先点亮，接着第二，第三，第四路彩灯点亮。第二节拍时，Q4～Q1依次为0，使第四路彩灯先灭，然后使第三，第二，第一路彩灯灭。第三节拍时，Q1～Q4输出同时为1态0.5秒，然后同时为0态0.5秒，使四路彩灯同时点亮0.5秒然后同时灭0.5秒，共进行4次。每个节拍费时都为4秒，执行一次程序共需12秒
3、 用发光二极管显示彩灯系统各节拍；
4、 功能扩展（自选）

二、设计要求：
1、 设计思路清晰，给出整体设计框图；
2、 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；
3、 总电路设计；
4、 计算机仿真
5、 安装调试电路；
6、 写出设计报告；

主要设计条件

1. 提供直流稳压电源、示波器；
2. 提供 TTL集成电路芯片、电阻、电容及插接用面包板、导线等。

说明书格式
1、 课程设计封面；
2、 课程设计任务书；
3、 说明书目录；
4、 设计总体思路，基本原理和框图；
5、 单元电路设计（各单元电路图）；
6、 总电路设计（总电路图）；
7、 安装、调试步骤；
8、 故障分析及电路改进；
9、 总结及设计调试体会；
10、 附录（元器件清单）；
11、 参考文献；
12、 课程设计成绩评分表。

进 度 安 排

第一周 星期一 上午 安排任务、讲课。
星期一 ～星期五上午 查资料、设计
第二周
1、 计算机仿真
2、 测试元器件
3、 调试单元电路
4、 调试总电路
5、 调试验收
6、 写课程设计报告书
星期五下午 答辩
地 点：实验楼四楼 电子综合实验室

第一章 系统组成及工作原理 7
1.1 设计总体思路 7
1.2 基本原理 8
1.3 框图 8
第二章 单元电路设计 8
2.1 时钟脉冲产生电路 9
2.1.1 具体实现 9
2.2 循环控制电路 10
2.2.1 具体实现： 11
2.3 彩灯花样输出电路 11
2.3.1 运用到74LS194功能表 12
2.3.2 通过12进制计数器输出端C、D信号控制移位寄存器S0和S1及其ＣＬＲ＇端真值表 13
2.3.3 彩灯花样输出电路接线图 14
第三章 总电路设计 15
第四章 实验、调试及测试结果分析 16
4.1 结果调试及分析 16
4.1.1 调试使用主要仪器: 数字万用表 直流稳压电源 示波器 函数信号发生器 16
4.1.2 测试电路方法和技巧: 16
4.2 调试中出现故障、原因及排除方法： 16
4.2.1 彩灯只有一种花样变化，没有其它花样： 16
4.2.2 彩灯无规律变化： 16
4.2.3 彩灯四种花样都有，但一次循环结束到另一次循环开始中间有段时间彩灯不亮： 16
第五章 总结及设计调试体会 17
第六章 附录 18
6.1 元器件清单： 18
6.2 参 考 文 献 18

第一章 　　系统组成及工作原理
1.1 设计总体思路

根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161和7420实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑电路实现。

1.2 基本原理

由设计要求出发可知彩灯三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR＇控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR’。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制12进制计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。

1.3 框图
移位计数器74LS191
12进制循环控制器
多 谐 振 荡 器

彩 灯 显 示 输 出
16进制分频计数器

第二章 　　单元电路设计

2.1 时钟脉冲产生电路

用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性矩形脉冲,其周期为:
T=0.7(R1+2R2)C………………………(1-1)
控制74LS161模十六计数器电阻值和电容值可设为：
R1=1KΩ ， R2=20KΩ ， C=0.01μF
由公式（1-1）计算得：T=0.287S

图２.１ 时钟电路

2.1.1 具体实现

74LS161

用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性矩形脉冲,控制74LS161模十六计数器，74LS161A输出2倍T脉冲信号；B输出4倍T脉冲信号，大约为1S。

2.2 循环控制电路

12进制循环控制电路示意图(74LS161由74163代替)

2.2.1 具体实现：

如果模N计数器计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余，可用及非门检测N,当N出现时，及非门输出为低，用它控制清零端CR’，将计数器清零。此处工作状态从0000~1011，检测1100（异步清零）。

2.3 彩灯花样输出电路

2.3.1 运用到74LS194功能表

输 入
输 出
功 能
/CR
S1
S0
CP
SL
SR
D0 D1 D2 D3
Q0 Q1 Q2 Q3
0
×

×
×
×

×
×
×
×
×
0
0
0
0
清 零
1
1
1
↑
×
×
d0
d1
d2
d3
d0
d1
d2
d3
送 数
1
0
1
↑
×
1
×
×
×
×
1
Q0n
Q1n
Q2n
右 移
1
1
0
↑
0
×
×
×
×
×
Q1n
Q2n
Q3n
0
左 移

