1、引言 .11、设计的意义与要求 .21、1 设计的意义 .21、2 设计的要求 .22、方案设计 .32、1 设计思路 .32、2 方案设计 .32、2、1 方案一设计电路图 .32、2、2 方案二设计 .42、3 方案比较 .53、部分电路设计 .63、1 四十进制设计 .63、2 摇摆状态 .73、3 暗点循环 .83、4 逐个点亮逐个熄灭 .84、调试与检测 .104、1 调试中故障及解决办法 .104、2 调试与运行结果 .105、仿真操作步骤及使用说明 .11结束语 .12参考文献 .13本科生课程设计成绩评定表 .14武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 1 页 共 15 页
2、引言本次课程设计，要求运用数字电路设计一个三种图案的霓虹灯控制器。初始条件：运用所学的模拟电路和数字电路等知识；用到的元件：实验板、电源、连接导线、74 系列芯片、555 芯片等。要求完成的任务：1、有 4 只彩灯，红绿蓝黄，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：2、摇摆状态 01011010，重复 6 次。3、暗点循环 01111011110111100111这样重复循环 3 次。4、逐个点亮，逐个熄灭，000010001100111011110111001100010000这样重复循环 2 次。5、霓虹灯控制工作状态按照上述 2 至 4 步自动
3、重复循环。时间间隔为 1 秒。6、严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 2 页 共 15 页1、设计的意义与要求1、1 设计的意义现实生活中，霓虹灯随处可见，运用所学得的知识设计出一盏霓虹灯是自动化专业学生必备的基本能力，作为武汉理工大学自动化专业一名大学生，我们应该具备这种基本的设计能力，只有把自己学到的知识运用到生产生活的实践之中，我们学到的知识才真变得有用。由于专业的特殊性，要求我们不能只做到纸上谈兵理论只有运用到实践中才有它的价值，本次电工电子综合课程设计正是培养学生这种能力，三种图案的霓虹灯的设计联系生产生活实践，对学生的设计提出要
4、求，这不仅是对我们动手能力的锻炼，更是对我们独立思考、分析能力的培养，同时霓虹灯设计在实际生活中十分常见，应用非常广泛，有很大的现实意义。 。1、2 设计的要求现有 4 只彩灯，红绿蓝黄，运用所学的模拟电路和数字电路等知识，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：摇摆状态 01011010，重复 6 次；暗点循环 01111011110111100111这样重复循环 3 次；逐个点亮，逐个熄灭，000010001100111011110111001100010000这样重复循环 2 次；霓虹灯控制工作状态按照上述 2 至 4 步自动重复循环。时间间隔
5、为 1 秒。武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 3 页 共 15 页2、方案设计2、1 设计思路首先，分别设计出各个图案的转换方案，即能够单独的实现摇摆状态，暗点循环和逐个点亮与熄灭的状态。然后设计一个四十进制计数器，前 12 秒是摇摆状态，13 到 24秒暗点循环，最后 16 秒逐个点亮和熄灭。最后通过逻辑电路把三部分组合起来实现三种图案的霓虹灯设计要求。2、2 方案设计2、2、1 方案一设计电路图A2Y04B31526E137U:74LS139D1LE-RD2LE-RD3LE-RD4LE-RCKA14 Q012B9283R0(1)22396()7U4LS0CKA14 Q012B92
6、83R0(1)22396()7U34LS0 A14Y012B320E539U:74LS139D03142536SR2L7CK10910MRQ01542332U74LS9412U5:A74LS012 3U7:A74LS08 45 6U7:B74LS08CKA14 Q012B9283R0(1)22396()7U84LS0 CKA14 Q012B9283R0(1)22396()7U94LS0 56U:C74LS01312U5:D74LS0110U5:E74LS98U5:F74LS0 12 3U0:A74LS3245 6U10:B74LS32910 8U:C74LS32123 12U:A74HC134
7、5 6U1:B7HC1910 8U1:C74HC1910 8U7:C74LS08123 1U7:D74LS0834U5:B74LS012U:A74LS0123U13:A74LS0456U13:B74LS01098U13:C74LS0 12312U6:A74LS10132U13:D74LS012U14:A7LS0456U14:B7LS0 3456U6:B74LS109108U6:C74LS1012312U15:A74LS01098U14:C7LS0132U14:D7LS0123U16:A74LS0456U16:B74LS010986C132DR4DC7Q3GND1V8TR2TH6C5 U15 R
8、140k217KC18uFC210nF时钟信号选通电路暗点循环显示灯摇摆状态 逐个点亮熄灭方案 1 总电路图（图1）武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 4 页 共 15 页第一步，先用 555 定时器制作一个 1HZ 的脉冲信号。第二步，设计分别实现三种图案的电路图，摇摆状态与暗点循环用 74LS90 和74LS139 即可单独分别实现，逐个点亮逐个熄灭用 74LS194 制作一个 4 位扭环形计数器即可。第三步，用两个 74LS90 制作了一个四分频加一个十进制，相当于一个四十进制。通过设计要求可以分析出摇摆状态、暗点循环、逐个点亮逐个熄灭各占了 12、12、16，也就相当于 3:3
