数字逻辑课程设计报告
——多路彩灯控制器
学院名称 ：
计算机学院
学生姓名 ： 冯佳新（24） 专业名称 ： 班 级 ： 实习时间 ：
计算机科学与技术
计科1102
2013年6月3日 —— 2013年6月14日
一 . 实验目的
1. 掌握数字电路课程所学的理论知识，学会将数电理论用于实际电路中去。 2. 熟悉常用集成数字芯片，并掌握其基本原理，学会使用它们进行电路设计。 3. 了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
4. 学会使用面包板测试设计好的逻辑电路，并使用万用表进行调试排错，提
高动手操作能力。
5. 培养独立完成电路的能力，初步学会自主设计、连接、调试数字电路。 6. 培养认真严谨的学习习惯和实事求是的学习态度。
二 . 实验要求
1. 彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器，要求：
(1). 8路彩灯能演示三种花型（花型自拟）。 （2). 彩灯用发光二极管代替
(3). 选做：实现快慢两种节拍的变换。 2. 课程设计的总体要求
(1)．设计电路实现题目要求。
(2)．电路在功能相当的情况下设计越简单越好。
(3). 注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相互交叉。
(4). 注意用电安全，所加电压不能太高，以免烧坏芯片和面包板。
（5). 每个单元电路先独立组装，独立测试，功能正确后，单元电路之间才 能互联。
（6). 所有发光二极管都要接限流电阻，阻值在100－500Ω之间。
（7). 所有器件的多余输入端不允许悬空，请按实际情况做合适的处理。 (8). 电路中的高电平正常情况下>3V，低电平正常情况下<0.4V。介于二者
之间的电平为非正常电平，会造成逻辑错误。
(9)．严禁带电插、拔元件及导线。
三 . 实验所需器材
器件 555 74LS74 74LS161 74LS194 数量 1 1 2 2 2 器件 面包板 发光二极管 74LS00 数量 1 8 2 1 1 74LS151 电容0.01μf 电阻100Ω 电阻4.7kΩ 1 电容4.7μf 钳子 导线 1 1 若干 电阻150kΩ 1 万用表
1 四 . 实验原理
时钟信号 电路 节拍控制 电路 花型控制 电路 花型演示 电路 利用555定时器产生周期为0.5秒的CP脉冲，再经过74LS74（双上升沿触发器）将其二分频产生1.0秒节拍，再用74LS151八选一数据选择器选择一种节拍，用74LS74和74LS151级联交替产生快慢节拍。用两片74LS161级联控制74LS194实现不同的花型，并使用反馈清零法，再用两片74LS194控制8盏灯的明暗变化。
五 . 实验设计及电路图
1. 时钟信号电路
有一片555加上适当电容及电阻实现。 电容取：4.7μf 0.01μf 电阻取：150kΩ 4.7kΩ
电路图如下：
2. 节拍控制电路
使用74LS74(双上升沿触发器)将其二分频产生1.0s节拍，再用74LS151通过0或1控制输出端脉冲的频率交替输出这两种节拍，用74LS74和74LS151级联交替产生快慢节拍，其结构图如图所示：
Q是74LS74触发器的输出端,D触发器具有记忆功能，记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲的上升沿，Q输出为上一次的记录（即一个脉冲）,即就是比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。
令74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将^Q的输出接到D端，Q端的输出接到151的D1端。令151的D0，D2，D3，D4，D5，D6，D7，B，C，^G，GND接低电平，Vcc接高电平，D0接时钟信号的CP脉冲，A端接由花型控制电路的QF输出。 所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。A端接的是161的高位片的QF即当到达第32拍时QF为1,接下来的32~64拍为变慢后的脉冲输出。
电路图如下：
3. 花型控制电路
74LS161是四位二进制同步加法计数器，具有计数、异步清零、同步置数，保持等功能，其引脚图
其功能表如下图：
一片74LS161只能计数从0000~1111，但两片74LS161级联可以实现从
0~255计数，因为64（32快拍加上32慢拍）>16，所以采用两片74LS161同步级联，64转换成二进制为01000000，所以用高位片的Q3（即QG）通过非门以后接到清零控制端。
