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16路循环彩灯 课设报告 马轩 北京工业大学


应用电子技术基础课程设计 报告书

循环彩灯

学院:

机电学院

专业: 机械工程及自动化 学号: 姓名: 指导教师: 日期: 09042127 马轩 崔 晶

2012 年 04 月 18 日

应用电子技术基础课程设计报告书

目录
一、电路原理图:........................................................................................................................... 2 二、工作原理分析........................................................................................................................... 3 1.概述........................................................................................................................................ 3 2.主要模块功能分析................................................................................................................ 4 3.整体电路功能分析................................................................................................................ 9 三、电路的仿真及结果分析 ......................................................................................................... 10 四、元器件选择............................................................................................................................. 11 五、电路的制作与实验测试 ......................................................................................................... 12 1.电路仿真问题与解决方案 .................................................................................................. 12 2.电路制作问题与解决方案 .................................................................................................. 12 3.电路板实物图...................................................................................................................... 13 4.测试实验.............................................................................................................................. 14 六、线路改进意见......................................................................................................................... 15 七、思考题..................................................................................................................................... 16 八、课程设计的收获和体会 ......................................................................................................... 16

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应用电子技术基础课程设计报告书

循环彩灯
作者:马轩 09010102 指导教师:崔晶

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摘要 “循环彩灯”可以通过 CD4024-7 位串行 2 进制计数器,产生不同频率的电压,从而获得不 同的规律的脉冲电压。 同时, 得到的电压作为触发电压接入 74ls164-8 位串入, 并出移位寄存器, 从而得到循环输出的低电平电压,输出口接发光二级管就制作成循环彩灯,其中 5 个开关可控 制得到不同频率的触发电压。 关键词 串行计数器 移位寄存器 循环

一、电路原理图:

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图 1 电路原理图

二、工作原理分析

1.概述 “循环彩灯”的工作原理是通过自身的 7 位 2 进制计数器模块产生的不同周期的电压, 利用其中四路并联输出电压作为 74ls164 的时钟输入电压,另取一个周期较小的电压作为 74ls164 的 DSA 数据输入端。74ls164 是一个移位寄存器,时钟由低变高时右移一位,DSA 与 DSB 作为寄存器的 Q0 并联输入端,另有 Q1-Q7 -7 个输出端。利用两个 74ls164 的 16 个电压 输出连接 16 个发光二级管并通过 CD4024 和 74ls164 产生的移位低电压来实现彩灯的循环点 亮。5 个开关控制并联脉冲电压频率。电路中最重要的部分是 7 位串行 2 进制计数器,频率 为 50Hz,负责产生不同频率的脉冲电压。 各模块间关系图如下:

图 2 模块关系图

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2.主要模块功能分析 (1)二进制计数器模块: CD4024 是 7 位二进制串行计数器。 所有的计数器为主从触发器。 计数器在时钟下降 沿 进行计数。CR 为高电平时,对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器,对 脉冲上升和下降时间无限制,所有输入和输出均经过缓冲。内部逻辑图如下:

图 3 CD4024 逻辑图 各引脚功能如下:CP CR Q0~Q6 VDD Vss 时钟输入端 1 清除端 2 计数器脉冲输出端 正电源 14 地 7

12 11 9 6 5 4 3

图 4 引脚功能图

计数器功能如下:
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计数器在时钟 CP 下降沿进行计数。CR 为高电平时,对计数器进行清零。

图 5 CD4024 功能简介 计数器因是二进制所以 Q0-Q6 的输出电压 (2)74ls164 模块: 74LS164 是 8 位边沿触发式移位寄存器,串行输入数据,然后并行输出。数据通过两个输 入端(DSA 或 DSB)之一串行输入;任一输入端可以用作高电平使能端,控制另一输入端 的数据输入。时钟 (CP) 每次由低变高时,数据右移一位,输入到 Q0, Q0 是两个数据输 入端(DSA 和 DSB)的逻辑与,它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效, 同时非同步地清除寄 存器,强制所有的输出为低电平。 其引脚图如下:

图 6 74ls164 引脚图

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引脚功能说明如下:

