循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)講解

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程名稱(chēng) ： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 ：學(xué)生學(xué)號(hào)：年 級(jí)：15 級(jí)專(zhuān) 業(yè) ：電子信息工程班 級(jí)：1 班指導(dǎo)教師 ：電子工程學(xué)院制2017年3月目錄1 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 11.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 11.2 課程設(shè)計(jì)的要求 12 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)方案制定 12.1 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)的技術(shù)方案 12.2 循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理 13 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)方案實(shí)施 23.1 循環(huán)彩燈單元模塊功能及電路設(shè)計(jì) 23.2 循環(huán)彩燈電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇 83.3 循環(huán)彩燈系統(tǒng)整體電路圖 94 循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真實(shí)現(xiàn) 94.1 仿真軟件介紹 94.2 循環(huán)設(shè)計(jì)仿真實(shí)現(xiàn) 105 總

2、結(jié)及心得體會(huì) 106 參考文獻(xiàn) 11課程設(shè)計(jì)報(bào)告循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子工程學(xué)院 電子信息工程專(zhuān)業(yè)1 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)利用 Multisim 仿真軟件和電子元器件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)循環(huán)彩燈系統(tǒng)。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求由八只 LED 燈組成的彩燈系統(tǒng)，要以一定的花型循環(huán) ,循環(huán)間隔可自行定義2 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)方案制定2.1 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)的技術(shù)方案圖 1 原理框圖2.2 循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理555 定時(shí)器組成多諧振蕩電路提供震蕩脈沖，利用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的脈沖控制譯碼 器，利用多塊譯碼器可實(shí)現(xiàn) LED 燈的多種方式循環(huán)顯示，增添效果顯示。 R1?R2給電容 C1 充電，使逐漸升高， 當(dāng)時(shí)

3、，3 腳（Q端）輸出為高電平。當(dāng)上升到 超過(guò)時(shí)， 3腳輸出仍為高電平。當(dāng)繼續(xù)上升到略超過(guò)時(shí)， RS觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)， 3 腳輸出為低電平，同時(shí) C1經(jīng) R2及 7腳內(nèi)導(dǎo)通的放電管 VT 到地放電，迅速下降。 當(dāng)下降到略低于時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)又翻轉(zhuǎn)， 3 腳輸出變?yōu)楦唠娖?。同時(shí)， 7 腳內(nèi)導(dǎo)通的 放電管 VT 截止，電容 C1 再次進(jìn)行充電，其電位再次上升，一直循環(huán)下去。根據(jù)， 可以看出，通過(guò)改變電位器 R2 的電阻值的大小，即可以改變振蕩器的振蕩周期，從 而改變 3 腳輸出高低電平的轉(zhuǎn)換時(shí)間，進(jìn)而改變流水燈的速度。第1 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告3 循環(huán)彩燈設(shè)計(jì)方案實(shí)施3.1 循環(huán)彩燈單元模塊功能及電路設(shè)計(jì)

4、圖 2 震蕩電路設(shè)計(jì)（1）集成定時(shí)器電路主要用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)（脈沖信號(hào)）。因?yàn)檠h(huán)彩燈對(duì)頻 率的要求不高，只要能產(chǎn)生高低電平就可以了，且脈沖信號(hào)的頻率可調(diào)，所以采用 555 定時(shí)器組成的振蕩器，其輸出的脈沖作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。由 555 定時(shí)器和外接元件 R1、R2 、C 構(gòu)成多諧振蕩器，腳 2 與腳 3 直接相連。電 路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向 C充電，以及 C通過(guò) R2向放電端 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容 C在 和 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波。輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是： T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中

5、， 為 VC由上升到 所需的時(shí)間， 為電容 C 放電所需的時(shí)間。R1=R2=10K,C=47uF,T=1S ，555 集成時(shí)基電路稱(chēng)為集成定時(shí)器，是一種數(shù)字、 模擬混合型的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用十分廣泛。該電路使用靈活、方便，只需外接 少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、第2 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告變換、控制與檢測(cè)。它的內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個(gè) 5K 的電阻，故取名 555 電路。其 電路類(lèi)型有雙極型和 CMOS 型兩大類(lèi)，兩者的工作原理和結(jié)構(gòu)相似。幾乎所有的雙 極型產(chǎn)品型號(hào)最后的三位數(shù)碼都是 555或 556；所有的 CMOS 產(chǎn)品型號(hào)最后四位數(shù)碼 都是 7555

