电子设计 多路彩灯.doc

课程设计题目：多路彩灯一、 任务和要求：任务：设计一个多路彩灯控制器，至少能控制8路彩灯，彩灯用发光二极管模拟。要求：能演示至少3种花型，花型自拟。彩灯明暗变换节拍为1.0s和2.0s，两种节拍交替运行。目的：熟悉中、小规模数字集成电路芯片；掌握基本数字电路设计方法；通过实践提高数字电路连接、调试能力。二、 器件74LS19424.7k电阻174LS0024.7f电容174LS0410.01f电容15551150k电阻174LS1612100电阻174LS741面包板174LS1512发光二级管8三、 总体方案共设计3种花型，如下：花型1花型2花型30000 00000000 00000000 00001000 00001000 00000001 10001100 00000100 00000011 11001110 00001010 00000111 11101111 00000101 00001111 11111111 10001010 10001110 01111111 11000101 01001100 00111111 11101010 10101000 00011111 11110101 01010000 00000111 11111010 10100001 10000011 11110101 01010011 11000001 11111010 10100111 11100000 11110101 01011111 11110000 01111010 10101110 01110000 00110101 01011100 00110000 00011010 10101000 0001每种花型均有16种状态，花型3的前8种状态和后8种状态相同。模块图如下（箭头示数据流的方向和内容）：CP脉冲脉冲发生电路（555）原始CP脉冲CP脉冲节拍控制电路（74LS74，74LS00）串行输入值74LS194的控制电路（两片74LS151）记数电路（两片74LS161）两片74LS194状态信息花型号花型号S1，S0（控制信息）；清零信号四、 单元电路设计具体实现中，我为让花型更加灵活，没有设计衔接良好的花型从而使电路更简单，且我是以花型为主设计电路，实现起来太麻烦时我才更改花型。我为保证电路的易修改性、清晰性和模块化，没有过多考虑减少芯片数量，总共用11片。花型1两片74LS194的连接方式（两片74LS194均右移）：左片74LS194的SR波形图如下：花型2两片74LS194的连接方式（两片74LS194均右移）：左片74LS194的SR波形图如下：花型3两片74LS194的连接方式（左边的74LS194左移，右边的右移）：左片74LS194的SL和右片74LS194的SR波形图如下：将74LS194需要反馈的数据送入74LS151（数据选择器），由74LS161（计数器）控制数据选择器的A、B、C三个端子，将花型号（花型1为00，花型2为01，花型3为10）送入，使数据选择器选择74LS194需要的数据，将数据选择器的输出接到74LS194。左右两片74LS151的输出分别接到左右两片74LS194的SR端。左片74LS194在花型3（当且仅当花型号高位为1时）左移，因此用花型号的高位端即可控制左片74LS194的S1和S0（花型号的高位端执接S1，它的非接S0），右片74LS194一直右移。计数电路采用两片74LS161，低位片模16计数，高位片模3计数（花型1为00，花型2为01，花型3为10），将低位片的CO端接到高位片的ET和EP端以实现两片的同步级联。高位片的QBQA即为花型号。高位片QA与QB波形如下：为保证自启动和花型2过渡到花型3，每种花型结束时都将两片74LS194清零。清零采用74LS161低位片的CO端反相后接74LS194的CLR端。但74LS194是异步清零，故这样的清零信号会使前一种花型的最后一种状态和后一种花型的第一种状态都为全0，为解决此问题，将CP脉冲的非跟74LS161低位片的CO相与非后接入两片74LS194的CLR端，这样每种花型的最后一种状态的长度只有半个CP脉冲周期。将CP的非接入74LS194的CLK端，使74LS194在“下降沿”工作。这样，最后一种状态的长度便为一个CP周期，每种花型16种状态即得到保证。节拍控制电路由一片74LS74和一片74LS00组成。将74LS74的两个D触发器都接成T触发器。触发器1用来实现二分频，触发器2用来记录节拍状态。将74LS161高位片的QB反相后接到它的CLK端。这样在第三种花型过渡到第一种花型时即三种花型都演示了一遍后该触发器翻转一次。通过门电路选择原始CP和分频后的CP。分频电路如下：脉冲发生电路如下：完整电路图如下（EWB 5.12中没有74LS161，图中用74LS163代替；为在EWB中测试，发光二极管的接地电阻我设为10，实为100）：五、 发生的问题和解决方法自启动问题与异步清零的麻烦。我开始的设想是每种花型结束于全0状态，此状态触发模3计数器加1，触发下一种花型。