《数字电路》课设彩灯循环控制电路设计

《数字电子技术课程设计》报告

——彩灯循环控制电路设计

摘要

本次电路设计利用555定时器、计数器等设计LED彩灯控制电路。通过按键实现如下循环特性：当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮：即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮、后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果），并设计成同步电路模式。

用555定时器设计的多谐振荡器来提供时序脉冲，其优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。之后脉冲信号输入到计数器，同时将计数器输出端QC、QB、QA接到译码器的输入端，当译码器输出电平为低电平时，与其相连接的LED会变亮。LED采用共阳极连接，并串上500Ω的电阻。电路由按键SPST_NC_SB控制，使彩灯进入到不同的循环模式。

电路图连接好后，经Multisim软件调试测试，电路可以实现设计要求，即实现从题中要求的交叉循环显示和音乐序列的循环显示。整体电路采用同步电路模式，采用TTL集成电路，电压V

均为5V。运用了所学的555定时器、译码器、计数器与逻辑门

cc

电路等相应的电路器件，提高了对于数字电子技术这门专业基础课的认识与理解，在

实践中发现不足，努力改正，提高了我自学、创新等能力，同时我们也掌握了相应设计电子电路的能力，有利于今后对于专业课程的学习。

关键词：555定时器计数器译码器彩灯循环控制

目录

引言.................................................... 1．课程设计目的........................................... 2．课程设计要求........................................... 3．电路组成框图........................................... 4．元器件清单............................................. 5．各功能块电路图.........................................

5.1 脉冲信号发生器.....................................

5.1.1 555定时器.....................................

5.1.2 多谐振荡器 ....................................

5.2 顺序脉冲发生器.....................................

5.3 彩灯循环系统....................................... 6．仿真电路总图........................................... 7．结果分析............................................... 8．总结................................................... 参考书目.................................................. 附录......................................................

引言

数字电子技术实验是一门重要的实践性技术基础课程，开设本课程的目的在于使学生理论联系实际，在老师的指导下完成大纲规定的实验任务。开发我们分析问题或解决问题的能力，培养严谨的工作作风，实事求是的科学态度，刻苦钻研、勇于探索和创新的开拓精神以及遵守纪律、团结协作和爱护公物的优良品质。

近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目。使电路简捷。而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件躬耕则成为必然。

现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现彩灯控制器主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。

流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮的灯的组合，流水灯控制是可编程控制器的一个应用，其控制思想在工业控制技术领域也同样适用。流水灯控制可用多种方法实现，如单片机I/O口控制，双向位移寄存器控制，计数器循环控制等，本次选用计数器和译码器做控制电路，其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成，再通过三线八线译码器输出给发光二极管，实现了所需要的功能。

1．课程设计目的

1）巩固和加强《数字电子技术基础》课程的理论知识；

2）掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程；

3）掌握电子电路安装和调试及故障排除方法，学会用Multisim软件对进行电路仿真操作；

4）通过查阅手册和文献资料，提升独立分析问题和解决问题的能力；

5）培养创新能力和创新思维。

2．课程设计要求

1）提出设计方案；要根据指导教师布置的课题，学会找参考书籍、查阅手册、图表和文献资料等。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法；

2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法；

3）学习电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）工具Multisim并设计电路图，功能仿真；

4）掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力，能在教师指导下，完成课程任务。按任务要求，设计电路，计算参数，选择元器件。根据所设计的电路和所选择的元器件制板，焊接安装电路，并按照调试步骤进行调试。逐步排除故障最终达到设计要求；

5）撰写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸及心得体会了解与课题有关的电子线路以及元器件工程技术规范。

6）培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观念、工程观念和全局观点；

7）利用555定时器、计数器等设计LED彩灯控制电路。要求有原理电路、EDA仿真和实际电路；

8）彩灯循环控制的功能要求为：通过按键实现如下循环特性，当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮，即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果）；

