（一）、題目：多路彩燈控制器

（二）、實(shí)習(xí)目的：

1．進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識(shí)。

2．熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應(yīng)用，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

3．了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，學(xué)會(huì)科學(xué)分析和解決問題。

4．培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。

5．?dāng)?shù)點(diǎn)課程實(shí)驗(yàn)是大學(xué)中為我們提供的唯一一次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐的能力。

實(shí)現(xiàn)彩燈控制的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機(jī)、單片機(jī)等，都可以組成大型彩燈控制系統(tǒng)。因?yàn)楸敬螌?shí)習(xí)要求設(shè)計(jì)的彩燈路數(shù)較少，且花型變換較為簡(jiǎn)單，故采用移位寄存器型彩燈控制電路。

（1）彩燈控制器設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)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（花型自擬）；

2. 彩燈用發(fā)光二極管LED模擬；

選做：實(shí)現(xiàn)快慢兩種節(jié)拍的變換。

（2）課程設(shè)計(jì)的總體要求

1．設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)題目要求；

2．電路在功能相當(dāng)?shù)那闆r下設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)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。

針對(duì)題目設(shè)計(jì)要求，經(jīng)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(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制；第三塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。

主體框圖如下：

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上將整體電路分為四塊。第一塊實(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制；第三塊實(shí)現(xiàn)節(jié)拍控制；第四塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。并在部分電路的設(shè)計(jì)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(jù)所提供的實(shí)驗(yàn)器材各模塊總體思路如下：

時(shí)鐘信號(hào)CP電路：參見高等教育出版社 王淑銀主編的《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》課本P404圖10-3-6（a）;

花型控制電路：由1614位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器完成；

花型演示電路：由195 雙向移位寄存器完成（可左移右移完成花型變化）；

節(jié)拍控制電路：節(jié)拍變化由151八選一數(shù)據(jù)選擇器完成，節(jié)拍的快慢變化可有74雙上升沿D觸發(fā)器完成，它可實(shí)現(xiàn)二分頻。

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(shè)計(jì)的，方案二加入了節(jié)拍的變化，花型控制電路和花型演示電路的CP都是節(jié)拍控制之后的CP。

兩種方案的基本思路相同，將整個(gè)設(shè)計(jì)電路的功能模塊化，設(shè)計(jì)思想比較簡(jiǎn)單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。這么設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是：電路設(shè)計(jì)模塊化，易于檢查電路，對(duì)后面的電路組裝及電路調(diào)試都很方便。�；ㄐ涂刂齐娐泛�(jiǎn)單，花型也比較簡(jiǎn)單。

由于在設(shè)計(jì)的構(gòu)想時(shí)期，已經(jīng)確定將電路模塊化，設(shè)計(jì)的過程中又已經(jīng)將節(jié)拍控制電路設(shè)計(jì)出來(lái)，通過仿真軟件也實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求——分頻。方案二同時(shí)完成了選做的要求，只要確保每一模塊實(shí)現(xiàn)其功能方案二并不難也不復(fù)雜，為了確保短時(shí)間內(nèi)完成課程設(shè)計(jì)和高效率，我選擇了方案二。

74LS161（四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器） ----------------2個(gè)；

74LS194（移位寄存器）    --------------------------2個(gè)；

74LS151（八選一數(shù)據(jù)選擇器） -------------------- 1個(gè)；

74LS74（雙D 觸發(fā)器） ------------------------------ 1個(gè)；

74LS00（四二輸入與非門）   ------------------------1個(gè)；

74LS04（六非門）   -----------------------------------1個(gè)；

發(fā)光二極管--------------------------------------------- -8個(gè)；

555     --------------------------------------------------- 1個(gè)；

電容： 4.7μf   ------------------------------------------1個(gè)；

0．01μf -----------------------------------------------1個(gè)；

電阻： 150kΩ   ------------------------------------1個(gè)；

100Ω   ----------------------------------------------4個(gè)；

4.7kΩ ------------------------------------------------1個(gè)；

實(shí)驗(yàn)板一塊；

萬(wàn)用表一個(gè)；

鉗子一個(gè)；

導(dǎo)線若干。

   由二片移位寄存器194實(shí)現(xiàn)。其八個(gè)輸出信號(hào)端連接八個(gè)發(fā)光二極管，用其輸出信號(hào)控制發(fā)光二級(jí)管的亮滅實(shí)現(xiàn)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(jí)聯(lián)的計(jì)數(shù)器輸出控制（它們由同一個(gè)CP脈沖控制）。

花型1：8路燈分兩半。從左至右漸亮，全亮后，再分兩半從左至右漸滅。循環(huán)兩次；

花型2：從中間到兩邊對(duì)稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅。循環(huán)兩次；