2.3.2 通过12进制计数器输出端C、D信号控制移位寄存器S0和S1及其ＣＬＲ＇端真值表

CLK
时间
／Ｓ
节拍
QD
QC
S0
S1
SR
SL
74LS194
动作
0

１
Ｈｚ脉冲
B
1
第一节拍
0
0
1
0

1

*

右移1
1
2
0
0
1
0
2
3
0
0
1
0
3
4
0
0
1
0
4
5
第二节拍
0
1
0
1

*

0

左移0
5
6
0
1
0
1
6
7
0
1
0
1
7
8
0
1
0
1
8

２
Ｈｚ　脉冲
A
9

第三节拍
1
0
1
1

*

*

送１
清零
9
1
0
1
1
10
10
1
0
1
1
11
1
0
1
1
12
11
１
０
１
１
13
１
０
１
１
14
12
１
０
１
１
15
１
０
１
１

由上表由：
Ｓ０＝ＱＣ＇
Ｓ１＝ＱＤ＋ＱＣ
CLR＇＝（ＱＤ*A+QD＇）
进一步分析可知７４ＬＳ１９４脉冲控制：
ＣＬＫ＝（ＱＤ*A+QD＇）*ＱＤ+B

2.3.3 彩灯花样输出电路接线图

第三章 　　总电路设计

第四章 　　实验、调试及测试结果分析
4.1 结果调试及分析
4.1.1 调试使用主要仪器: 数字万用表 直流稳压电源 示波器 函数信号发生器
4.1.2 测试电路方法和技巧:
先检查各芯片电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面检查无问题后，再根据彩灯变化情况，确定可能原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块功能，发现并改正错误，直到符合要求为止 。
4.2 调试中出现故障、原因及排除方法：
4.2.1 彩灯只有一种花样变化，没有其它花样：
可能是移位计数器S0，S1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。还可能是12进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否功能完好。特别注意不能把非门输入及输出接反了。
4.2.2 彩灯无规律变化：
原因可能是12进制循环控制电路不能产生符合要求控制码，检查模十六计数器CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性高低电平变化，前面没问题，再检查及非门74LS２０和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。
4.2.3 彩灯四种花样都有，但一次循环结束到另一次循环开始中间有段时间彩灯不亮：
原因可能是控制循环１２进制计数器没有真确接线，实际控制循环进制大于１２进制，导致有放空时间。应该检查７４ＬＳ２０是否正常工作，确保能实现１２进制计数。
第五章 　　总结及设计调试体会
当完成这次课程设计后，感觉很有成就感，因为从电路设计到电路仿真，接线，测试都是自己独立完成。第一次真正体会到将所学知识运用到实践中快乐，最终得到了完美结果，但是最重要是经历一次如此难忘过程。
设计电路最重要是思路要清晰，一旦有了自己思路就应该有层次有条理探索下去，只要坚持自己观点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想及求证过程却是通往另一条道路必不可少环节。
在完成这次设计过程中，我也有参考相关设计课题，甚至还花了很长时间去弄清楚别人设计，以至于后来被束缚住，对自己设计没有了头绪。学习吸收别人长处是应该，但是不能完全沉浸进去，要有自己思路和观点，并且努力去实现。这就是快乐最大源泉。
在完成设计过程中自己不断解决了一个个难题，要通向最后成功，绝不会一蹴而就，饭要一口一口地吃，路要一步一步地走，做事要踏实，实事求是，不能好高骛远。
在电路接线过程中，也出现了很多问题，问题多并不可怕，可怕是在反复受挫中没有革新，不能改进自己方法和思路。
通过这次课程设计，我对电子技术中诸多知识有了更深层次理解，也初步学会了如何将理论知识有机地及实际结合加以运用。这是一次获益匪浅实习。
第六章 　　附录
6.1 元器件清单：
555定时器，模十六计数器74LS161， 及门74LS09，及非门74LS20，非门74LS04，或门74LS32。74LS194双向移位寄存器，发光二极管等。

6.2 参 考 文 献
《电子技术课程设计》 历雅萍、易映萍编
《电子技术课程设计指导》 彭介华、主编
高等教育出版社
《电子线路设计、实验、测试》 谢自美主编　华中理工出版社。

电气及信息工程系课程设计评分表
项 目
评 价
设计方案合理性及创造性

硬件制作或软件编程完成情况*

硬件制作测试或软件调试结果*

设计说明书质量

设计图纸质量

答辩汇报条理性和独特见解

答辩中对所提问题回答情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

综合评分

指导教师签名：________________
日 期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小图纸及程序清单）。
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