9）要求设计成同步电路模式；

10）参考器件：该电路可由555定时器、同步4位二进制计数器74HCl61，3线-8线译码器／分配器74HC138等组成。也可由学生自行选择器件。

3．电路组成框图

图1 基本电路框架原理图

4．元器件清单

表1 元器件清单一览表

5．各功能块电路图

5.1 脉冲信号发生器

5.1.1 555定时器

555定时器是由比较器C 1和C 2，基本RS 触发器和集电极开路的放电三极管

T D 三部分组成。

V H 是比较器C1的输入端，v 12是比较器C 2的输入端。C 1和C 2的参考电压V R1和V R2由V CC 经三个五千欧电阻分压给出。在控制电压输入端V CO 悬空时，

V R1=2/3V CC ，V R2=1/3V CC 。如果V CO 外接固定电压， 图2 555定时器逻辑符号 则V R1=V CO ，V R2=1/2V CO 。

R D 是置零输入端。只要在R D 端加上低电平，输出端v 0便立即被置成低电

平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使R D 处于高电平。图2中的

数码1—8为器件引脚的编号。

555定时器是一种中规模集成电路，如图3所示，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。

图3 555定时器内部结构图

(A) 电路组成

555集成定时器由五个部分组成:

1) 基本RS 触发器：由两个“与非”门组成

2) 比较器：C1、C2是两个电压比较器

3) 分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构

成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。

4) 晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管VT 构成开关，其状态受Q 端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。

(B) 基本功能

当0=R 时，1=Q ，输出电压OL o V V =为低电平，VT 饱和导通。

当1=R 时，CC TH V V 32>时，CC TR V V 31>时，C1输出低电平，C2输出高电平，1=Q ，Q ＝0，OL o V v =，D T 饱和导通。

当1=R 、CC TH V V 3

2<、CC TR V V 31>时，C1、C2输出均为高电平，基本RS 触发器保持原来状态不变，因此o v 、VT 也保持原来状态不变。

当1=R 、CC TH V V 3

2<、CC TR V V 31<时，C1输出高电平，C2输出低电平，0=Q ，Q ＝1，OH o V v =，VT 截止。 输 入

输 出 阈值输入(v I1) 触发输入(v I2) 触发输入(v I2)

输出() 放电管T ×

× 0 0 导通

1 1 截止

1 0 导通 1

不变 不变 表2 555定时器逻辑功能表

5.1.2 多谐振荡器

产生信号脉冲的方法很多，这里选用的是多谐振荡器。它可以在接通电源后产生一定频率和一定幅值的矩形波，用作脉冲信号源。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路行式，用555定时器组成的多谐振荡器振荡频率手电源电压和温度变化的影响很小，使产生的波形更稳定，所以我们选用555定时器组成多谐振荡器。其内部结构如图4所示：

图4 多谐振荡器内部结构图

接通电源后，电容C1被充电，当Vc 上升到2/3Vcc 时，使Vo 为低电平，同时555定时器内部的放电三极管T 导通，此时电容C1通过R2和三极管放电，Vc 下降。当Vc 下降到1/3Vcc 时，Vo 翻转为高电平。电容C1放电所需时间为

T2=R2*C1*ln2≈0.7R2*C1

当放电结束是，T截止，Vcc通过R1、R2 及电容C1充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需时间，即为电容C1充电所需时间为

T1=(R1+R2)*C1*ln2≈0.7(R1+R2)*C1

当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电

路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

T=(R1+2R2)*C1*ln2≈0.7(R1+2R2)*C1

其工作波形如图5所示：

图5 多谐振荡器工作波形

电容C2取10nF，将电源Vcc中杂质成分滤除，起到抗干扰作用。

考虑到彩灯循环点亮的时间要求，故设计出多谐振荡器的振荡周期为1s，即振荡频率为1Hz。由于T=(R1+2R2)*C1*ln2≈0.7(R1+2R2)*C1=1s，取C1=1μF，

可得R1+2R2=1442 kΩ，取R1=442kΩ，R2=500kΩ。占空比q=( R1+R2)/ (R1+2R2) ≈0.65，将各原件按照电路图所示与555定时器相连接，即得到所需多谐振荡

