1、 課程名稱：數字電子技術、模擬電子技術設計題目： 循環彩燈 院 系： 電子信息科學與技術 學生姓名： 張雷 周宇 學 號： 20130922120 20130922125 專業班級： 2013級電信一班 設計要求：1、設計制作一個循環彩燈電路；2、設置彩燈數量為8個，8個彩燈依次閃爍，彩燈亮燈時間為1秒。循環彩燈摘 要：設計制作了一個循環彩燈控制電路，該電路可以控制8個彩燈循環點亮，每個彩燈點亮時間為1秒。控制電路主要信號發生器、計數器、譯碼器和輸出電路幾部分組成。信號發生器是由555定時器構成的多諧振蕩器；驅動電路由74LS192計數器和74LS138譯碼器組成；輸出電路由八個發光二級管和一

2、個300的電阻和一個5V電源組成。利用Multisim 10對設計的電路進行仿真，可以得到八個彩燈依次循環著亮，并且每個彩燈的亮燈時間為1秒。此外要注意，74LS192發光二極管要共陽極連接。關鍵詞：循環彩燈；555定時器；74LS192；74LS138 ；Multisim 10電路仿真1. 設計背景1.1 電子技術課程設計的目的與意義電子技術是一門實踐性很強的課程，加強工程訓練，特別是技能的培養，對于培養設計人員的素質和能力具有十分重要的作用。在電子信息類本科教學中，課程設計是一個重要的實踐環節，它包括選擇課題、電子電路設計、組裝、調試和編寫總結報告等實踐內容。通過課程設計要實現以下兩個目標

3、，第一學生初步掌握電子線路的設計、組裝及調試方法。即學生根據設計要求，查閱文獻資料，收集、分析類似電路的性能，并通過組裝調試等實踐活動，使電路達到性能要求；第二課程設計為后續的畢業設計打好基礎。畢業設計是系統的工程設計實踐，而課程設計的著眼點是讓學生開始從理論學習的軌道上逐漸引向實際方面，運用已學過的分析和設計電路的理論知識，逐步掌握工程設計的步驟和方法，同時，課程設計報告的書寫，為今后從事技術工作撰寫科技報告和技術資料打下基礎。1.2 電子技術課程設計的方法和步驟電子電路設計方法是在設計一個電子電路系統時，首先必須明確系統的設計任務，根據任務進行方案選擇，然后對方案中的各部分進行單元電路的設

4、計、參數計算和器件選擇，最后將各部分連接在一起，畫出一個符合設計要求的系統電路圖。首先明確系統的設計任務要求對系統的設計任務進行具體分析，充分了解系統的性能、指標、內容及要求，以便明確系統應完成的任務。然后進行方案選擇，把系統要完成的任務分解為若干個單元電路，并畫出一個能表示各單元功能的整機原理框圖。方案選擇的重要任務是根據掌握的知識和資料，針對系統提出的任務、要求和條件，完成系統的功能設計。在此過程中要敢于探索，勇于創新，爭取方案的設計合理、可靠、經濟、功能齊全、技術先進。并且對方案要不斷進行可行性和優缺點的分析，最后設計出一個完整框圖。2. 設計方案2.1 任務分析根據課程設計要求，分析可

5、知，循環彩燈是由555定時器構成的多諧振蕩器產生固定周期的時鐘發生器，為電路提供時鐘信號，為實現產生所需要的周期，要用到電阻和電容，以及由定時器構成的多諧振蕩器，支持整個電路的工作；又為實現計數，故要用雙時鐘類型計數器來實現一個加法功能，才能保證實現此要求，并且計數器的進制要對，用置零來實現進制的要求；有了計數器，我們要把這些輸入的二進制代碼變成輸出是一組與輸入一一對應的高低電平，因此要使用譯碼器來進行譯碼，選擇適當的譯碼器；輸出電路中，為了讓彩燈發光并且不被由于電壓過大而燒壞，我們要加上一個保護電阻，電阻的阻值我們可以計算出來；要使8個彩燈依次循環發光。另外還要注意到結合本電路彩燈管要進行共

6、陽極連接。由計數器和譯碼器組成，用以驅動8個彩燈正常工作，并且在時鐘電路的控制下讓8個彩燈循環工作。電路結構框圖如圖1所示。計數器譯碼器顯示輸出端時鐘發生器圖1 電路結構框圖2.2 方案論證在循環彩燈電路中，需要體現的是電路的循環功能，電路采用由數字模擬混合集成電路555定時器構成的多諧振蕩器產生固定周期為1秒的時鐘發生器，為電路提供時鐘信號，這是輸入電路；用雙時鐘異步芯片74LS192來進行一個加法計數，計數之后我們要對輸入電路的二進制輸入進行譯碼，故采用了3線8線譯碼器74LS138來實現，驅動電路采用雙時鐘類型的異步計數器74LS192和3線8線譯碼器74LS138來實現，所以再經過由計

