说明书-彩灯循环控制电路的设计

学号：电子综合实训题目彩灯循环控制电路的设计学院理学院专业班级姓名指导教师年月日目录1技术指标..................................................................12设计方案及其比较..........................................................12.1方案一...............................................................12.2方案二...............................................................32.3方案三...............................................................42.4方案比较.............................................................53实现方案..................................................................64调试过程及结论............................................................85心得体会.................................................................126参考文献.................................................................13武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书1彩灯循环控制电路的设计1技术指标设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。2设计方案及其比较彩灯循环电路有多种的设计方法，根据此次的设计的技术指标，查阅许多资料，经过一番分析，设计了三种方案。2.1方案一根据任务书中的提示，选择555芯片组成多谐振荡器产生矩形脉冲。NE555管脚功能介绍：8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～16V，以Vcc表示，1脚为地，2脚为触发输入端，3脚为输出端，4脚是复位端，5脚是控制端，6脚为阈值端，7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流。NE555的主要特点：1.只需简单的电阻和电容元器件，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久；2.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜，易于获得；3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；4.它的操作电源范围极大，可与TTL、CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。采用三个芯片组成，主要有多谐振荡电路、可以进行加计数和减计数的74LS193计数器以及74HC138译码器电路组成。该方案先由NE555芯片组成的振荡器产生矩形脉冲，该脉冲可以改变滑阻的阻值大小来改变脉冲周期，再通过以74LS193为核心的计数器电路计数，最后将计数器的输出端Q0、Q1、Q2接到译码器74HC138的输入端A、B、C，译码器输出端Y0-Y7依次输出高电平，从而驱动共阳极发光二极管发光。武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书2电路原理图如图所示：图1方案一电路原理图74LS193是四位可加减计数器，MR端为清零端，PL是预置端，低电平有效，TCU是终端数最多输出，TCD是终端倒计时输出，DN是减计数端，UP是加计数端，由于本方案的需要是进行加计数，所以将脉冲信号接入UP端，故连线如图1所示。该芯片的芯片图如图所示：图2芯片图74HC138是3线—8线译码器，由于输出电平低有效，故将发光二极管以共阳极的形武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书3式连接。其真值表如表1所示：表174HC138真值表输入输出3E_2E_1E2A1A0A_0Y_1Y_2Y_3Y_4Y_5Y_6Y_7YXHXXXXHHHHHHHHXXHXXXHHHHHHHHLXXXXXHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL2.2方案二本方案的矩形脉冲产生仍以NE555芯片为核心的多谐振荡器，在方案一的基础上，将计数芯片74LS193改为四位同步加计数器74HC163，当输入周期性脉冲信号时，其输出为二进制数形式，并且随着脉冲信号的输入，其输出在0000-1111之间循环变化，然后再将输出端Q0、Q1、Q2接到译码器74HC138上。电路原理图如图所示：武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书4图3方案二电路原理图由于在本方案中，设计需8个灯，故计数器调为八进制计数器，将Q3通过反相器引回到清零端MR，因此当计数器计数到八时清零，将多谐振荡器的矩形脉冲信号接入到CLK端，再将使能端接高电平即可构成八进制计数器。2.3方案三前两个方案都是使用了计数器和译码器，根据任务书的要求，我们可以采用CD4017芯片来代替计数器和译码器，其管脚图如图所示：图4芯片管脚图武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书5CD4017芯片的主要特点：（1）十进制计数器/脉冲分配器；（2）5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、EN输入端；（3）CLK端施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入脉冲上升和下降时间无限制；（4）EN为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效；（5）MR为高电平时，计数器清零；（6）Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出；（7）防锁选通，保证了正确的计数顺序；（8）译码输出一般保持为低电平，只有在对应计数时输出高电平；方案三电路原理图如图所示：图5方案三的电路原理图将多谐振荡器产生的脉冲信号接入到CD4017芯片的时钟信号输入端（14端），而该芯片输出电平高有效，故发光二极管接成共阴极的形式。