9、:4，用一个四分频加一个十进制就可以实现前 12 秒使摇摆状态进行正常工作，13 到 24 秒使暗点循环正常工作，最后 16 秒使最后一个状态正常工作，即将十进制计数器输出端通过逻辑电路接分别到 L1、L2、L3，使 L1：0、1、2 时输出为 1 其余状态为 0，L2:：3、4、5 输出为 1 其余状态为 0，L3：6,、7、8、9 输出为 1 其余状态为 0，并将 L1，L2 接上非门分别接到其对应状态的 74LS139 的使能端，L3 直接接到逐个点亮逐个熄灭的 74LS194 的清零端。最后，经过分析和计算将三种图案状态的输出端和使能端分别通过逻辑电路接到四盏灯上，使摇摆状态、暗点循环
10、、逐个点亮逐个熄灭能够有序的结合并循环起来，从而达到实验要求，实现电路功能。2、2、2 方案二设计小组电路也是分别设计各个模块然后由定时器电路控制分别显示。小组电路的片选信号产生，是组合逻辑门电路实现。它的输入是定时器信号，输出是三个片选信号。对方案 2 总电路图（图 2）武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 5 页 共 15 页于设计要求的摇摆图案（01011010）和暗点循环图案（01111011110111100111） ，小组方案采用异步二-五-十进制加法计数器74LS90 和 2 线4 线译码器 74LS139 芯片来实现；而对于第三种逐个点亮和逐个熄灭的图案（00001000
11、1100111011110111001100010000）则采用具有移位寄存功能的 74LS194 芯片来实现；如果采用 74 系列数字芯片在面包板上用导线连接完成电路，整个电路的布线将会比较复杂，而且调试和改进也较困难。经小组讨论，在数电课本介绍的 QuartusII 的开发环境下，在 FPGA 片实现小组电路。2、3 方案比较方案 1 个人方案和方案 2 小组方案相互比较，小组方案运用了更少的逻辑门芯片，电路仿真也比较稳定；在硬件实现上，采用 FPGAFPGA 实现，开阔了思路，减轻了制作难度，也更适合当前流行的设计方法，不过 FPGA 的价格较高，在实际应用中性价比偏低。他还用了不太常用
12、的芯片 74LS244，对于初学者来说，这个芯片的功能运用不熟练，容易出现错误；个人方案运用了稍少一些芯片，缺点是所使用的逻辑门比较多，在电路连接时较容易出错。武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 6 页 共 15 页3、部分电路设计3、1 四十进制设计如图 3 所示，先用 74LS190 制作一个四进制和一个十进制，然后将 Q1 接出接到十进制的 CKA 端，然后通过卡诺图分析得到 L1、L2、L3 的逻辑表达式，即得到 L1 在前12 秒为 1 其余为 0，L2 在 13 到 24 秒为 1 其余为 0，L3 在最后 16 秒为 1 其余为 0 的结果。74LS90 引脚图及功能表：
13、图 3CKA14Q012B19Q2831R0(1)2(2)3R9(1)6(2)7 U874LS90CKA14Q012B19Q2831R0(1)2(2)3R9(1)6(2)7 U974LS9056U5:C74LS041312U5:D74LS04110U5:E74LS0498U5:F74LS04123U0:A74LS32456U10:B74LS329108U10:C74LS32121312U1:A74HC13456U1:B74HC19108U1:C74HC19108U7:C74LS0812131U7:D74LS08R4DC7Q3GND1 VC8TR2TH6 CV5 U175 R140kR217KC
14、18uF C210nF图 4 表 1武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 7 页 共 15 页3、2 摇摆状态如图 4 所示，用 74LS90 制作一个四进制计数器，将 Q0、Q1 分别接 A、B，通过74LS139 输出，然后将 Y0、Y2 和 Y1、Y3 分别接入两个与门后输出，在分别将其输出接到 D1、D3 和 D2、D4，在脉冲信号作用下，便能实现摇摆功能。例如：AB 输入 00时，Y3Y2Y1Y0 输出 1110，灯 D1、D3 灭，D2、 D4 亮。74LS139 引脚图及功能图：A2 Y04B3 Y15Y26E1 Y37U1:A74LS139D1LED-RED D2LED-
15、RED D3LED-RED D4LED-REDU2(CKA)CKA14 Q012CKB1 Q19Q28Q31R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7U274LS9012 3U3:A74LS0845 6U3:B74LS08图 6 表 2图 5武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 8 页 共 15 页3、3 暗点循环如图 5 所示，用 74LS90 制作一个四进制计数器，Q0 、Q1 接到 A、B 上，再将Y0、Y1、Y2、Y3 分别接到 D1、D2、D3、D4 上，在脉冲信号作用下即能实现暗点循环的功能。3、4 逐个点亮逐个熄灭A2 Y0 4B3 Y1 5Y2 6E1 Y3 7U1
16、:A74LS139D1LED-RED D2LED-RED D3LED-RED D4LED-REDU2(CKA)CKA14 Q0 12CKB1 Q1 9Q2 8Q3 1R0(1)2 R0(2)3R9(1)6 R9(2)7U274LS90D03 D14 D25D36 SR2SL7 CLK1 S09S110 MR1Q0 15Q1 14Q2 13Q3 12U174LS194U1(CLK)12U2:A74LS04D4LED-REDD3LED-REDD2LED-REDD1LED-RED图 7图 8武汉理工大学电工电子综合课程设计实验报告第 9 页 共 15 页如图 6 所示，用 74LS194 设计 4 位扭环形计数器，在脉冲信号作用下，便能够实现逐个点亮逐个熄灭的循环状态。74LS194 的引脚图及功能表：3、5 时钟脉冲信号的制作如图 8 所示，是用 555 定时器设计的多谐振荡电路，先固定 R1、R2、C1 的值分别为5k、2.5k、0.01Uf,又因为要设计一个频率为 1HZ 的脉冲信号，所以 f=1HZ，再利用公式f=1.43/(R1+2R2)C 求得电容 C2 的值为 0.143mF，根据以上求解设定各个参数，555 定时器的输出端 Q 就会输出频率为 1HZ 的脉冲信号。图 9 表 3图 10