器，从而产生脉冲信号。

5.2 顺序脉冲发生器

在设计中需要系统按照事先规定的顺序进行一系列的操作。这就要求统的

控制部分能给出一组在时间上有一定先后顺序的脉冲信号，再用这组脉冲形成

所需要的各种控制信号。顺序脉冲发生器就是用来产生这样一组顺序脉冲的电

路。

本题采用计数器和译码器组合成顺序脉冲发生器，其电路图如图6所示。

所示电路是用4位同步二进制计数器74LS161和3线－8线译码器74LS138构成

顺序脉冲发生器电路。图中以74LS161的低3位输出 QC、QB 、QA作为

74LS138的3位输入信号。

由74LS161的功能表可知，为使电路工作在计数状态，LOAD、CLR、ENP和ENT均应接高电平。由于它的低3位触发器是按八进制计数器连接的，所以在连

接输入CLK信号的情况下，QC QB QA 的状态将按 000一直到 111 的顺序反复

循环，并在译码器输出端依次输出 Y0’至 Y7’的顺序脉冲。

图6 顺序脉冲发生电路

按照题目要求，通过按键实现如下循环特性，当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮，即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果）。可知，当按键没有按下时，74LS138(U2)工作，此时，74LS138（U5）不工作，则输出电平均为高电平，将74LS138(U2)输出端的依次与74LS138（U5）输出端的

Y0’Y2’Y4’Y6’Y7’

Y5’Y3’Y1’做与运算，后分别连接到对应的LED的阴极上。此时做与运算对74LS138(U2)输出的电平无影响，此时，在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次点亮，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮。当按键按下之后，同理可知，LED的亮与灭由74LS138（U5）输出端的电压决定。译码器的输入端CBA由000变化到111的过程中，输出端只有一端输出低电平，此时对应连接的LED会亮。由多谐振荡器输入脉冲信号，计数器工作，其输出端QC、QB、 QA的依次累加，是译码器的输出端依次变为低电平，从而实现了LED的循环闪烁。

例如，当74LS138(U2)工作时，计数器的输出端QC、QB、QA为000时，则译码器的输入端CBA也为000，此时Y0’低电平，由于另一个译码器未工作，则其输出端输出均为高电平，求与运算，不影响对LED的控制，此时LED1亮，当下一个时序脉冲输入到计数器是，则QC、QB、QA变为001，从而使LED3亮，其余不亮，以此类推，实现循环。

计数器（74LS161）和译码器（74LS138）的逻辑功能：

1)计数器（74LS161）

74LS161是常用的4位二进制可预置的同步加法计数器，如下图：

图7 74LS161D的管脚图

从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CLR=“0”，计数器输出QD、QC、QB、QA立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CLR=“1”且LOAD=“0”时，在CLK信号上升沿作用后，74LS161输出端QD、QC、QB、QA的状态分别与并行数据输入端D，C，B，A的状态一样，为同步置数功能。而只有当CLR=LOAD=ENP=ENT=“1”、CLK脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还

有一个进位输出端RCO。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

2）译码器（74LS138）

译码器（74LS138）是常用的3 线－8 线译码器，如下图：

图8 74LS138N的管脚图

74LS138有三个附加的控制端，当输入为高电平（G1＝1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。

74LS138 为3 线－8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式，其工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，

74LS138还可作数据分配器。

5.3 彩灯循环系统

彩灯循环系统是整个设计的最后的显示部分，也是最直观明显的显示设计成果的关键。将顺序脉冲发生器产生的顺序脉冲加到彩灯上之后，可以使彩灯产生循环闪烁的效果。

图9 彩灯循环电路

8个LED采用共阳极接法，输入电压为5V，并串联500Ω，作为保护电阻使用，以免LED的电压过大。所以在使用LED时，要接上拉或下拉电阻，选一个适中的，这是要根据发光二极管正向内阻，发光二极管正向电压降、正常工作电流决定的。

图10 发光二极管参数

由图10可以看到发光二极管正向压降为1.66V，正常工作电流为5mA，当选择500Ω电阻。发光二极管正向内阻为1.66V/5mA=332Ω，而5*{332/(332+500)}

