电子设计 多路彩灯

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1、课程设计题目：多路彩灯课程设计题目：多路彩灯一、一、任务和要求：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、二、器件器件74LS19424.7k 电阻1 74LS0024.7f 电容1 74LS0410.01f 电容1 5551150k 电阻1 74LS1612100 电阻1 74LS741面包板1 74LS1512发光二级管8三、三、总

2、体方案总体方案共设计 3 种花型，如下： 花型 1花型 2花型 3 0000 00000000 00000000 0000 1000 00001000 00000001 1000 1100 00000100 00000011 1100 1110 00001010 00000111 1110 1111 00000101 00001111 1111 1111 10001010 10001110 0111 1111 11000101 01001100 0011 1111 11101010 10101000 0001 1111 11110101 01010000 0000 0111 11111010

3、10100001 1000 0011 11110101 01010011 1100 0001 11111010 10100111 1110 0000 11110101 01011111 1111 0000 01111010 10101110 0111 0000 00110101 01011100 0011 0000 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。1模块图如下（箭头示数据流的方向和内容）：四、四、单元电路设计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

4、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）：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2左片 74LS194 的 SR 波形图如下：花型 2 两片 74LS194 的连接方式（两片 74L

5、S194 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：3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 74LS19

6、4 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

7、。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 74L

8、S00 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：4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、五、发生的问题和解决方法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

9、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

10、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） ，

11、后来我分析，花型的第 1 个非全 0 状态（第 2 个状态）开始时，CO5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

12、，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 74LS16

13、1。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、六、总结总结“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

14、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！6“集成”是一个很

15、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、七、参考文献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