北交数电第二块板子.doc

电 子 电 工 教 学 基 地

实验课程：　 数字电子技术实验
实验名称： 可编程彩灯电路
实验人员:

完成日期： 2012年11月
实验目的：
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。
设计任务与要求
1.彩灯电路循环速度肉眼可辨。
2.可实现2灯循环，3灯循环，…，8灯循环。最少6灯，可扩展成可逆循环。
3.要求有功能扩展
4.原理图只做参考，鼓励创新。
彩灯电路框图：

仿真电路设计图：

各模块电路设计：
1.555多谐振荡电路：
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
输     出
uTH
uTR
RD
R(C1)
S(C2)
OUT
放电三极管T
d
＜UR1
＜UR1
＞UR1
d
＜UR2 
＞UR2
＞UR2
0
1
1
1 
d
1
1

0
d
0
1
1
0
1
不变
0
导通
截止
不变
导通
不外接控制电压时，555的逻辑功能表：
输     入
输    出
uTH
uTR
RD
OUT
放电三极管
d
d
0
0
导通

1
1
截止

1
不变
不变

0
0
导通
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，输出频率为5Hz-10Hz连续可调，经过分频器可进行二分频、四分频、八分频。
波形如下图：
74LS148优先编码器
74LS148管脚图和功能表：

74LS148管脚图

74LS148功能表
74LS148是一种优先编码器，优先编码器是一种允许同时输入两个以上的有效输入信号的编码器，优先编码器给所有的输入信号规定了优先顺序，当多个输入信号同时有效时，只对其中优先级最高的一个信号进行编码。
74LS193：
74LS193是同步四位二进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有同步清除和同步置数等功能

LOAD 为置数端， UP为加计数端，DOWN 为减计数端， CO、BO为加、减进位输出端，A、B、C、D为计数器输入端，CLEAR 为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
2.分频电路：
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，四输入端DCBA=1111，由输出端QB作为移位寄存器的输入时钟信号。有分析可知，该分频电路为四分频。
为扩充其功能，我们选用了双向移位寄存器74LS194
（1）左右移位
关闭电源，将控制端A接高电平，B接低电平,秒信号输入(CLK)端接秒信
号。再次打开电源并触按按键K后，可以看到与原来的显示方式不同，电路中的发光二级管从右至左一个一个全部点亮，然后又从右至左一个一个全部熄灭，以此规律不断循环。显然，控制端A、B所接的电平，决定了数据传送的方向。
（2）并行加载数据
断开电源，将A、B置11（都接高电平），将D0～D3置1010；打开电源，此时，发光二极管均不亮，送出一个单脉冲，观察发光二极管的亮、灭情况。如果操作准确，发光二极管的亮、灭指示Q～Q的数据为1010，说明D0～D3的数据，已加载到输出端，此时再改变输入端的数据，输出数据不变。
清零
将MR端对地短路。如果操作无误，所有二极管均熄灭，即输出端数据均为0。

74LS194功能表

74LS194功能表 74LS194引脚分布图
.
8位双向移位寄存器
3.控制部分电路：
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。
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：
①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端E2和E3为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
②利用 E1、E2和E3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。
③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。
可用在8086的译码电路中，扩展内存。
74LS138：

74LS138管脚图

74LS138功能表
其中有三个使能端S1、S2、S3，当S1=1、S2=0、S3=0时允许编码，否则禁止编码。A2、A1、A0为3个地址输入端，Y0—Y7为8个输出端，低电平有效。
4.循环电路：
根据功能表设计电路如下图所示：

J4，J5是控制电路左右来回循环闪烁的，预置信号用J2的八个开关，用以控制循环灯数量，可以选择2到8灯循环，J3可以选择彩灯全亮或循环运行。两块74LS194通过SL，SR连接，可以进行左移、右移的进位输入，通过输出端电平开关选择控制从第几位开启置位，达到循环的效果。
5.彩灯部分电路：
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：

实验测试结果以及调试过程中所遇故障的分析：
通过改变J2的八个开关，可以控制循环灯数量，可以选择2到8灯循环；J3可以选择彩灯全亮或循环运行；通过J4，J5可以控制彩灯电路正向循环或者逆向循环。
实验元件

555 1个
74LS193 1个
74LS148 1个
74LS138 1个
74LS194 2个
74LS00 1个
发光二极管 8个
电阻1k 8个
电阻51k 2个
电容1uf 1个
电容10nf 1个
电位器100k 1个
单刀双掷开关 4个
拨码开关8脚 1个
导线 若干
电路板 1个

感想与体会：
看到我们的彩灯电路能够实现发光、循环等功能，心里由衷的感觉到无比的幸福和欣慰。
仿真的时候，连线很多，所以第一次仿真的时候没有成功，仿真了两遍。电路板焊接上也出现了同样的问题，有一根接地的线忘了连，555芯片的管脚还连错了，导致接通电源的时候出现了短路的现象，闭合J3开关后八只彩灯只能全亮或者亮一个，循环功能没有实现，我们只好重新检查，很快发现了错误。更正之后，看到我们的电路能够按照预期的进行实现全亮、2至8灯循环、正循环逆循环功能，由衷的感到无比兴奋。这次试验线比较多，所以连线、焊接工作都要格外的细致，有耐心，为了检查起来比较方便，同时看起来美观，最好是将电源和地从板子的两端分别引出，布线时也尽量布成直角的折线。不过完成之后感觉收获还是挺大的，不经过亲自的实践，很多东西是不能真正领会的，吸取教训，争取以后能做得更好。本次试验中用到的芯片电路等在今后的学习工作应该也会大量的接触到，所以这次试验也是一次宝贵的经验的积累。

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. 电子技术基础实验与课程设计，高吉祥，北京：电子工业出版社，2002年。
3. 电子技术基础实验，陈大钦，武汉：华中科技大学出版社，2001年。
4. 电子线路设计、实验、测试，谢自美，武汉：华中科技大学出版社，2000年