但这种设计存在问题，如果74LS194的初始状态是偏离状态，那么移位可能使花型混乱，且有可能永远不能到达全0状态，从而不能进入循环圈。我想过多种改进方案，最后选择了用计数器与74LS194同步工作，由低位计数芯片触发高位计数芯片（模3）计数，高位片值改变时向74LS194发出清零信号。而我的每种花型都是从全0状态开始，这样就解决了自启动问题。为设计简单，我将每种花型都设计为16种状态（低位计数芯片模16），这样，问题又出现了。用低位片的CO端取反后接入74LS194的清零端是最简单的方法，但74LS194是异步清零，这样会使前一种花型的最后一种状态和后一种花型的第一种状态都为全0，因为低位片为1111时CO即为1。这个问题花了我较长的时间，后来我想了一个折中的办法，将CP脉冲的非跟74LS161低位片的CO相与非后接入两片74LS194的CLR端，但这样每种花型的最后一种状态的长度只有半个CP脉冲周期。我又想过将CP脉冲跟74LS161低位片的CO相与非，我对这种方法抱有很大信心，但在EWB上模拟的结果还是全0状态持续了两个CP周期（花型的第1个非全0状态开始了一瞬就又被清零），后来我分析，花型的第1个非全0状态（第2个状态）开始时，CO从1变到0，CP从0变到1，但CP变得比CO早一瞬，因此这一瞬间CO与CP都为1，清零信号有效。后来，我准备接受花型的最后一个状态只持续半个CP周期的那种方案。到了第二天，准备开始连电路时，我不由地又在纸上画起CP、CO的波形来。忽然，我想到，在那种方案的基础上把CP的非接到74LS194，让74LS194变为“下降沿”触发，使第1个非全0状态提前半个周期开始，这样，全0状态的长度为1个CP周期而不是以前的1.5个，最后一个状态被提前了半个周期，因而长度达到1个周期。不论计数电路还是74LS194发生了偏离，最多经16个CP周期便可恢复。自启动问题圆满解决！发光二极管的保护电阻问题。在EWB 5.12上，我发现将八个发光二极管并联后用一个100电阻接地时，发光二极管最多只亮四个，到5个以上亮的状态时就全都不亮。经检查电路没有问题。后来想到可能是电阻太大了，但黑板上画的是这样接呀。我抱着试试看的想法将100电阻改为10，问题解决！我找老师确认，老师说这样接可以，后来我将电路接好后发现的确可以，只是灯亮多了每个会暗一些。这应该是EWB 5.12的一个BUG。那片有问题的74LS161。电路接好后花型混乱，我拿起万用表开始检查，发现高位74LS161（模3）的QA总是低电平，且更怪的是我把表笔接QA和地线进行测量时，花型正常，表笔离开时花型又混乱。推测是片子的问题，换了一片后花型正常。六、 总结“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，实践中能学到书本上很多学不到的东西。真正自己动手做了，才能体会这样深刻；真正把东西做出来了，心里才有无比的喜悦！电一种只能从高电势流到低电势的东西，一种看似很单调的东西，但人们用它实现了数据存储、逻辑变换、信号放大等如此多的功能，让我们坐在电脑前真的难以想象屏幕上出现的绚丽竟源自那一根只有两股的电源线！光也是一种看似单调的东西，但人们用它实现了用光控制光的全光路由器；人们还设想了全光计算机，量子光计算机等。人类在向一个又一个高峰挑战！数字电路这门课的一个思想就是“最笨但符合规程的方法能做大项目”，比如设计一个电路，弄出每一个中间变量和输出变量的真值表总能做出来，虽然有时比观察法笨。大的电路用观察法就很难了。电路设计与软件设计是有很多相似之处的。比如分阶段，坚持进行阶段评审，模块化等。我这次没有把面包板完全拆掉重连一次，也得益于我有软件设计的思想，我是设计完全好并且通过仿真测试后才动手连电路的。电脑模拟与虚拟现实是非常重要的。模拟能让失败的代价小得多，这点在其它方面也适用！“集成”是一个很好的词。我有了芯片后不用考虑它的电路机理、化学机理或物理机理照样能设计电路。我只用知道一个芯片对外的接口。这与面向对象程序设计中的“类的封装性”在思想上相通。这样，不同的人可以设计不同的模块，最后用接口把它们组装起来即可，这样就同时用上了许多人的智慧，就可以完成一个人完不成的东西。“片子不过几个，几个片子之变不可胜穷也”，把电路稍微变一变就又是一种全新的花型，这便是数电吸引人的地方之一吧。我这次设计的应该属于专用电路，教我们微机原理的老师说过“高级语言做不了的我可以用汇编语言，汇编语言还做不了的我可以用硬件去做！”这个彩灯控制器便是“用硬件去做”的。但这样毕竟太麻烦了，我想应该有通用电路让我们用编程的方法实现更复杂更灵活的花型。还有一个问题就是我发现只要较长时间断电，存储电路在加电时的初态总是0，这点我在做数电实验时已经观察到了。我问过不少做彩灯的同学，他们都没有考虑自启动问题，但演示时都没有因此而出问题。老师说存储电路加电时初态不确定。不知是为什么。七、 参考文献王毓银主编. 数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路）. 第三版. 高等教育出版社张亚婷等编. 数字电路实验指导书 6