≈1.995V>1.66V，发光二极管会发光。如图11所示，二极管两端电压也会稳定在1.66V（阈值电压）。

图11 发光二极管的正向压降测试电路

此时，当译码器输出端输出为低电平时，对应的LED就会变亮，在下一次脉冲来临之前，将一直保持。当进入到下一次脉冲时，译码器的另一个输出端变为低电平，此时另一个LED会变亮，如此循环。

6．仿真电路总图

图12 仿真电路模拟

7．结果分析

对电路进行仿真模拟，每间隔1s，LED变换一次，如此循环闪烁。与多谐振荡器的振荡周期一致，符合预期。当按键没有按下时8个彩灯交叉循环点亮，即在前四秒内第1、3、5、7盏灯依次，后四秒内8、6、4、2盏灯依次点亮，而当按键按下一次后（按下两次等效于没有按下），实现8盏灯依次循环点亮（产生灯光追逐音乐、活跃气氛的效果）。采用同步电路模式，运用相应的芯片，基本实现了彩灯循环闪烁的功能。当多谐振荡器产生时序脉冲信号时，计数器被触发会产生顺序脉冲信号，彩灯的状态也会随着脉冲信号的改变而改变。

图13 电路仿真模拟图

8．总结

本次课程设计是彩灯循环控制电路的设计。我们按照老师提示和题目要求，运用555计时器构成多谐振荡器来产生脉冲信号,由计数器和译码器对产生顺序脉冲,最后来驱动LED,实现了彩灯的循环闪烁。

采用的方法简单易行，便于理解，成本较低。但我们也意识到方法太过单一，能实现的功能十分有限。其实，对于实现同一功能，我们会有不同的选择，本题设计时，彩灯与彩灯之间的显示时间间隔还可以通过改变信号的频率

来改变，当然，也可以采用分频器进行设计。简洁也就是我们所希望做到的设计风格。

在使用Multisim做仿真时，用555多谐振荡电路产生的脉冲信号太慢。开始一直以为是连线或者参数选择错误，检查验证了很多遍，后来通过上网查阅资料才知道Multisim10的传递函数普遍偏慢，无法产生预想的脉冲频率，故用电压脉冲方波信号代替。总电路图画好后还出现了很多问题，但是在不断的思考和改善电路后，终于得出预想的结果。在这过程中，我学到了如何利用Multisim等学习软件实现数字电路的设计仿真。

从电路图的设计、实现、仿真到实验报告，我们都有自己的努力，在这短短的几天内，从课本理论知识到实际的理解，从题目中的简单计算到设计运用中的精心推敲，我们把数电知识的学习上升了一个层次，真正赋予了这门课程实际意义与价值。我们充分认识到理论结合实际的重要性，在设计过程中，我们依然会遇到一些难题，这暴露了我们理论知识掌握不够全面的弱点。于是，遇到难题的时候，我们及时回归理论，向书本和网络求教，这种互为补充的过程帮助我们发现不足，完善自己的只是构架，体现了理论与实践并行的意义。希望这次设计实践是一次全新的开始，我们可以在此基础上提高创新意识，发散创新思维，在专业方面做得更好！