7、數器和譯碼器組成的驅動電路，經譯碼器譯出的脈沖信號到達輸出電路，由芯片74LS192構成八進制計數器，并對時鐘信號進行計數來實現八個彩燈依次循環發光；由芯片74LS138組成譯碼器，并且74LS138對74LS192的低3位輸出代碼進行譯碼，并驅動對應的發光二極管點亮，直接控制彩燈的閃爍；而74LS138的輸出管腳均為低電平，所以我們要把二極管的另一端加上一個5V的高電平，在高電平的電源與發光二級管之間我們加上一個保護電阻來維護發光流過二級管的電流和兩端電壓，最終要8個彩燈循環亮，并且每個燈亮燈時間為多諧振蕩器的周期，依次循環發亮，此時表示有輸出結果，電路正常工作。3. 方案實施3.1 原理圖

8、設計1、時鐘電路設計時鐘電路是由555定時器構成的多諧振蕩器組成的。555集成時及電路是一種數字、模擬混合型的中規模集成電路，可連接成多諧振蕩電路，產生單位脈沖，用于觸發計數器。555定時器的邏輯符號圖如圖2所示。圖2 555定時器的邏輯符號圖555定時器的功能表如表1所示。表1 555定時器的功能表輸 入輸 出UTHUTRUOTD01111××低電平低電平不變高電平高電平導通導通不變截止截止 555定時器可以很方便地構成多諧振蕩器，555定時器是一種將模擬電路和數字電路集成于一體的電子器件。用它可以構單穩態觸發器、多諧振蕩器和施密特觸發器等多種電路。555定時器的結構及工

9、作原理：第一，分壓器：由三個等值電阻構成；第二，比較器：由電壓比較器C1和C2構成；第三，R-S觸發器；第四，放電開關管T 。多諧振蕩器是一種無穩態觸發器，接通電源后，不需外加觸發信號，就能產生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發生器,觸發器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產生的。本實驗正是利用其產生震蕩脈沖,作為信號發生器使用。電源電壓取5V，我們喜愛用占空比為2/3的脈沖信號，所以根據振蕩周期計算公式可得，該電路的振蕩周期為1s。由555定時器構成的時鐘信號產生電路如圖3所示。圖3 由555定時器構成的時鐘信號產生電路圖74LS

10、192是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能，其引腳排列及邏輯符號如圖4（a）（b）所示。圖4 74LS192 （a）引腳排列 （b）邏輯符號圖中：為置數端，CPU為加計數端，CPD為減計數端，U為非同步進位輸出端，D為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數器輸入端，MR為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數據輸出端。其功能表如表2所示。表2 74LS192功能表輸入輸出MRCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01×××××××000000××dcbadcba011&

11、#215;×××加計數011××××減計數74LS138的作用: 利用 G1、G2A和G2B可以擴展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可以擴展成32線譯碼器。74LS138引腳圖如圖5所示。圖5 74 LS138的引腳排列用與非門組成的3線-8線譯碼器74LS138內部電路結構如圖6所示。圖6 74LS138內部電路結構74LS138功能表如表3所示。表3 74LS138功能表輸入輸出S12+3A 2 A1 A0Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y70×11111111×100000000

12、5; × ×× × ×0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0無論是從邏輯圖還是功能表我們都可以看到 74LS138的八個輸出管腳，任何時刻要么全為高電平1芯片處于不工作狀態，要么只有一個為低電平0，其余7個輸

13、出管腳全為高電平1。如果出現兩個輸出管腳在同一個時間為0的情況，說明該芯片已經損壞。2、驅動電路設計八進制的計數器是用74LS192改制而成。八進制的計數器電路圖如圖7所示。圖7 計數電路圖中的管腳5是接的由555定時器構成的多諧振蕩器的輸出端，管腳3、2、6分別接芯片74LS138的管腳1、2、3這3個輸出端。譯碼電路是用74LS138實現。譯碼電路圖如圖8所示。圖8 譯碼電路圖中的管腳1、2、3分別接芯片74LS192的管腳3、2、6這3個輸出端。在譯碼器輸出端直接接發光二級管的負極，后與保護電阻串聯，接至5v電源即可。由74LS192計數器和74LS138三線八線譯碼器組成,用以驅動發光

14、二極管正常工作，并且在時鐘電路的控制下讓八個發光二極管循環工作。設計原理：把555定時器的輸出端接74LS192計數器的加數計數器端，將74LS192計數器的輸出端分別接74LS138譯碼器的輸出端，再把74LS138譯碼器的8個輸出端分別接8個彩燈。因為只需要8個彩燈依次點亮，也就是8種狀態，然后進入下一個循環，而74LS192計數器是十進制計數器，有十種輸出狀態，所以采取把74LS192計數器的QD輸出端返回接其置零端，以實現當計數到八時，返回從零開始計數。這樣就完成了循環彩燈的循環控制。驅動電路圖如圖9所示。圖9 驅動電路圖圖中芯片74LS192的管腳5是接的由555定時器構成的多諧振蕩