花型3：從左至右順次漸亮。全亮后逆序漸滅。循環(huán)兩次。

我的設(shè)計(jì)是每種花型完整顯示兩遍，所以三種花型完全顯示一遍需要的總結(jié)拍數(shù)為64，即1~16顯示第一個(gè)花型，17~32顯示第二個(gè)花型，33~64顯示第三個(gè)花型。

要用194實(shí)現(xiàn)三個(gè)花型的連續(xù)顯示必須對(duì)兩片194的S1、S0和SL、SR一句節(jié)拍的變化進(jìn)行相應(yīng)的改變,通過161的輸出反饋來(lái)控制經(jīng)過觀察每16個(gè)CP低位片輸出Q1—Q4變化比較頻繁,根據(jù)變化的花型頻率選用高位片的Q5—Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的變化從而實(shí)現(xiàn)滑行的變化。現(xiàn)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L(zhǎng)1~L8。列出各花型和其對(duì)應(yīng)的194的S1、S0、SL、SR的輸入信號(hào)及節(jié)拍控制信號(hào)列表如下：(用^Li表示Li的取非)

列出卡諾圖分析

194低位片

SL=^L8                                                                                                           S1=QE . ^ QF

SR=^L8                                                                                                                                            SL=^ ( QE . ^Q F)

194高位片

SL=X                                                                                                                                                         SR=^ QF .^L8+ QF .L4

S1=0                                                                                                                                                                       S0=1

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QA—QH表示161從低位到高位的個(gè)輸出端。

控制結(jié)果表達(dá)式如下：

電路圖如下：

由二片161級(jí)聯(lián)的模128（三種花型節(jié)拍每種顯示兩遍，再總體重復(fù)一遍的總節(jié)拍數(shù)）計(jì)數(shù)器。

161的級(jí)聯(lián)用的是同步，并用^QH清零。

當(dāng)三種花型全新顯示一遍后（總共64拍）161的輸出變?yōu)?0000100所以將161高位片的Q2（即QG）信號(hào)輸給節(jié)拍控制電路的151的A來(lái)通過節(jié)拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來(lái)自節(jié)拍控制電路中74的輸出端Y。

電路圖如下：

   由一片151和一片74級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。整體上實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的變換，即交替產(chǎn)生快慢節(jié)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(shí)鐘信號(hào)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(fā)器的輸出端)由D觸發(fā)器具有記憶功能，記錄上一個(gè)狀態(tài)，所以在每一個(gè)CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個(gè)脈沖）。也就比時(shí)鐘信號(hào)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(dāng)?shù)竭_(dá)第64拍時(shí)QG為1接下來(lái)的65~128拍為變慢后的脈沖輸出。

電路圖如下:

   由一片555加上適當(dāng)電容及電阻實(shí)現(xiàn)。

電容�。�4.7μf     0.01μf

電阻取：150 kΩ    4.7 kΩ

    電路圖如下：

1．基本CP脈沖產(chǎn)生電路波形圖與分頻電路波形圖

2. 測(cè)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QA---QH)

花型一：

花型二：

花型三：

本次數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)總共用了5天完成的，這幾天每一在學(xué)習(xí)思考和時(shí)間中天都有所收獲，都有所進(jìn)步。

第一天剛剛分到題目的時(shí)候有些興奮和激動(dòng)，數(shù)電的基礎(chǔ)不差，加上數(shù)電試驗(yàn)都是踏踏實(shí)實(shí)認(rèn)真完成的。對(duì)于161、194和其他器件的功能和應(yīng)用都很熟悉。但是在具體設(shè)計(jì)電路時(shí)出現(xiàn)了疑惑。用194去實(shí)現(xiàn)一個(gè)花型很簡(jiǎn)單，如果是三個(gè)分開也難，但是本次設(shè)計(jì)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)花形，是通過151來(lái)選擇嗎？是手動(dòng)嗎？手動(dòng)有些不切實(shí)際。經(jīng)過思考沒有得到解決，只覺得161的計(jì)數(shù)器如果不去反饋控制194的變化，那么它的存在價(jià)值不大，接下來(lái)我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始設(shè)計(jì)，我用了<<數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)指南>>（北京郵電學(xué)院出版社 高書莉編）所提供的前兩種，第三種是我自己設(shè)計(jì)的。所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來(lái)，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(lái)一個(gè)上升沿161計(jì)數(shù)一次同時(shí)194的變化一次，每個(gè)花型需要的CP脈沖數(shù)是固定的，也就是說只要通過計(jì)數(shù)器的反饋就可以控制滑行之間的轉(zhuǎn)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(shù)電中設(shè)計(jì)的基本思路，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，來(lái)找規(guī)律。通過觀察終于成功用兩個(gè)161的輸出端來(lái)反饋，這樣電路就非常簡(jiǎn)單了，還能實(shí)現(xiàn)功能。好不容易設(shè)計(jì)好了，卻發(fā)現(xiàn)與非門和非門不夠用，還有哪里可以化簡(jiǎn)呢？對(duì)，194輸出端反饋，兩個(gè)片子串行輸入端有時(shí)輸入的是一樣的，還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，著用就用了最少的與非門和非門實(shí)現(xiàn)。