6、或 7556，兩者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。 555和 7555 是單定時(shí)器， 556和 7556是雙定時(shí)器。雙極型的電壓是 +5V+15V ，輸出的最大電流 可達(dá) 200mA，CMOS 型的電源電壓是 +3V+18V 。555 電路的內(nèi)部電路它含有兩個(gè)電 壓比較器，一個(gè)基本 RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)關(guān) T，比較器的參考電壓由三只 5K 的 電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器 A1 同相比較端和低電平比較器 A2 的反 相輸入端的參考電平為和。 A1 和A2 的輸出端控制 RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位， 555 的輸出端 3 腳輸出低電平

7、，同時(shí)放電， 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自 2腳輸入并低于時(shí)， 觸發(fā)器置位， 555的 3腳輸出高電平， 同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管截止。Vc 是控制電壓端( 5腳)，平時(shí)輸出作為比較器 A1 的參考電平，當(dāng) 5腳外接一 個(gè)輸入電壓， 即改變了比較器的參考電平， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制， 在不接外 加電壓時(shí)，通常接一個(gè) 0.01uf 的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾， 以確 保參考電平的穩(wěn)定。 T 為放電管，當(dāng) T 導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳 7的電容器提供低阻放電 電路。(2) 延時(shí)觸發(fā)器電路D 觸發(fā)器( data flip-flop 或 delay flip-flop )由 6 個(gè)與非門(mén)組成，其中

8、 G1 和 G2 構(gòu) 成基本 RS 觸發(fā)器。電平觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作時(shí)，必須在正跳沿前加入輸入信號(hào)。 如果在 CP 高電平期間輸入端出現(xiàn)干擾信號(hào)，那么就有可能使觸發(fā)器的狀態(tài)出錯(cuò)。而 邊沿觸發(fā)器允許在 CP 觸發(fā)沿來(lái)到前一瞬間加入輸入信號(hào)。這樣，輸入端受干擾的時(shí) 間大大縮短，受干擾的可能性就降低了。邊沿 D 觸發(fā)器也稱(chēng)為維持 -阻塞邊沿 D 觸發(fā)D 觸發(fā)器( data flip-flop 或 delay flip-flop )由 6 個(gè)與非門(mén)組成，其中 G1 和 G2 構(gòu) 成基本 RS 觸發(fā)器。電平觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作時(shí)，必須在正跳沿前加入輸入信號(hào)。 如果在 CP 高電平期間輸入端出現(xiàn)干擾信號(hào)，

9、那么就有可能使觸發(fā)器的狀態(tài)出錯(cuò)。而 邊沿觸發(fā)器允許在 CP 觸發(fā)沿來(lái)到前一瞬間加入輸入信號(hào)。這樣，輸入端受干擾的時(shí) 間大大縮短，受干擾的可能性就降低了。邊沿 D 觸發(fā)器也稱(chēng)為維持 -阻塞邊沿 D 觸發(fā)第3 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖 3 D 觸發(fā)器工作原理圖圖 4 觸發(fā)器（3）計(jì)數(shù)器電路74LS161 是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器， 他可以靈活的運(yùn)用在各 種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能從 74LS161 功能表功能表中可以知道， 當(dāng)清零端 CR=“ 0，”計(jì)數(shù)器輸出 Q3、Q2、Q1、 Q0 立即為全 “0，”這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) CR=“1且”LD=“0時(shí)”，

10、在 CP信號(hào)上 升沿作用后， 74LS161輸出端 Q3、Q2、Q1、Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3， D2，D1，D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) CR=LD=EP=ET=“1”、CP 脈 沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加 1。74LS161 還有一個(gè)進(jìn)位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0?Q1?Q2?Q3C?ET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161 可第4 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告以組成 16 進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器圖 5 74L161 計(jì)數(shù)器管腳圖管腳圖介紹：時(shí)鐘 CP 和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 P0P3 清零/MR使能 CEP，CET置數(shù) PE數(shù)據(jù)輸出端 Q0Q3

11、以及進(jìn)位輸出 TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)第5 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告表 1 74LS161 功能表輸入輸出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111狀態(tài)碼加 1從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端 CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出 Q3、Q2、 Q1、Q0立即為全 “0，”這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) CR=“1”且 LD=“0”時(shí)，在 CP信 號(hào)上升沿作用后， 74LS161輸出端 Q3、Q2、Q1、Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3，D2，D1，D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只

12、有當(dāng) CR=LD=EP=ET“= 1”、 CP 脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加 1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系 是 CO= Q0Q1Q2Q3CET 。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161 可以組成 16 進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。由此可見(jiàn)，當(dāng) 74LS161 有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘?態(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。第6 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖 7 順序脈沖發(fā)生器（4）譯碼器電路 此電路的作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種信號(hào)控制彩燈的開(kāi)關(guān)，此電路是用 74154 譯碼器，因?yàn)榍懊嬗玫?16 進(jìn)制的加減計(jì)數(shù)器， 所以這里用到的有十四個(gè)輸出 電