15、器的輸出端，芯片74LS138管腳15、14、13、12、11、10、9、7分別為芯片74LS138的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7 8個輸出端。3、輸出電路設計 輸出電路有8個發光二極管和2個300的電阻和1個高電平組成。只有當從驅動電路過來的是低電平，才可以讓發光二極管導通發光。輸出電路如圖10所示。圖10 輸出電路圖圖中管腳15、14、13、12、11、10、9、7分別為74LS138的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7 8個輸出端。3.2 電路仿真在元件庫中找出所需的元件，并在各單元電路設計的基礎上，按照設計電路圖，用Multisim軟件把各單元電路連接起來

16、，畫出符合要求的系統整體邏輯電路圖。系統整體電路設計完成后，要進行認真的檢查之后再對系統整體進行仿真，來驗證設計的正確性。根據彩燈的閃爍情況判斷電路是否正常，并利用示波器分別接入各單元電路輸入輸出端，調整示波器合適的測量和觀察范圍，對各單元電路輸入輸出端進行輸入輸出的信號波形的觀察，看它的實際輸入輸出與理論上是否有差別，若有差別，要找出原因，并分析它是否影響電路正常工作。若影響，要進行修改，直到仿真成功為止。通過仿真，確定我們的電路原理圖無誤，可以制板。在仿真過程中，我們仿真的周期為1.004s，而實際上周期應該為1s，這是由于仿真軟件的仿真環境沒有設置好，經過老師的設置，最終仿真周期變成1s

17、，仿真誤差為：用555定時器構成的多諧振蕩器的振蕩頻率理論值為1Hz，可能因為電壓的不穩定，在開始時彩燈亮的時間并不為1s，在循環過一次后，彩燈按照時長為1秒進行依次發亮，電路仿真的結果為八個彩燈依次發亮，并且亮燈時間為1秒，依次循環。根據仿真結果可知電路原理無誤，可以進行PCB板布線。仿真圖如圖11所示。圖11 仿真圖仿真電路的輸入脈沖工作狀態如圖12所示。圖12 仿真電路的輸入脈沖工作狀態3.3 PCB制作經過仿真以后，在Altium Designer Summer 09軟件中新建四個文件：工作空間文件、工程文件、原理圖文件、PCB板文件，然后把設計好的原理圖按原部件連接起來。對其進行元件

18、的封裝的選擇，選擇合理的封裝之后，進行編譯執行，再進行PCB布局，最后進行PCB布線，布線時要遵守布線規則。要不斷地進行修改，合理地布局，使其達到整體合理、緊湊、美觀。要盡量避免焊盤的出現，跳線的出現，還要注意導線之間的間距，以及焊盤的內徑大小和一些特別的要求。PCB板制作要求：要采用公制單位（mm）；接地線和電源線用0.8mm或者0.6mm，如果從兩個焊盤中間穿過時用0.4mm或者0.3mm；焊盤的內徑用0.9mm或者0.85mm，外徑根據需要修改，一般情況下是X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或者X方向2.0mm，Y方向1.6mm；過空的大小與焊盤的大小一樣；PCB板的大小應設計的緊湊美

19、觀，一般采用5×5（單位厘米）。3.4 安裝與調試在安裝上，我們要注意發光二極管有沒有插反，所以在安裝前，請教了老師怎樣辨認正負極，找到所需要的元件，按照打印好的電路圖，然后安裝好所有的芯片和電路原件后，在PCB板上利用電烙鐵進行各元件的焊接。按照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊的問題，接下來用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路。在線路沒有問題的情況下連接電源調試，之后用電源逐個模塊進行檢查。觀看制作出來的電路板是否符合設計的要求。若不能實現預期結果要分析出錯的原因。安裝的過程中需要注意的事項：第一，元器件的正反向和電阻、電容的大小對應的位置；第二，芯片555定時器、74LS1

20、92、74LS138的管腳應全部插入槽內才能用力按，輕輕的用力，不能把芯片的管腳弄斷；第三，發光二級管的正負極、電容的正負極。焊接的過程中需要注意的事項：第一，將電烙鐵燒熱，待剛剛能熔化焊錫時，涂上助焊劑，再用焊錫均勻地涂在烙鐵頭上，使烙鐵頭均勻的吃上一層錫；第二，首先注意電路板上的銅片，不能劃掉了，烙鐵不能再銅片上停留時間過長，以至于銅片翹起；第三，用錫盡量少，但是要保證把元器件的管腳焊結實，并且不能虛焊；第四，不要把電烙鐵猛力敲打，以免震斷電烙鐵內部電熱絲或引線而產生故障；第五，電烙鐵使用一段時間后，可能在烙鐵頭部留有錫垢，在烙鐵加熱的條件下，我們可以用濕布輕檫。如有出現凹坑或氧化塊，應用細紋銼刀修復或者直接更換烙鐵頭。調試的過程中需要注意的事項：第一，先用萬用表測試電路板的所有銅鋪導線是否有短路、斷路和虛焊等；第二，注意電源的正負極；第三，注意電源的電壓不能太大，不能燒壞整個電路板、芯片和發光二級管。在經過多次調試，彩燈還是只有最后一個