第二天，老師發(fā)了所有的實(shí)驗(yàn)器材，由于已經(jīng)設(shè)計(jì)好，便開始進(jìn)行最近單元——CP脈沖產(chǎn)生電路。因?yàn)闀�上有完好的電路圖直接照著連就OK�？墒菃栴}并不是想的那么簡(jiǎn)單，因?yàn)槲乙婚_始操作就不知道怎樣布線才合理，常出現(xiàn)看著電路圖不知道這條線該走哪兒連過去，看過老師的示范電路板的布線后，特別的佩服，所以當(dāng)然要學(xué)習(xí)了，于是自己也那樣連線，盡量走直線。連完時(shí)鐘電路后，滿以為會(huì)很成功，因?yàn)槲业碾娐愤B得很簡(jiǎn)潔。結(jié)果是加電后LED二極管居然常不亮，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，萬(wàn)用表電池還么有配備，因此無(wú)法檢測(cè)哪里出錯(cuò)了，于是我把電路重新連了一遍。布線特別的好，后來(lái)老師看到還說我做得好，可是連接電源，還是不行。這回徹底頭大了，于是去咨詢其他同學(xué)，她也有類似問題，換一個(gè)555就行了，于是我也換了55芯片，就好了。

可是第三天再加上電源又不對(duì)了，LED二極管居然常是常亮，檢查電路沒什么問題，而且好多同學(xué)都有和我一樣的問題，有同學(xué)說那可能是線的而問題，也可能是板子的問題，也可能是電容的正負(fù)極插反了…不管是什么問題，一個(gè)個(gè)排除吧。最終其實(shí)也沒很確切的知道問題的所在，因?yàn)椴煌�的方法都在試具體是哪個(gè)也不確定了。我覺得最可能是電容的正負(fù)極和LED的插穩(wěn)與否的問題。于是我檢測(cè)了電路測(cè)試了電位，都正確。老師過來(lái)看時(shí)讓我加電他看看，結(jié)果居然是我給的電壓太高了，我在加電是不小心把電壓調(diào)的太高了，自己還沒意識(shí)到那個(gè)問題，幸好沒把芯片燒壞。

在接下來(lái)的幾天中似乎對(duì)電路著迷了，放學(xué)了也繼續(xù)做，一個(gè)模塊一個(gè)模塊兒的實(shí)現(xiàn)，在電路組裝過程中，看到遇到的最大問題是，芯片分布不夠合理，無(wú)法很好的布線。于是在分析了我的設(shè)計(jì)后計(jì)算了要用芯片的個(gè)數(shù)和個(gè)芯片之間的關(guān)系，按照各個(gè)控制電路的走向較合理的插好了芯片。其次就是布線，因?yàn)橐�求不�?zhǔn)交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫，做到了我所見過的電路里最清晰和整齊的，對(duì)于檢查和排錯(cuò)非常的方便。唯一不足就是用線的顏色有點(diǎn)混亂，因?yàn)榍昂蟀l(fā)的線的顏色不同，非我力所能及。

調(diào)試過程中，第一輪用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)試，就遇了實(shí)驗(yàn)板上有插孔不通的情況，導(dǎo)致芯片不能正常工作。相對(duì)于別的辦法，我選擇了導(dǎo)線顯示連通，因?yàn)槠涓�明晰，更易�?shí)現(xiàn)。對(duì)于高阻導(dǎo)線則只能換掉。第二輪接電后，用萬(wàn)用表的電壓檔測(cè)試單元電路的狀態(tài)。如：時(shí)鐘信號(hào)電路的信號(hào)是否正常產(chǎn)生，控制信號(hào)電路中的計(jì)數(shù)器能否正常計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器能否每2拍翻轉(zhuǎn)一次，最后在整體上測(cè)試一遍。

在整個(gè)調(diào)試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時(shí)有時(shí)正常有時(shí)混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細(xì)檢查各端子的連接情況，發(fā)現(xiàn)清“0”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發(fā)現(xiàn)問題解決了。

之所以我比別人先設(shè)計(jì)好，甚至我們班做相同設(shè)計(jì)的好多同學(xué)都是我講解后設(shè)計(jì)的，我卻比別人后完成，是因?yàn)槲业拿姘�板不好，不只一個(gè)芯片無(wú)法放置好，找很多個(gè)位置都不行，最后不得不等最先完成的同學(xué)拆了再重新連線和再次測(cè)驗(yàn)。而發(fā)現(xiàn)這些問題就有些晚。所以盡管最后一遍效率高，也是周五下午才完成，第二周一造成才去檢查。