13、路圖如下：圖 8 74154 譯碼器管腳圖第7 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖 9 74154 譯碼器仿真圖3.2 循環(huán)彩燈電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇表 2 本系統(tǒng)所用的元器件元器件名稱(chēng)數(shù)量LED 燈8或非門(mén) 74LS00D11K 滑動(dòng)變阻器1D 觸發(fā)器3計(jì)數(shù)器 74LS1611譯碼器 74L1541555 定時(shí)器1電阻 1k2電容 100nf1電阻 300 歐1電容 10nf1電源 VCC2導(dǎo)線若干第8 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告3.3 循環(huán)彩燈系統(tǒng)整體電路圖圖 10 循環(huán)彩燈系統(tǒng)總體電路圖4 循環(huán)彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真實(shí)現(xiàn)4.1 仿真軟件介紹Multisim 是美國(guó)國(guó)家儀器 (NI) 有限公司推出的以 Windows 為

14、基礎(chǔ)的仿真工具，適 用于板級(jí)的模擬 /數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬 件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。 Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的 SPICE技術(shù)就 可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò) Multisim 和虛擬儀器技術(shù)，PCB 設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原 理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理

15、圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。 Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的 SPICE 技術(shù)就可以很快 地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò) Multisim 和 虛擬儀器技術(shù)， PCB 設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲 與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。EDA 就是“ Electronic Design Automation的縮寫(xiě)”技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用。 發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計(jì)。 一臺(tái)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 過(guò)程，從概念的確立，到包括電路原理、 PCB 版圖、單片機(jī)程

16、序、機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)、 FPGA第9 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的構(gòu)建及仿真、 外觀界面、熱穩(wěn)定分析、 電磁兼容分析在內(nèi)的物理級(jí)設(shè)計(jì)， 再到 PCB 鉆孔圖、自動(dòng)貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等生產(chǎn)所需資料等等全部在計(jì) 算機(jī)上完成。 EDA 技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn) 行人工難以完成的模擬評(píng)估、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。EDA 已經(jīng)成為集成電路、 印制電路板、 電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。 美國(guó) NI 公司（美國(guó)國(guó)家儀器公司）的 Multisim 9 軟件就是這方面很好的一個(gè)工具。而且 Multisim 9 計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)（ LABVIEW 8 ）（也是

17、美國(guó) NI 公司的）可以 很好的解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一老大難問(wèn)題。 學(xué)員可以很好地、 很 方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)。 并且可以用虛擬儀器技 術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。 極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。 真正的做到 了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。 這些在教學(xué)活動(dòng)中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。 還有很重要的 一點(diǎn)就是：計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器對(duì)教員的教學(xué)也是一個(gè)很好的提高和促進(jìn)。4.2 循環(huán)設(shè)計(jì)仿真實(shí)現(xiàn)圖 11 系統(tǒng)的仿真結(jié)果循環(huán)彩燈在 Multisim 仿真軟件中的運(yùn)行結(jié)果如圖所示，此時(shí)為第一個(gè)燈亮，彩 燈可以依次實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮， 并且在全部點(diǎn)亮后從最后一個(gè)依次向前逐

18、漸點(diǎn)亮， 以實(shí)現(xiàn)循環(huán) 效果。5 總結(jié)及心得體會(huì) 這次為期三周的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)大大的培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力和同學(xué)間的相互合作 精神，一開(kāi)始我看到自己的題目就在思考， 如何才能做出一個(gè)正確的原理圖， 這個(gè)很第 10 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告重要，也是所有的工作基礎(chǔ)， 如果要完成原理圖設(shè)計(jì)工作， 這就要求我們有足夠的知 識(shí)儲(chǔ)備。 這個(gè)功夫就在平時(shí)了， 原理圖的設(shè)計(jì)是理論和實(shí)踐的交叉點(diǎn)， 原理圖設(shè)計(jì)好 了之后， 我們可以利用仿真軟件進(jìn)行仿真， 這樣可以驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)的正確性， 積累了 經(jīng)驗(yàn)并熟練的掌握了軟件的使用方法， 最終在不懈地堅(jiān)持下做完了課程設(shè)計(jì)， 仿真成 功，這次課程設(shè)計(jì)大大的增強(qiáng)了我 的獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力。 此次數(shù)控增益放大電 器的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)， 讓我對(duì)數(shù)控增益放大電器的結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的了解。 在此次的 課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作