循环彩灯设计报告

程 设 计 说 明 书 课程名称： 数字电子技术 设计题目： 循环彩灯 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 安 永 军 学 号： 201002040062

专业班级： 电气工程及其自动化10-1

指导教师： 张天鹏 翟亚芳 杨欣

2012年5月25日

课 程 设 计 任 务 书

设计题目 学生姓名 任务要求： 1、设计制作一个循环彩灯电路。 2、彩灯数量为8个，8个彩灯依次闪烁，彩灯亮灯时间为1秒。 学生应完成的工作：设计循环彩灯的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP 软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。 循环彩灯 安永军 所在院系 电子信息与电电气工程及其自专业、年级、班 气工程学院 动化10-1 参考文献阅读： [1]张天鹏 Multisim 09、DXP 09视频教程[M]. [2]童诗白 华成英 .模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005. [3]程勇 .实例讲解Multisim 10 电路仿真[M].北京：人民邮电出版社，2010. [4]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006. [5]阎 石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005. [6]谷树忠 刘文洲 姜航.Altium Designer教程——原理图、PCB设计与仿真[M].北京：电子工业出版社， 2010. 工作计划： 5月14号—16号用 Multisim完成电路原理的设计及仿真；5月17号—18号用Altium Designer设计原理图和PCB设计；5月21号制作PCB板；5月22号--5月23 号发放元器件 ，安装焊接电路板；5月24号—25号电路板调试，提交课程设计报告。 任务下达日期：2010 年 5 月 14 日 任务完成日期：2010 年 5 月 25 日 指导教师（签名）： 学生（签名）： 安永军 循环彩灯

摘 要：设计了一个循环彩灯控制电路，该电路具有彩灯8个，8个彩灯依次闪烁，彩灯亮灯时间为1秒。其中，脉冲电路用555定时器组成的多谐振荡器实现；计数电路用74LS192N双时钟可逆计数器实现；编译电路用74LS138N译码器实现；显示电路用八种不同颜色的发光二级管实现。

关键词：循环彩灯；脉冲时钟信号；循环闪烁；定时电路

目 录

1.设计背景 ……………………………………………………………………1 1.1了解数字电路系统的定义及组成…………………………………………1 1.2掌握时钟电路的作用及基本构成…………………………………………1 2.设计方案……………………………………………………………………1 2.1任务分析……………………………………………………………………1 2.2方案论证………………………………………………………………2 3.方案实施 …………………………………………………………………2 3.1原理图设计…………………………………………………………………2 3.2电路仿真……………………………………………………………………5 3.3 PCB制作 ……………………………………………………………………8 4.结果与结论…………………………………………………………………9 5.收获与致谢…………………………………………………………………9 6.参考文献……………………………………………………………………10 7.附件 …………………………………………………………………10 7.1电路原理图………………………………………………………………10 7.2 PCB布线图 ………………………………………………………………10 7.3元器件清单………………………………………………………………11

1. 设计背景

1.1了解数字电路系统的定义及组成

数字电路是利用数字信号和模拟信号对电路的功能作用进行控制。数字信号通常是用数码形式给出的，用不同的数码表示不同的数量、不同的事物或事物的不同状态。用一定的规则编制这些数码，组成不同的逻辑代码，控制不同的逻辑电路。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

1.2掌握时钟电路的作用及基本构成

时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，按照不同的设计要求产

生不同的有规律的时钟信号，控制整个系统按一定的规律工作。时钟电路由 时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的 555 多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

2. 设计方案

2.1任务分析

通过分析实验设计要求，可知此设计电路中有三部分组成，即时钟脉冲、计数部分和翻译部分。

根据实验要求需要让八个彩灯循环亮，并且每个灯都要亮一秒钟。在第一个灯亮一秒后第二个灯开始亮，第二个灯亮一秒后第三个灯亮，如此依次亮到第八个灯，第八个灯亮一秒后第一个灯亮如此循环。分析可知电路中需要一个，连续发出周期为一秒钟的信号脉冲。所以电路设计中要有时钟脉冲电路。

设计要求，八个灯需要依次亮，如此可知电路中还需要有一个八进制的加法计数器或减法计数器，

计数器输出的连续信号为二进制代码，只有四个输出端口，不能直接驱动负载二极

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管组成设计需求的八个灯循环连闪。 要将计数器输出的二进制代码转换成八个高低电平信号，来控制灯的亮或灭。所以电路中要有一个3线-8线译码器。译码器输出的是八个高低电平，需要采用发光二极管来实现不同颜色的发光灯，如此译码器翻译出来的高低电平信号便可转换成光信号表现出来。

2.2方案论证

脉冲时钟信号：据数字电子技术中多谐振荡器和555定时器的设计原理和应用可知，该设计电路的时钟脉冲，可由一个555定时器与外接元器件组成的振荡电路来产生一秒钟的低电平时间信号脉冲。