符号 DSA DSB Q0~Q3 GND CP /M/R Q4~Q7 VCC

引脚 1 2 3~6 7 8 9 10~13 14

说明 数据输入 数据输入 输出 地 (0 V) 时钟输入(低电平到高电平边沿触发) 中央复位输入(低电平有效) 输出 正电源

功能表(真值表)

工作模式

输入

输 出 DSA L ↑ l h h DSB X l h l H Q0 X l L L H Q1 至 Q7 L L q0 至 q6 q0 至 q6 q0 至 q6 6 L 至 L q0 至 q6

/M/R 复位(清除) 移位 H H H

CP L H ↑ ↑ ↑

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图 7 74ls164 功能表 输出示意图如下:

图 8 74ls164 输出示意图 由功能表可以看出 74ls164 的功能是将 Q0 的数值逐渐向后移动, Q1-Q6 也向高位移动, 由此可已得到彩灯的循环点亮

(3)开关控制器 开关控制器的本质改变 CD4024 计数器中 Q3-Q7 的并联输出电压的幅值和频率, 并作为 74ls164 的 CP 输入时钟。当不同的开关闭合时,得到的并联电压会有不同的幅值和频率 示意图如下:

图 9 开关连接图 CD4024 Q2 作为 DSA 输入端接 74ls164;
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CD4024 Q3-Q6 连接五个开关,并由线 15 引出作为 74ls164 的 CP 脉冲输入电压; 改变开关的闭合可以得到不同的脉冲电压值,进而得到不同规律的彩灯循环 (4)16 个彩灯 16 个彩灯作为最终的电路功能的实现结果其排列如图

图 10 彩灯连接示意图
每个彩灯接入一个 74ls164 的输出端,由输出端控制灯的亮或灭。输出端为低电平的时候灯 亮,高电平是灯灭。

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3.整体电路功能分析 CD4024 模块产生的 50Hz 脉冲控制两个 74LS164 移位寄存器, 开关作为调节频率功能至 于中间。 74ls164 的输出端与彩灯相连接。当对 CD 4024 输入脉冲电压时 Q1-Q7 分别输出不同的 频率的脉冲电压,其中因是二进制,Q1 的频率是初始脉冲电压的 1/2,Q2 为 1/4,Q3 为 1/8 以此类推、因此 Q3-Q7 的并联电压是一个确定的循环函数。 当任意改变一个开关时输出总电压的频率改变,彩灯的循环方式也将改变,Q1-Q7 的电 压和初始电压值相同,但经过二极管的电压降会出现小于触发电压的情况,而当 Q3-Q5 的 输出有一定数量为高电平时总输出电压可以触发 74ls164 的 DSA 端。 本题中输入脉冲电压值为 5V,CD4024 各端的电压值也为 5V。 Q2 作为两个 74ls164 的共同 CP 脉冲输入电压。当 Q2 由低变高时,数据右移一位。彩 灯实现一次亮灭交替。 而 74ls164 的输出端 Q0 作为移位的初始值是由 CD4024 中 5 个输出端的并联电压的值赋 予的。另一个输入端 DSB 接入高电平 5V,第二个 74ls164 的 DSA 端与第一个 ls164 的 Q7 输 出端相连,以实现上下两排彩灯的接替。 74ls164 的主复位端 MR 接入 5V 电源 因此循环彩灯就是以 CD4024 产生不同频率的脉冲电压,此电压经过一定的处理后接入 移位寄存器中, 由移位寄存器连接彩灯来实现彩灯的循环。 闭和开关可以实现不同规律的彩 灯循环。

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三、电路的仿真及结果分析

1.整体仿真电路图

图 11 仿真电路图

当输入端输入 5V clock 脉冲电压时,仿真显示结果为彩灯实现的循环的亮灭。 其中 CD4024Q2 与并联电压输出端仿真波形图为

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图 12 CD4024 输出端仿真结果 红色线条为 Q2 黄色线条为并联输出端,图显示黄色线条会有跳动。