当三种花型全新显示一遍后（总共32拍）,74LS161的输出变为00100000，所以将161高位片的Q2（即QF）信号输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。161的CP脉冲来自节拍控制电路中74的输出端Y。 电路图如下：
4. 花型演示电路
由二片移位寄存器194级联实现。其八个输出信号端连接八个发光二极管， 用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。每个花型完整显示一遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总拍数为32，即0~7实现第一个花型，8~15实现第二种花型，16~31实现第三种花型。
三种花型变换样式
花型1：8路灯分两半。从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。 花型2：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。 花型3：从左至右顺次渐亮，全亮后又从左至右渐灭。
移存器输出状态编码表 节拍序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 花型一 0000 0000 1000 1000 1100 1100 1110 1110 1111 1111 0111 0111 0011 0011 0001 0001 花型二 0000 0000 0001 1000 0011 1100 0111 1110 1111 1111 1110 0111 1100 0011 1000 0001 花型三 0000 0000 1000 0000 1100 0000 1110 0000 1111 0000 1111 1000 1111 1100 1111 1110 1111 1111 0111 1111 0011 1111 0001 1111 0000 1111 0000 0111 0000 0011 0000 0001
要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR节拍的变化进行相应的改变。现将两片194分为低位片和高位片，再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下：(用^Li表示Li的取非)
低 位 片 高 位 片 节拍控制信号 花 型 SL SR S1 S0 SL SR S1 S0 QD QE （QA-QH） 1 2 3 X ^L8 0 1 1 0 X X X X ^L8 0 ^L8 0 L4 0 L4 0 1 1 1 1 0 0（00000000-11100000） 1 0（00010000-11110000） 0 1（00001000-11101000） 1 1（00011000-11111000） ^L8 X X X ^L8 0 1 ^L8 0 1
根据真值表，画出其卡诺图如下：
194低位片：
QE 0 1 QD 0 X X 1 ^L8 X
SL=^L8 QE 0 1 QD 0 X X
1 X ^L8 S1=QD*^QE QE 0 1 QD 0 ^L8 ^L8 1 X ^L8 SR=^L8
QE 0 1 QD 0 X X 1 X ^L8 S0=^S1
194高位片： QE QD 0 1 X X X X
0 1 QE QD 0 1 0 1
^L8 ^L8 L4 L4 SL=X SR=^L8*^QE+L4*QE
QE QD 0 1 1 1 1
1 1 0 0 1 QE 0 1 QD
0 0 0 0
S0=1 S1=0
由卡诺图可得控制结果表达式如下：
低位片 SL=^L8 SR=^L8 S1=QD*^QE S0=^S1 高位片 SL=X SR=^L8*^QE+L4*QE S1=0 S0=1
电路图如下：
六. 实验波形图
1．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2. 测试波形: (每列依次为CP脉冲,低位片74LS194A,B,C,D,高位片
74LS194A,B,C,D)
花型一：
花型二：
花型三：
六. 实验问题及解决方法
问题: 74LS151芯片的功能不太清楚,导致老师提问问题时无法回答出，所以
下来之后及时看书，终于弄清了其工作的真正原理。
原理：74LS151是互补输出的八选一数据选择器，有三个地址端为C~A,