本次課程設(shè)計(jì)我只用了一個(gè)星期的時(shí)間就全部做完，效率很高，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之前根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，每個(gè)模塊都仔細(xì)的設(shè)計(jì)分析了，正是整個(gè)過程我都認(rèn)真的態(tài)度和方案選擇合適，才有這么高的效率。而且從本次課程設(shè)計(jì)中收獲很多�？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點(diǎn)：

這次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的一些相關(guān)知識(shí)，在整個(gè)實(shí)習(xí)過程中，都離不開對(duì)數(shù)字電路課程知識(shí)的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實(shí)習(xí)用到的知識(shí)通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍（這也是對(duì)這門課的復(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)），這樣的回顧讓我對(duì)知識(shí)的理解更加透徹，對(duì)后來(lái)的快速設(shè)計(jì)起了很好的鋪墊作用。而且還參考了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書， 關(guān)于芯片的管腳，里面有清晰的描述。

雖然這不是第一次用電路板，因?yàn)橹�前的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)也用過，但當(dāng)時(shí)的運(yùn)用也只是插些導(dǎo)線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。這次的實(shí)習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實(shí)習(xí)后對(duì)電路板的組成完全了解了，并能熟練運(yùn)用。實(shí)習(xí)中通過對(duì)電路的連接也懂得了如何通過設(shè)計(jì)的分析對(duì)所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵，我們應(yīng)該盡量保證所連電路的簡(jiǎn)捷，寧短勿長(zhǎng)，合理布線。一個(gè)完美的作品不僅要能很好的完成要求實(shí)現(xiàn)功能，還要在感官上給人美的享受。所以站在美的角度對(duì)自己的電路進(jìn)行改良是很必要的。

據(jù)老師介紹，這是大學(xué)里唯一一次比較大型的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)。我當(dāng)然不會(huì)錯(cuò)過。課程設(shè)計(jì)，通過選擇的題目，根據(jù)要求，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)將其付諸實(shí)踐來(lái)完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程中的深入理解，這需要的是一種理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。理論知識(shí)往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設(shè)論，而實(shí)際的動(dòng)手操作則完全不同，需要考慮實(shí)際中的很多問題。有些知識(shí)在理論上可能完全沒錯(cuò)但到了實(shí)際中則不然。比如在動(dòng)筆做題時(shí)我們是不用考慮導(dǎo)線、電阻是否連接的牢固合理，但在實(shí)際中，導(dǎo)線電阻有時(shí)是會(huì)帶來(lái)時(shí)延造成花型變化的錯(cuò)亂，所以我們應(yīng)盡量在連接電路時(shí)選擇最短路徑。平時(shí)試驗(yàn)中，我就很認(rèn)真，所以會(huì)比平時(shí)不動(dòng)手的要輕松地多。

最初大家沒思路的時(shí)候，特別的著急，我想出來(lái)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(gè)人都理解了才開始設(shè)計(jì)，我做的循環(huán)兩遍，他們的都不是。我們的設(shè)計(jì)不同，我只是給大家啟發(fā)了一個(gè)思考點(diǎn)。理論上我先設(shè)計(jì)出來(lái)，但在實(shí)習(xí)中經(jīng)常會(huì)遇到一些自己可能暫時(shí)無(wú)法想明白的問題，請(qǐng)教同學(xué)或老師是很好的做法，節(jié)省時(shí)間，也會(huì)從別人身上學(xué)到更多。在設(shè)計(jì)時(shí)和同學(xué)相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對(duì)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(shè)計(jì)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(yōu)方案最終一定會(huì)得到最好的設(shè)計(jì)方法。

本次試驗(yàn)中包括CP的產(chǎn)生電路用的555芯片，基本電路我用了7個(gè)芯片（一片555、兩片161、兩片194、一片00、一片04），分頻電路用74和151實(shí)現(xiàn)，一共用了9個(gè)芯片。是目前我想出的用最少的器件，最簡(jiǎn)單的布線來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

從電路圖的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、仿真、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，都是自己思考和動(dòng)手。掌握了ModelSim軟件的操作，用所學(xué)習(xí)過的芯片設(shè)計(jì)電路，并用面包板來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的過程中排錯(cuò)、檢查的能力也得到鍛煉。

總而言之，好好利用了學(xué)校給我們提供的此次實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，努力按要求完成了任務(wù)，提高了自己的綜合思考能力和動(dòng)手實(shí)踐能。

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2018-12-12 23:03 上傳

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