根据仿真结果,CD4024 模块与 74LS164 的配合可以产生在 Q0-Q7 之间的循环亮灭的低 电平使得彩灯循环得以实现。

四、元器件选择

名称或型号 CD4024 74LS164 发光二级管 芯片座 1KΩ 电阻 二级管 270Ω 电阻 开关 总计

单价(元) 2 1 0.1 0.5 0.1 0.1 0.1 2

数量 1 2 16 3 1 5 16 1 13.3

总价(元) 2 2 1.6 1.5 0.1 0.5 1.6 2

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五、电路的制作与实验测试

1.电路仿真问题与解决方案 “循环”的工作原理比较简单,在电路的理解方面没遇到太多困难。电路连线也比较简 单,因此在仿真过程中并没有遇到什么困难 在仿真过程中遇到的最大问题是 Multisim 10.0 软件的元件库中选择的 clock 电压的错误 使得仿真在很长的时间内都没有得到想要的结果。 Multisim 软件的仿真速度很慢,仿真的时间与现实的时间倍数通常是几十倍。因此现实 中的电压频率在 multisim 中要放大很多倍才能便于观察。

2.电路制作问题与解决方案

电路的制作很方便,大概两天就能完成。 在线路全部焊完后,调试时用了两周的时间,中间出现很多的错误。第一次是因为引脚 连接错误导致没有调试出来, 第二次是因为虚焊点的原因导致了调试失败, 第三次是因为集 成芯片的烧坏……等等一系列的原因。当然最重要的原因是对集成芯片的基本了解不够,没 有连接集成芯片的 Vcc 电源端和 7 脚的接地端。因此,我一度的认为是集成芯片的坏损导致 的电路调试不成功。 根据电路图,与仿真的对比:进行了以下调整: 第一, 第二, 第三, 第四, 第五, 调整错误的接线 合并电源节点和接地点 更改输入时钟的频率由 1000Hz 改为 50Hz 重新购买集成芯片 连接所有芯片的 14 脚 Vcc 端和 7 脚接地端

以上的种种都是小细节,忽略这些细节浪费我很多时间,但在老师的细心指导和自己的 耐心检查下还是解决了所有的问题,实现了仿真和电路的既定功能。

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3.电路板实物图

图 13 电路板正面与反面

图 14 电路板工作图

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4.测试实验 “循环彩灯”的工作电压需要+5V、+10V、GND。在整个电路中, CD4024 模块是相当 重要的模块,它的工作情况直接影响结果,所以应着重测试这个模块。 测试模块关系图如下:

clock脉冲电 压 CD4024
Q2输出端

波器

Q3-Q7输出 端会交电压
图 15 测试模块关系图

图 16 输入电压测试
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图 17 Q2 输出测试

图 18 Q3-Q7 会交电压测试

六、线路改进意见
1.彩灯的输入电压相同,所以应该用同一个电源。 2.因为地线是公共端,因此 CD4024 的地线和 74LS164 的地线合并。

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七、思考题
思考题:
1.该电路彩灯只能向一个方向旋转,若想让其能向顺时针和逆时针两个方向旋转,应该 怎样修改电路。 答:在 74ls164 和彩灯之间加一排 16 向双向开关并。将第一个 ls164 的输出端 Q0 并联 一个线头置于下边的 164 输出端 Q7 下边位置作为双向开关另一个接触端 同理其他并联线头排列为: 上 Q0 下 Q7 上 Q1 下 Q6 上 Q2 下 Q5 上 Q3 下 Q4 上 Q4 下 Q3 上 Q5 下 Q2 上 Q6 下 Q1 上 Q7 下 Q0 这样当开关另置时就相当于把彩灯电路逆排列但彩灯空间顺序不变 所以当开关拨动时就实现了转向的正逆

八、课程设计的收获和体会
首先这次课设可以顺利完成不仅仅是因为我个人的努力, 同时也离不开指导老师悉心的 指导与教诲, 是老师在我遇到困难时对我的指引成就我的课设。 在此要感谢老师辛勤的付出。 这次的课程设计是我们第一次亲手设计改良、焊接制作电路板,第一次体会到了电路设 计的艰辛。 但这并不会影响我们对于应用电子技术这门课程的热爱。 从这次课设中我深深体 会到了自己在知识方面的欠缺与实践经验的不足,我们应该更加努力地去学习这门课程。









1.施良驹 《集成电路应用集锦》电子工业出版社,1988,6
2.何希才 白广存 《最新集成电路应用 300 例》科学技术文献出版社,1995 3.张长清 郑寿安《CMOS 集成电路应用 800 例》福建科学技术出版社,1997 4.余孟尝 《数字电子技术基础简明教程》 高等教育出版社,1999

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