1、 北華大學數字系統課程設計報告書多路彩燈控制器系部名稱：計算機二系學生姓名： 安 寧指導教師：周 維 芳專業名稱：計算機科學與技術班 級：計08-3實習時間：2010年10月11日至2009年10月17日多路彩燈控制器的設計一 、課程設計題目（與實習目的）（一）、題目：多路彩燈控制器（二）、實習目的：1進一步掌握數字電路課程所學的理論知識。2熟悉幾種常用集成數字芯片的功能和應用，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。3了解數字系統設計的基本思想和方法，學會科學分析和解決問題。 4培養認真嚴謹的工作作風和實事求是的工作態度。5數點課程實驗是大學中為我們提供的唯一一次動手實踐的機會，增強

2、動手實踐的能力。二、 任務和要求實現彩燈控制的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機、單片機等，都可以組成大型彩燈控制系統。因為本次實習要求設計的彩燈路數較少，且花型變換較為簡單，故采用移位寄存器型彩燈控制電路。（1）彩燈控制器設計要求設計一個8路移存型彩燈控制器，基本要求：1. 8路彩燈能演示三種花型；2. 彩燈用發光二極管LED模擬；選做：實現快慢兩種節拍的變換。（2）課程設計的總體要求1設計電路實現題目要求；2電路在功能相當的情況下設計越簡單越好；3. 注意布線，要直角連接，選最短路徑，不要相互交叉；4. 注意用電安全，所加電壓不能太高，以免燒壞芯片和面包板。三 總體方案的選擇（

3、1）總體方案的設計針對題目設計要求，經過分析與思考，擬定以下二種方案：方案一：總體電路共分三大塊。第一塊實現花型的演示；第二塊實現花型的控制；第三塊實現時鐘信號的產生。主體框圖如下： 時鐘信號CP產生電路花型控制電路花型演示電路方案二：在方案一的基礎上將整體電路分為四塊。第一塊實現花型的演示；第二塊實現花型的控制；第三塊實現節拍控制；第四塊實現時鐘信號的產生。并在部分電路的設計上與方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。主體框圖如下：根據所提供的實驗器材各模塊總體思路如下：時鐘信號CP電路：參見高等教育出版社 王淑銀主編的數字電路與邏輯設計課本P404圖10-3-6（a）;花型控制電路：由1

4、61 4位二進制同步計數器完成；花型演示電路：由194 雙向移位寄存器完成（可左移右移完成花型變化）；節拍控制電路：節拍變化由151八選一數據選擇器完成，節拍的快慢變化可有74雙上升沿D觸發器完成，它可實現二分頻。（2）總體方案的選擇方案一與方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而設計的，方案二加入了節拍的變化，花型控制電路和花型演示電路的CP都是節拍控制之后的CP。兩種方案的基本思路相同，將整個設計電路的功能模塊化，設計思想比較簡單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。這么設計的出發點是：電路設計模塊化，易于檢查電路，對后面的電路組裝及電路調試都很方便。花型控制電路簡單，花型也比較簡

5、單。由于在設計的構想時期，已經確定將電路模塊化，設計的過程中又已經將節拍控制電路設計出來，通過仿真軟件也實現了設計要求分頻。方案二同時完成了選做的要求，只要確保每一模塊實現其功能方案二并不難也不復雜，為了確保短時間內完成課程設計和高效率，我選擇了方案二。四 單元電路的設計1.設計所使用的元件及工具：74LS161（四位二進制同步計數器） - 2個；74LS194（移位寄存器） - 2個；74LS151（八選一數據選擇器） - 1個；74LS74（雙D 觸發器） - 1個；74LS00（四二輸入與非門） - -1個；74LS04（與非門） - 1個；發光二極管- -8個；2.各個單元電路（1）花

6、型演示電路 由二片移位寄存器194實現。其八個輸出信號端連接八個發光二極管，用其輸出信號控制發光二級管的亮滅實現花型演示。而花型之間的變化通過花型控制電路的輸出即161級聯的計數器輸出控制（它們由同一個CP脈沖控制）。三種花型變換樣式花型1：從左至右順次漸亮。全亮后逆序漸滅。花型2：從中間到兩邊對稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅。花型3：8路燈分兩半。從左至右漸亮，全亮后，再分兩半從左至右漸滅。移存器輸出狀態編碼表節拍序號花型1花型2花型31000000000000000000000000210000000000110001000100031100000000111100110011

7、00411100000011111101110111051111000011111111111111116111110001110011101110111711111100110000110011001181111111010000001000100019111111111011111110111111110012111110001311110000141110000015110000001610000000我的設計是每種花型完整顯示一遍，所以三種花型完全顯示一遍需要的總結拍數為32，即116顯示第一個花型，1724顯示第二個花型，2532顯示第三個花型。要用194實現三個花型的連續顯示必須對

8、兩片194的S1、S0和SL、SR一句節拍的變化進行相應的改變,通過161的輸出反饋來控制經過觀察每16個CP低位片輸出Q1Q4變化比較頻繁,根據變化的花型頻率選用高位片的Q5Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的變化從而實現滑行的變化。現將兩片194分為低位片1和高位片2，再將其輸出端從低位到高位記為L1L8。列出各花型和其對應的194的S1、S0、SL、SR的輸入信號及節拍控制信號列表如下：(用Li表示Li的取非)花型低位片節拍控制信號SLSRS1S0SLSRS1S0QD QE123XL801XL40100L5X10L1X1010L1X10XL80101XL801XL80111列出卡諾

