1、课程设计数字逻辑课程设计数字电路 课程设计（学年设计、学年论文）任务书 学 院计算机与信息工程学院专 业网络工程课程名称数字电路题 目四路彩灯显示电路系统的设计完成期限自2013年12月1日至2014年1月5日共5周内容及任务一、项目的目的（1）加深对电子线路的基本知识的了解和对电路的构建；（2）通过对问题的分析，选取相关的原件，系统设计，把实际问题转化为仿真电路问题；（3）提高团队的合作能力和动手能力；二、 项目任务的主要内容和要求（1）设计四路彩灯显示电路，接通电源后，彩灯可以自动按预先设置闪烁；（2）设置的彩灯花型由三个节拍组成 第一节拍：从左向右逐次渐亮，灯亮时间1S共用4S. 第二节
2、拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭，也需4S。 第三节拍：四路彩灯同时亮0.5秒，然后同时变暗，进行四 次，所需时间也是四秒。（3）三个节拍完成一个循环，一共需要12S。一次循环之后重复进行闪烁。三、项目设计（研究）思路系统主要包括脉冲源、分频器、节拍控制器等，脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；分频器将1Hz的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz（即4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。四、
3、具体成果形式和要求具体成果：四路彩灯显示电路系统和设计文档；其要求：设计思路清晰，给出整体设计框图；设计个单元电路，给出具体设计思路、电路器件。进度安排起止日期工作内容12.1-12.10选题，组员分工，明确任务，查找相关资料。12.11-12.20绘制电路原理图。12.21-12.30运行、调试。12.31-1.3编写课程设计报告、答辩。主要参考资料1康华光主编.电子技术基础（数字部分)第五版.高等教育出版社。2康华光主编.电子技术基础（模拟部分)第五版.高等教育出版社。3蔡惟铮数字电子线路基础M哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社。4吕思忠数字电路实验与课程设计哈尔滨工程大学出版社。5谢自美电子线
4、路设计华中理工大学出版社。指导教师意见（签字）： 年月日系（教研室）主任意见（签字）： 年月日数字电路 设计说明书（或论文）学院名称： 计算机与信息工程学院 班级名称： 12网工1 学生姓名： 陈光辉 金双双 汪小龙 方黎明 任祥 吕海涛 学 号： 题 目： 四路彩灯显示电路系统的设计 指导教师姓 名： 温卫敏 起止日期： 2013.12.1至2014.1.3 第一部分：正文部分一、 选题背景随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为了一种时尚。二、 相关知
5、识1.系统设计方案分析设计任务可知，系统结构框图如图2.1所示。其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；分频器将1Hz的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz（即4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。系统控制流程图及控制系统结构框图如图2.1所示：显示电路图2.1 四路彩灯控制系统结构框图(1)方案一直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。时序脉冲电路设计：5
6、55定时器组成多谐振荡器。彩灯控制电路：分频器采用74HC163起节拍产生和控制作用。优缺点：使用元件少，电路设计简单；价格相对较高，连线线多。(2)方案二直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。彩灯控制电路：分频器采用两个D 触发器连接成四进制异步减法计数器；采用两个D 触发器和一个与非门构成三进制计数器优缺点：价格相对较低，连接线少；设计偏难，使用元件较多。(3)方案选择由于方案二设计需要的元器件较多，设计偏难，因此选用方案一设计控制系统电路。2.系统芯片选型（1）555定时器时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐
7、振荡器 。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平如图2.2所示。图2.2 555定时器封装图（2）74HC
8、163彩灯控制电路：分频器采用74HC163起节拍产生和控制作用。图2.3 74HC163N_6V（3）双向通用移位寄存器74LS194送数功能电路：双向通用移位寄存器如图2.4 所示 74LS194，所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次位移的寄存器，它是一种可以用二进制形式保存数据的双稳器件,即能左移又能右移的寄存器。图2.4 74LS194D封装图三、 系统设计1.系统工作原理四路彩灯既有四路输出，设依次为QD、QC、QB、QA，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表3.1所示的输出显示。表3.1四路彩灯输出显示说 明输 出所用时间QD QC QB QA
9、开机初态0 0 0 0第一节拍逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01s1s1s1s第三节拍同时亮0.5s，然后同时灭0.5s，进行四次1 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 00.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s由分析可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等
10、功能。分频及节拍控制可以用一个12进制计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。同时亮0.5s、同时灭0.5s可考虑把1Hz的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。记第一，二，三节拍分别为Y2Y1Y0有效时间应为4秒，Y2结束Y1马上开始，Y1后Y0马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。或者用74
11、163与74194配合对三个状态和有效时间间隔同时进行控制，应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即Y2Y1Y0节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。 为实现Y2功能要求器件具有右移功能，为实现Y1功能要求器件有左移功能；右移输入端为“1”，左移输入端为“0”；为实现Y0功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行输入端A、B、C、D，并行输出端、，右移输入端SR，左移输入端SL和模式控制输入端S1，S0和一个个无条件直接清除端CLR。模式控制输入S1，S0，有00、01、10、1