计数部分：由于这次设计需要的是八进制计数器，而现实中又没有现成的八进制计数器，根据学过数字电子技术基础可知，八进制计数器可以有十进制计数器进行改装而成，这次试验中我们可以选择74LS192N双时钟十进制可逆计数器来设计改装成八进制计数器，即可以实现八进制加法计数又可以实现八进制减法计数。

译码部分：设计要求是，实现八个彩灯的循环，可用74LS138N 3线-8线译码器将计数器输出的三位二进制代码翻译成相应的高低电平。由高低电平来控制发光二级管的亮或灭。

3. 方案实施

3.1原理图设计

脉冲时钟信号：555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路，该电路巧妙地将模拟功能与逻辑功能结合在一起，具有使用灵活、方便的特点，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而在波形的产生与变换、测量与控制、 家用电器与电子玩具等许多领域中得到广泛应用。用555定时器设计的多谐振荡器如图1所示。…… T1＝0.7（R1＋R2）C1 T2＝0.7R2C1

T＝T1+T2＝0.7（R1＋2R2）C1

图中555定时器和外接元件 R1、R2、C1、C2构成多谐振荡器，图中所示电路没有稳态，仅有两个暂态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C1充电，

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以及C1通过R1放电，使电路产生激荡。

图1 555定时器构成的多谐振荡器

根据计算可得到所需电阻和电容的大小，以此电路产生周期为一秒的时钟脉冲信号。 计数器：用74LS192N双时钟异步十进制可逆计数器，构成八进制计数器。 如图2所示构成的八进制加法计数器。

74LS192N功能及简介：具有清除和置数等功能，其引脚排列及符号如图2所示 其中PL为置数端，MR为清零输入端，CPu为加法计数输入端，CPd为减法计数输入端，TCu

为异步进位输出端，TCd为异步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入

端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

在Multisim11中74LS192N的图形符号中，A、B、C、D为置数输入端，～LOAD为置数控制输入端，CLR为清零输入端，DOWN为减法计数输入端，UP为加法计数输入端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，～BO为异步借位输出端，～CO为异步进位输出端。

要想把此十进制计数器改成八进制计数器，需将引脚7接到清零端，当二进制最高位输出高电平时将计数器清零。因为74LS192N为异步清零计数器，要想改成八进制需要在计数器输出0111下一个脉冲 （即1000）到来后将计数器清零。本次设计采用了加

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法计数，在计数开始时需将初始状态置为零，即A、B、C、D都接到低电平，UP接到定时器的输出，DOWN、～LOAD接到高电平。用不到进位和借位输出端，～BO、～CO不接线。QA、QB、QC分别接译码器的输入。此计数器输出000～111八个数，输给译码器进行编译。

图2由十进制可逆计数器构成的八进制加法计数器

编码器：此次实验运用了74LS138N 3线-8线译码器，如图3所示 有三个输入端即A、B、C，它们共有8种状态的组合，由二进制代码表示，二进制代码的高低排位为C、B、A的顺序-。输入二进制代码即可译出对应的8个输出电平信号Y0～Y7,输出信号为低电

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平有效（即只有一个通道的输出是低电平，其余通道输出全是高电平）。例如输入端送进代码000，输出端Y0被选中为低电平0，其余都是高电平1。译码器设置了G1、G2A、G2B 3个使能输入端，由功能表知当G1=1，且G2A=G2B=0时，译码器处于工作状态。

图3,：3线-8线译码器

3.2电路仿真

根据实验原理及各个元件的的使用方法在Mutisim上建立文件进行连线仿真，在555定时器的输出端接信号指示灯，用来观察输出的时间脉冲是否符合要求。 定时器的输出端接计数器的加法输入端，计数器的输出接译码器的输入端。由于译码器输出是低电平有效，在译码器的输出端接发光二级管的阴极，将二极管的阳极与一个电阻串联后与接电源。因为二极管的导通电压只有0.7V左右，所以要串联电阻起限流分压作用。 设计的555定时器组成的脉冲时钟信号，周期为1秒，仿真得到的数据为0.007s。在仿真时要将参数设定好（如图4所示），在运行时测量出定时器输出脉冲时钟信号的周期（如图5所示）。

