电子骰子游戏概要设计需求需求分析555定时芯片介绍

电子骰子游戏概要•设计需求•需求分析•555定时芯片介绍–555定时器–多谐振荡器–施密特触发器–单稳态触发器•无源器件介绍–电阻、电容、电感设计需求•使用数字电路设计一个电子骰子•骰子点数用发光二极管的点亮个数表示•对应发光二极管的位置要和真实骰子的红点位置相当如右图•每次使用产生的点数是随机的需求分析•不同点数对应不同的发光二极管，位置有明确要求，因此对不同点的输出需要进行编码控制发光管•产生数据随机，可用计数器对555组成的振荡器计数，计数时间随机由对无源器件电容的充放电时间来实现•其中计数器需要设计成6进制计数器类型的确定•模拟骰子的不同位置的数码管进行标号如右图•表中可以看出L4总是单独亮灭，1、3、5控制•L2、L6除了在1外一直为亮，可由1控制•L1、L7同时受4、5、6的输出控制•L3、L5同时受6输出控制L1L2L3L4L5L6L7123456L1L2L3L5L6L7L4计数器类型的确定•从分析中可以看出，该设计对计数器没有特殊要求•有复位输入或预置数的输入端•计数的触发方式最好是边沿触发•此处选择了CD4017设计方案555振荡器电容式ON/OFFCD40176进制串行移位计数器LED显示模拟骰子点数•设计需求•需求分析•555定时芯片介绍–555定时器–多谐振荡器–施密特触发器–单稳态触发器•无源器件介绍–电阻、电容、电感555定时器•555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件•一般用TTL工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555；除了单定时器外，还有对应的双定时器556/7556•555定时器成本低，性能可靠，只需要外接接个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等电路555定时器内部框图电压比较器RS触发器放电管•555含有两个电压比较器、一个RS触发器，一个放电开关T1•比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使两个比较器IC1和IC2的参考电平为1/3Vcc和2/3Vcc•当6号引脚的输入信号＞2/3Vcc时，555的3号引脚输出低电平•当2号引脚的输入信号＜1/3Vcc时，555的3号引脚输出高电平输入信号＞2/3Vcc输出1触发器复位触发器复位~Q输出13号引脚输出0T1导通输入信号＜1/3Vcc输出1触发器置位触发器置位~Q输出03号引脚输出1T1截止4号引脚输入0触发器复位~Q输出13号引脚输出0•4号引脚是复位引脚•当4号引脚输入低电平时，555输出低电平•平时该引脚应该接高电平•5号引脚是控制电压端，平时输出2/3Vcc作为比较器IC1的参考电平•若5号引脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另外一种控制单稳态触发器•通常，触发器都有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为双稳态电路•与双稳态触发器不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态•这个稳定的状态称为“稳态”，可以是0，也可以是1•另一个状态称为“暂稳态”单稳态触发器的特点•1）在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态•2）在受到外界脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”•3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态•单稳态触发器在稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数单稳态触发器的稳态稳态时输入高电平稳态时输出0放电管导通负脉冲信号输入负脉冲触发信号内部低电平比较器动作开始一个稳态过程电平低于1/3Vcc输出1处于暂态放电管截止电容充电到2/3Vcc6号引脚电平到达2/3Vcc输出0回到稳态放电管重新导通电容放电恢复稳定•暂稳态的持续时间T取决于外部元件R1、C2•T=1.1RC•通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微妙和几十分钟之间变化暂稳态的持续时间CRtcesre22)5~3(主要参数估算（1）输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）（2）恢复时间tre其中，Rces是T的饱和导通电阻（3）最高工作频率fmaxvI周期的最小值：Tmin=tW＋tre因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:仿真实验单稳态触发器的应用•延时定时•（1）延时–图中，v'O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。•（2）定时–当v'O=1时，与门打开，vO=vF。–当v'O=0时，与门关闭，vO为低电平。–显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳输出脉冲v'O的宽度tW。单稳态触发器的应用•整形–单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。施密特触发器输入信号＞2/3Vcc输出低电平输入信号＜1/3Vcc输出高电平施密特触发器的应用•用作接口电路–将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形•用作整形电路–把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲施密特触发器的应用•用于脉冲鉴幅–从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲多谐振荡器•多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称为矩形波发生器•多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，所以也称为无稳态电路•在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号刚上电高电平输出低电平放电管导通暂稳态1电容放电输入电压下降输入电压降至1/3Vcc时输入电平＜1/3Vcc输出高电平放电管截止暂稳态2电容充电电压上升当电容电压升至2/3Vcc时又恢复到暂稳态1波形图•用555定时器构成的多谐振荡器–振荡频率的估算（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）（2）电容放电时间T2（3）电路振荡周期T（4）电路振荡频率f（5）输出波形占空比qT=T1+T2=0.7(R1+2R2)CCD4017CD4017•CD4017的基本功能是对“CLOCK”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0~Y9这十个输出端•记满十个数后计数器回到初始状态（Y0输出），同时输出一个进位脉冲时序图CD4017•4017共有16个引脚，各引脚功能如下：•1）电源引脚：•8#：VSS•16#：VDD，输入电压范围是3~15V•2）脉冲输入引脚：•14#：CLOCK，接收脉冲信号的输入•3）数据输出引脚：•3,2,4,7,10,1,5,6,9,11#：“0”~“9”•解码后的十进制输出引脚，被计数到的值输出高电平，其它引脚输出低电平•其中，芯片复位后，输出状态是“0”•12#：CARRY-OUT•进位信号输出引脚，当4017计数十个脉冲之后，CARRY-OUT引脚将输出一个脉冲，表示产生进位，供级联计数器使用•4）控制信号•15#：RESET，复位信号（清零信号）•该引脚为高电平时，会使4017输出“1”，即Q0输出高电平，Q1~Q9输出低电平•13#：CLOCKENABLE•当该引脚输入低电平时，计数器对CLOCK引脚的脉冲信号技术•当该引脚处于高电平时，停止计数搭建电路5-2-3-4-6-1-5完整的电路