12、1四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即保持、右移、左移和并行置数。为了使当Y2Y1Y0=100时，S1S0 =01（右移），Y2Y1Y0=010时，S1S0=10（左移），当Y2Y1Y0=001时S1S0=11（并行置数）。74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端S1S0 的状态被确定下来，即 Y2Y1Y0 =100时，S1S0 =01 右移串行数据输入端 SR经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，当Y2Y1Y0 =010 S1S0 =10 左移串行数据输入端 SL经脉冲信号经四分频电路和通
13、过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒，Y2Y1Y0 =001 S1S0 =11 并行数据输入端 A、B、C、D经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者是脉冲直接输入到彩灯使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP脉冲。 2.直流稳压电源电路设计电源变压器是将交流电网220v电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的波纹，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化
14、。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。图3.1 直流稳压电源仿真图3.时序脉冲电路设计（1）电路结构图3.2 时序脉冲电路工作原理图（2）工作原理接通电源后，电容被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时,Vo翻转为高电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。由555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期计算公式为:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)控制74HC161十六
15、进制计数器电阻值和电容值可设为：R1=16.2K；R2=63.4K；C=10F；T=1.001s。其电路仿真图如下图3.3 1HZ时序脉冲电路仿真图4.彩灯控制电路的设计由74HC163，74HC194及与非门，与门，或门，放大器及彩灯组成。模为12的计数器74HC163起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。由一个74HC163、一个两输入的与门、一个两输入的或门、一个两输入的与非门组成，该图用的是反馈置数法，当输出端QD、QC、QB、QA为1011时，LOAD端接收到低电平0，此时74HC163输出端就重新回到了0000状态，这样就实现了三次节拍的作用，进一步作用
16、到74HC194。当然还可以用反馈请零法，及时将与非门的输出端接在CLR端口，输出端QD、QC、QB、QA为1011时，将CLR置零，输出端为0000。这样依次循环就完成了。移位寄存器74HC194， DSR接高电位，即实现右移时把高电平从低位起依次移进的功能；DSL接地电位，即实现左移时把低电平从高位起依次移进的功能。在第一节拍中，S1S0=01，故74HC194实现右移功能，此时在时钟脉冲作用下，会把DSR=1从最低位起逐次移进；在第二节拍中，S1S0=10，74HC194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把DSL=0从最高位起逐次移进；第三节拍中，S1S0=10，74HC194仍实现左移
17、功能，即在时钟脉冲作用下，把DSL=0从最高位起逐次移进，此时因为第二节拍最后的状态为0000，故第三节拍中74HC194的输出为0000，其与555定时器送来的脉冲经四个或门的作用（两输入或门但有一个输入为1时，灯泡就亮）从而控制彩灯的同时亮灭。5.四路彩灯工作过程表3.2 四路彩灯工作过程说明秒脉冲74HC16374HC194彩灯输出QD QC QB QA S1 S0QD QC QB QAQD QC QBQA第一节拍1 0 0 01 0 0 11 0 1 00 0 1 1 0 1 0 10 10 11 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11 0 0 01 1 0 01 1
18、1 01 1 1 1第二节拍1 1 0 01 1 0 11 1 1 00 1 1 11 01 01 01 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 0第三节拍2 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 11 01 01 01 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 01Hz时钟CP表3.3 四路彩灯系统程序表说明输出QD QC QB QA时间开机状态0 0 0 01 1 1 14s0 0 0 04s1 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 04s第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复
19、，实现四路彩灯循环显示。四、测试分析四路彩灯从左向右逐次渐亮，时间间隔为1秒，接着从左向右逐次渐灭，时间间隔为1秒。然后同时亮，时间为0.5秒，接着同时变暗，时间为0.5秒，反复4次。然后循环闪烁，如图4.1至图4.4所示。图 4.1 四路彩灯渐亮（灭）状态图1图4.2四路彩灯渐亮（灭）状态图2图 4.3四路彩灯渐亮（灭）状态图3图4.4四路彩灯渐亮（灭）状态图4五、结论本系统主要实现四路彩灯显示电路系统，主要包括直流稳压电路、时序脉冲电路、彩灯控制电路等三个模块，其中直流稳压电路由电源变压器、单桥式整流、电容滤波、稳压等电路组成；时序脉冲电路主要包括由555定时器组成的多谐振荡器、起节拍产生
20、和控制作用的74HC163分频器等模块。综合以上模块，该系统的基本电路用了13个芯片，分频电路用163实现，一共用了5个芯片，是目前用最少的器件，最简单的布线来实现所要求的功能。从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。掌握了ModelSim软件的操作，用所学习过的芯片设计电路，并用面包板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。总而言之，好好利用了此次学院给我们提供的课程设计的机会，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能力。第二部分：参考文献1康华光主编.电子技术基础（数字部分)第五版.高等教育出版社。2康华光主编.电子技术基础（模拟部分)第五版.高等教育出版社。3蔡惟铮数字电子线路基础M哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社4吕思忠数字电路实验与课程设计哈尔滨工程大学出版社。5谢自美电子线路设计华中理工大学出版社。学生签名： 填表日期： 年 月 日第三部分：指导教师评语第四部分：成绩评定指导教师签名： 填表日期：年月日