9、圖分析194低位片 QD QE 0 1 QD QE 0 1 0 XL5 0 0 1 1 L1 X 1 1 0SL= QDL5+ L1QD S1= QD QE+ QEQD QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 L8 X 0 1 0 1 L8 L8 1 1 1SR=L8S0= S1194高位片 QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 X L1 0 L8 L8 1 X X 1 L4 X L4SL=L1SR=L8+L4 QE QF 0 1 QE QF 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1S1= QD QES0= S1由上圖分析可以得到控制194高、低位片的左移右移變化控制端

10、S1、S0以及串行輸入端的由161的輸出端QE 、QF和本身輸出端L4和L8控制。用去QAQH表示161從低位到高位的個輸出端。控制結果表達式如下：194低位片194高位片S1= QD QE+ QEQDS1= QD QES0=S1S0=S1SL= QD·L5+ L1QDSL=L1SR=L8SR=L8+L4電路圖如下：（注: QD 為161低位片的QD端 QE為161高位片的QA端 QFQH依次往下推）（2）花型控制信號電路由二片161級聯的模64（三種花型節拍每種顯示一遍，再總體重復一遍的總節拍數）計數器。161的級聯用的是同步，并用QG清零。當三種花型全新顯示一遍后（總共32拍）1

11、61的輸出變為00000010所以將161高位片的Q2（即QF）信號輸給節拍控制電路的151的A來通過節拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來自節拍控制電路中74的輸出端Y。電路圖如下：（3）節拍控制電路 由一片151和一片74級聯實現。整體上實現脈沖頻率的變換，即交替產生快慢節拍。 令74的Vcc，CLR，PR都接高電平，將Q的輸出接到D端，Q端的輸出接到151的D1端。令151的B,C,G,GND接低電平，Vcc接高電平，D0接時鐘信號的CP脈沖，A端接由花型控制電路的QG輸出。 所以Y端的輸出就為：Y=CP·A+Q·A (Q是74D觸發器的輸出端)由D

12、觸發器具有記憶功能，記錄上一個狀態，所以在每一個CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個脈沖）。也就比時鐘信號電路的CP脈沖慢了一拍。 所以通過A為0或1選擇Y端輸出的脈沖的頻率。A端接的是161的高位片的QG即當到達第32拍時QG為1接下來的3364拍為變慢后的脈沖輸出。電路圖如下:五 總體電路圖（見附頁）六 電路組裝完成后，實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形1基本CP脈沖產生電路波形圖與分頻電路波形圖2. 測試波形: (列依次為CP脈沖,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即q1-q8)CPq1q2q3q4q5q6q7q8七 電路組裝、調試過程中發生的問題及

13、解決的方法。本次數字電路課程設計總共用了3天完成的，這幾天每一在學習思考和時間中天都有所收獲，都有所進步。第一天剛剛分到題目的時候有些興奮和激動，數電的基礎一般。對于161、194和其他器件的功能和應用都不是很熟悉。所以在接下來的兩天中，通過復習以前的知識和到圖書館查找資料，但是在具體設計電路時出現了疑惑。用194去實現一個花型很簡單，如果是三個分開也難，但是本次設計要同時實現三個花形，是通過151來選擇嗎？是手動嗎？手動有些不切實際。經過思考沒有得到解決，只覺得161的計數器如果不去反饋控制194的變化，那么它的存在價值不大，接下來我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始設計，借鑒了

14、 <<數字系統設計數字電路課程設計指南>> （北京郵電學院出版社 高書莉編）的產生花型的方法。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，但是書中介紹比較組略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接輸入的。還是在思考一下，如果給161和194的CP是同步的那么就每來一個上升沿161計數一次同時194的變化一次，每個花型需要的CP脈沖數是固定的，也就是說只要通過計數器的反饋就可以控制滑行之間的轉換。但是161的輸出端有8各，具體怎么控制呢？想不通的，就回歸到數電中設計的基本思路，列出狀態轉移表，來找規律。通過觀察終于成功用兩個161的輸出端來反饋，這樣電路就非常簡單了

15、，還能實現功能。第三天，老師發了所有的實驗器材，由于已經設計好，便開始進行最近單元CP脈沖產生電路。因為書上有完好的電路圖直接照著連就OK。可是還是出現而來許多的問題，如引腳如果有一個連的有問題就會導致結果出錯，最后在同學的幫組下我們解決了這個問題成功的將彩燈實現了。八 分析和總結。我們通過一個星期完成了這次課程設計，總的來所還是成功的，通過這次實習，我們鞏固了我們的數電知識，并且對數電的知識具備了一定的應用能力，而且從本次課程設計中收獲很多。可以總結為以下的幾點：（一）、鞏固數電知識這次課程設計主要是運用數字電路邏輯設計的一些相關知識，在整個實習過程中，都離不開對數字電路課程知識的再學習。我

16、在最開始，就先將實習用到的知識通過翻閱數電書回顧了一遍（這也是對這門課的復習，給以后的復習備考減少了很多負擔），這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設計起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數字電路實驗指導書， 關于芯片的管腳，里面有清晰的描述。（二）、和同學共同合作、互相學習、共同進步最初大家沒思路的時候，特別的著急，我想出來了，大家問我，我就說了我的思路，我們不是抄襲，只是探討，們個人都理解了才開始設計，我做的循環一遍，他們的都不是。我們的設計不同，我只是給大家啟發了一個思考點。理論上我先設計出來，但在實習中經常會遇到一些自己可能暫時無法想明白的問題，請教同學或老師是很好的做法，節省時間，也會從別人身上學到更多。在設計時和同學相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的idea，其他人的設計也可能有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優方案最終一定會得到最好的設計方法。總結從電路圖