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图4 运行时间参数的设定

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图5 定时器输出的脉冲时钟信号

在实验时观察二极管发光情况，是否与设计的要求一致，看信号灯的信号显示是否与译码器的输出原理一致。验证设计的正确性。

仿真图如图6所示

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图6 电路仿真图

3.3 PCB制作

在仿真结果正确后，在DXP软件中建立一个新的PCB工程，在工程中根据仿真图画出原理图，原理图画好后要给元件挑选合适的封装。选好封装检查电路无误后进行编译，将编译后出现的错误进行修正，若编译有错误信息并且改正后还不能正常编译，可能是参数设置的问题，可以在错误的地方放置'不检查'标号。直到编译无误后，给工程新建一个PCB文件，并且保存和原理图为同名，在PCB文件中导入原理图。（在新建PCB文件时最好从模板中进行新建，这样可以在建文件时把参数进行修改。参数最好改成公制，焊盘中心孔为0.9mm，外径大小为Y=2.0mm，X=1.6mm或Y=1.6mm，X=2.0mm。过孔线宽为0.3mm～0.4mm，信号线宽0.5mm～0.6mm，电源线宽0.6mm～0.8mm）。导入原理图后，先看图是否与原理图一致，待确认无误后进行布局，将元件进行合理的布局，再对焊盘大小进行修改，尽量控制图的大小，在底层进行布线，在连线时避免线与线的交叉，控制跳线在3根以下。在PCB板的制作过程中，转印过后一定要检查是否

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有断线的情况，若有断线一定要用笔将其连接在一起，在腐蚀过后要检查是否有断线，对断线进行连接，在钻孔的过程中左手一定要摁紧，避免起钻后电路板随钻头转动弄坏钻头。钻孔时，钻头一定要对准焊盘中心孔，防止孔洞钻偏造成焊盘无铜无法进行焊接。

3.4 安装与调试

在检查无误后，按照PCB图纸进行器件的安装，完成后进行焊接。在焊接过程中应注意，每次焊接不能超过5秒，防止加热时间过长，烧坏元器件。焊锡不能太多或太少，太多容易造成短路，太少容易出现虚焊。这些情况都会造成焊接完成后调试不能正常工作。焊接过程中，电烙铁尽量远离他人，避免由于自己的疏忽对他人造成不必要的伤害。

焊接完成后通电进行调试，看是否能像设计原理一样正常工作。若不能正常工作，应对线路及元器件进行检查，看是否有断线、虚焊和漏焊，电容C1极性是否接反，二极管极性是否接错，若还不能正常工作，就要用万用表对元器件挨个进行测量检查，直至电路正常工作。

4. 结果与结论

在电路完成安装后，对其进行了通电测试，实验结果如同设计要求一样，八个发光二级管一次闪亮，每个二极管发光时间为一秒。

在这次实习中若想自己将电路设计完成，首先要对555定时器有较深的了解，或者在数字电子技术基础课堂上注意听讲，以至于了解555定时器怎样工作，最少也要知道，怎样运用555定时器和电容、电阻等元器件连接成多谐振荡电路。了解74LS192N以及74LS138N的工作原理，要会运用74LS192N双时钟十进制可逆计数器改造成八进制计数器，知道74LS138N是低电平输出。熟练掌握Mutisim和DXP的运用方法，能够运用这两个软件自己完成电路的设计，仿真，并能够完成原理图的绘制和PCB的制作。除此以外还要有比较强的动手能力，在焊接时要保证在无焊接错误的情况下，尽量使焊点美观。

5. 收获与致谢

这次时间为两个星期的课程设计试验大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神。在实验过程中对555定时器，74LS192N,74LS138N三个集成芯片的工作原理以

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及实际的应用有了更深的理解，更加熟练的掌握了Mutisim和DXP的应用。在21世纪的高新技术年代，要想发展就要掌握高科技技术，不仅要了解更要知道怎样也能用，并且熟练的运用到生活中，在高科技发展的现代社会电路一再的集成成小模块，学习并掌握数字电子技术对以后个人的发展有很大的帮助。这次试验对自己在《数字电子技术基础》课程的学习有很大的帮助，提高了自己的学习积极性。这次课程设计要特别感谢张天鹏老师、杨欣老师、翟亚芳老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此我表示深深的感谢！

6. 参考文献

[1]张天鹏 Multisim 09、DXP 09视频教程[M].

[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]程勇 .实例讲解Multisim 10 电路仿真[M ].北京：人民邮电出版社，2010. [4]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006. [5]阎 石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]谷树忠 刘文洲 姜航.Altium Designer教程——原理图、PCB设计与仿真[M].北京： 电子工业出版社， 2010.5.

7. 附件

7.1 电路原理图

7.2 PCB布线图

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、

7.3 元器件清单

R1 51k R2 47k, R3 300 Ω ， C1 10uf, C2 0.01uf, 555定时器一个，74LS192N集成芯片一片，74LS138N译码器一片，发光二级管八个，Header2.

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指导教师评语： 课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40％ 课程设计其它环节成绩： 环节名称：原理图设计与仿真，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 环节名称： PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 环节名称：电路安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20％ 总 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日

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本次课程设计负责人意见： 负责人签字： 年 月 日 13