但要注意CD4017是十进制输出，要改成本方案的八进制，将输出端Q8直接引回到清零端MR，则当计数到9就立刻清零。经过在Proteus软件上的仿真测试，可知，每次灯只亮一个且不断的循环，若要改变时间，只需改变滑阻RV1接入电路的阻值大小或者是电容C1的大小。2.4方案比较武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书6方案一，该方案使用了三个芯片，除了555芯片，还用了74LS193计数芯片和74HC138译码芯片，连线比较复杂。方案二，该方案也用了三个芯片，和方案一相比主要是计数的芯片不一样，改用了74HC163计数芯片，而且该芯片还需要反相器来辅助计数，复杂程度与方案一大体一致，但是实现时所需器件较多，布线更麻烦。方案三，CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，同时具备计数和译码功能，使用本方案只需2个芯片，和方案一、方案二相比，使用的器件少，布线简单，更易实现，不易出错。经过分析比较，明显地，方案三是最佳方案，按照此方案更容易达到本次设计的技术要求，而且实现过程更简单，易于构建电路，故选择用CD4017的方案。3实现方案在得到老师分发的元器件，由于受到实际条件限制，在制作实物时对方案三的电路原理图进行了一定程度的修改，修改后的电路图如图所示：图6实际制作的电路原理图这个改动后的原理图和设计时不一样的是在多谐振荡器的频率调变的电阻进行优化，使其更加易于实际操作。同时，由于实际有九个灯，相应的CD4017由Q9接回MR端，武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书7增加一个灯，注意为仿真方便，本次设计的所有方案的发光二极管都只有一种颜色。在实际中可以通过调滑动变阻器RV1或者直接改换电容C1的大小就看达到本次设计的要求。在本次设计的所有方案均有多谐振荡器，脉冲信号均由该部分电路产生，因此我们对脉冲信号的产生进行深究一下。如图就是多谐振荡器的电路原理图：图7多谐振荡器的电路原理图通电后，电容C1充电直到该电容上的电压达到2/3Vcc时，输出为低电平，同时，芯片内部的三极管T导通，电容C1通过R1和三极管T放电，电容上的电压下降，当下降到1/3Vcc时，输出翻转为高电平。当放电结束，三极管截止，电容C1又开始充电，电容的则充电所需时间为：111111t()ln20.7()pHRRVCRRVC(1)电容放电所需时间为：1111tln20.7pLRCRC(2)多谐振荡器是一个无外界信号输入，却有矩形脉冲信号输出，主要是由电容的充放电，武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书8和内部的电压比较产生的，则震荡频率为：1211()1.43(2)pHpLfttRRC(3)关于产生信号的占空比，对本次的课程设计影响不大，故不进行讨论。根据实际修改电路图后，就开始进行布线，得到测试电路布线图。测试电路的布线图如图所示：图8测试电路的布线图4调试过程及结论刚开始拿到面包板，去搜集资料详细了解的芯片管脚图后，就按照电路原理图在面包板上完成布线，给电源提供工作电压+5V左右，调节滑动变阻器，然后将555芯片的3管脚接入示波器，观察显示的波形，示波器上出现了矩形脉冲，说明多谐振荡器工作正常。经过老师的检查，我们开始测量记录所需的波形和相应的数据。在经过一段时间努力的测量，实验圆满的成功了。本次调试过程并不是一帆风顺的，在最开始的时候，调试总是不尽人意，我们发现彩灯闪烁不符合要求，经检查，对CD4017芯片输入单次脉冲，彩灯闪烁符合要求，我们判定矩形脉冲有问题，经示波器检测，波形不是我们需要的矩形脉冲，一度我们一筹莫展。在仔仔细细地来回检查，终于发现是芯片的5管脚直接接地了，于是调整线路，一测试，成功了！本次技术要求是使彩灯循环点亮并且循环时间可调，而彩灯循环点亮是一个动态过程，无法以图片的形式展现，故本次主要以调节循环时间，从而通过555芯片输出的矩形脉冲发生变化的波形图来展示调试结果，调试结果如下：武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书9图9滑阻10k调试结果图图9所示的矩形脉冲，此时的电容C1大小为10uF，RV1电阻为10k，理论脉冲周期为0.21秒，与测量出来的大致相当。图10所示的矩形脉冲，此时电容大小不变，仍为10uF，滑阻的阻值为20k，理论脉冲周期为0.28秒，与实际测量出来的大致相当。武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书10图10滑阻20k调试结果图下面图11所示的矩形脉冲式再来的基础上只改变了滑阻的阻值，将阻值变为了30k，可以得到脉冲的周期为0.35秒，和实际测量基本一致。武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书11图11滑阻30k调试结果图下面还有图12所示的矩形脉冲，这是在滑阻不变，改变电容大小得来的，下图是在滑阻RV1为20k，电容大小为1uF情况下的脉冲波形，根据公式得出脉冲的周期为0.028秒，和实际测量结果没有太大差别，观察此时的彩灯，循环点亮速度很快。武汉理工大学《电子综合实训BⅡ》说明书12图12电容1uF调试结果图以上四个波形图是在调试过程记录下来的比较好的图，还有电容大小取其它值的脉冲波形，但由于篇幅所限，就不一一列出。结论：彩灯循环控制电路经过不断的调试，最终可以实现彩灯依次点亮形成光点，并不断循环，而且彩灯循环的时间可以通过改变滑阻的大小或电容的大小进行调节，理论的脉冲周期与实际测量数据在误差允许范围内是相等的，故本次电路设计完成了预期的要求，设计是成功的。5心得体会这次电子综合实训是我上大学以来的第二次课程设计，我选择了彩灯循环控制电路的设计。在实训开始时，我拿到了任务书，我首先搜寻了相关资料。由于本次设计在学习完数电，有了一定的基础，这大大降低了难度，很快就设计出了电路。但由于老师要