从8个输入数据D0~D7中，选择一个需要的数据给输出端Y,G为使能端，低电平有效。使能端^ST=1时，不论C~A状态如何，Y均无输出（Y=0，W=1），多 路开关被禁止。使能端^ST=0时，多路开关正常工作，根据地址端C ，B，A的状态选择D0~D7中某一个通道的数据输出到端Y。 如：CBA=000，则选择D0数据到输出端，即Y=D0 如：CBA=001，则选择D1数据到输出端，即Y=D0
其功能表如下(^M表示M的非)： 输入 数据选择 C × 0 0 0 0 1 1 1 1 B × 0 0 1 1 0 0 1 1 A × 0 1 0 1 0 1 0 1 选通 Y ^ST 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1 ^D0 ^D1 ^D2 ^D3 ^D4 ^D5 ^D6 ^D7 W 输出 因为74LS74只有两个输出端0和1，所以只用74LS151的A端，C端和B端接地。
七. 实验心得及体会
为期两周的数电实习短暂又漫长。不过在这两周中自己学到了很多知识，对数字电路这门课也有了更深的认识，每天都有目标和收获。
第一天，刚开始对所要求的实验内容并不是十分明白清楚，我就盲目地连起了555芯片，却根本不了解其功能，在与同学的交流讨论下，我了解到555芯片是一种定时器，它是一种模拟和数字功能相结合的中规模器件。然后自己不断分析，独自动手终于完成了555脉冲电路的连接，并实现了其功能。
第二天，我完成了第二块，节拍控制电路的连接。有了第一天的经验，电路连接已经比较熟悉，对斜口钳的使用也较为熟练，所以连接电路并未花费太多时间，但是电路连接好后，并未实现节拍控制，仔细检查一遍所连接的电路，发现面包板上的多个正负极没有互相连通，连接后再接上电源，电路就可以正常工作了，555信号控制灯闪烁一个高低电平周期，节拍电路闪烁一下。
第三天，开始连接第三块电路，花型控制信号电路。此块电路用两块161芯片级联实现模64的电路。由于之前已经设计好了电路图，而且对连面包板也比较熟悉，所以在这个模块中竟然没有出现问题，一次就成功了，我非常激动。
第四天，我先是自己设计了花型，确定花型后，再研究该如何实现，实现中有三个问题考虑，花型用什么实现，该如何变化花型，如何让其变频。最终决定，用两片194实现花型，再用161节拍器实现花型变换，再让其与151相连变频输出。以上问题都弄清楚后，再列出真值表，列出函数关系式，最后根据关系式画出了电路图，开始连接电路，连接完成后，接入电源，发现电路并未工作，排查许久还是未有结果。
第五天，由于花型没有按我的预期效果显示出来，所以我又重新设计了一种方法，接着就是选择花型和控制端，列真值表填卡诺图，画电路图，连接好之后发现花型非常乱，这一天的花型演示模块又失败了。
第六天，与同学一起讨论前两天的设计方案，最终发现第一种方法是可行的，可能当时连错了电路，导致走了许多弯路。于是我又按照第一种方法所画出的电路图重新连接了电路，检查电路连接无误后接入电源，八个彩灯均正常工作， 达到了我想要的效果，整个实验圆满完成！
剩下的几天中，我再检查了我的电路，也更加深刻的理解了数电这门课，开始着手完成我的实验报告了。
其实在电路组装过程中，遇到的最大问题是，芯片分布不够合理，无法很好的布线。于是在分析了我的设计后计算了要用芯片的个数和个芯片之间的关系，按照各个控制电路的走向较合理的插好了芯片。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫，而且尽力做到我认为很合理的布线，也就是用线的颜色有点混乱，因为用了很多从之前面包板上拆下来的旧线，所以整个板子看起来有点杂乱。也因为我的设计中要用2个74L00和1个74L04，多个与非门电路的连接却是费了我好大的功夫，于是连线也就不十分合理了，但整体看起来还算可以。 总之，这两周我受益匪浅。
八．实验参考文献。
<<数字电路逻辑设计>> 师亚莉 薛延侠编
<<数字电路实验与课程设计>> 吕思忠 施齐云主编
九、附录（总电路图）
西安邮电大学 数字逻辑课程设计 过程考核及成绩鉴定表
学生姓名 承担任务实验室（单位） 教学部 实施时间 2013年 6 月4日 — 2013年 6月14日 电路与电子技术基础所在部门 电子工程学院 班级/学号 要求 花型种类 优 良 中 及格 不及格 电路功能 课程设计移动方向 移动速度 其它 电路运行稳定 过程 电路元件布局合理 质量 连线简洁 回答问题 设计分析问题、解决问题能力 电路原理清楚，能抓住重点 设计思路清晰、图表齐全、各部分电路说报告 明正确。 学习态度 学习纪律 实习综合成绩 □认真 □一般 □差 □好 □一般 □差 □优秀 □良好 □中等 □及格 □不及格 指导教师签名 年 月 日
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