参考书目：

[1] 阎石，《数字电子技术基础》，北京，高等教育出版社，2004年

[2] 董玉冰，《Multisim 9在电工电子技术中的应用》，北京，清华大学出版社，2008年

[3] 许小军，《数字电子技术实验与课程设计指导》，南京，东南大学出版社，2007年

[4] 尤佳，《数字电子技术实验与课程设计》，北京，机械工业出版社，2014年

附录

思考题

1）在数字电路设计中，对单元电路性能进行了哪些分析，遇到了哪些问题？怎样解决的？

脉冲信号发生器：通过示波器进行输出信号的检测

问题1：分析由555计时器构成多谐振荡器的输出波形时，由于电阻和电容选择不当，导致生成的波形频率特别大，无法观察？

解决：查阅资料后发现频率与电容与电阻有关，后确定要产生频率为1Hz 的振荡脉冲，故选取C1=1μF， R1=442kΩ，R2=500kΩ，从而有效的解决了问题。

顺序脉冲发生器：用红色的逻辑探针来检验电路的正确与否

问题1：通过按键控制译码器只同时工作一个，控制译码器G1端的输入电压的大小来实现，开始没有找到合适的开关？

解决：为保证设计可以继续进行，用单刀单掷开关进行替代，最后在同学的帮助下，找到合适的按键SPST_NC_SB，只是电路得以呈现。

问题2：开始将16进制计数器转化为8进制计数器，使QC QB QA的状态从000到111变化，采用同步置数法完成了上述过程。

解决：在进行电路简化的过程中发现16进制计数器在技术的过程中，相当于QC QB QA的状态从000到111变化了两次，从而减少一个逻辑与非门的使用，达到了预期简化电路的目的。

问题3：由于本题要求LED的变化有两种形式，用一个按键来控制，在实现了一种变化后，对于如何实现按键控制陷入困境？

解决：由于当一个译码器的G1端不输入高电平时，其输出端经测试可知均输出高电平，由于是当输入LED为低电平的，它才会亮，故使两个译码器对应连接LED的输出端进行逻辑与运算，这样当一个为低电平时，另一个输出端的高电平对此无影响，从而问题得到解决。

彩灯循环系统：在接入500Ω的电阻后使用数字万用表测量LED的正向压降，得出此时LED正常发光

问题1：在开始探究LED何时会亮的时候，当接入电压后，仿真模拟出错？

解决：查阅资料发现是电压不对，需串联下拉电阻，后串联了500Ω的电阻后LED变亮。

2）在数字电路总体设计与调试中，有没有出现逻辑错误的情况？试分析可能出现的逻辑错误并研究解决方法。

错误1：在连接完整体电路的时候，运行时发现灯全部不亮。

解决：重新检查电路时，发现LED接反了，后经调整，完成了仿真模拟实验。

错误2：在运用红色的逻辑探针来检验电路的正确与否时，由于译码器输出端只有一个低电平，其余均为高电平，导致逻辑探针只有一个不亮，与预期结果恰恰相反？

解决：后注意到LED有共阴极与共阳极接法，考虑到只有一个输出低电平，因此采用共阳极接法，输入5V电压，当译码器输出低电平时，对应的LED 就会亮。

错误3：由于在使用Multisim10做仿真时，用555多谐振荡电路产生的脉冲信号太慢。误以为是存在逻辑问题。

解决：后看到其他同学也是如此，而且模拟画面右下角确实是秒，因此坚定了自己的判断，后再网上看到同样的疑惑，发现的软件本身的问题。

3）对所设计的数字电路，可增加哪些有用的功能，怎样实现。简述思路功能1：通过调节多谐振荡器的输出振荡频率，从而改变彩灯的亮灭频率，增加视觉冲击性。

思路：由于T=(R1+2R2)*C1*ln2，而f=1/T。通过改变电容与电阻的值才改变振荡频率，故可使用滑动变阻器，完成动态调节其频率。通过计数器，控制LED的发光时间间隔可以不相同。

功能2：用LED数码管作为显示元件，实现数字的显示。

思路：运用十进制计数器（74LS160）来实现。当输出从0000到1001时，对应不同的数字即可。

功能3：多个LED同时变亮。

思路：根据需要，增加译码器的数量，进行并行控制。改变连接LED的电压和串联电阻的大小，确保LED可以正常发光。

功能4：可以记录LED循环变亮的次数。

思路：增加一个计数器和数码管，显示此电路中计数器输出端RCO的数据变化，当其输出一个高电平，即译码器完成一次循环，此时LED整体循环了两次，通过计数器累加RCO的输出电平变化，通过数码管结合逻辑门电路加以显示，因此可以设计在数码管上显示出彩灯循环次数。

4）对所设计的数字电路功能，考虑能否用你所了解的其他方法实现，简述思路。

方法一：通过采用多功能双向移位寄存器，通过采用多功能双向移位寄存器来实现彩灯的左右移动，借助于两块芯片的级联，组成拥有8 输出的功能电路，可以有效的完成所有的任务。

方法二：可采用STC89C系列的单片机来实现。

方法二：用555计时器集成电路和CD4017，主要是采用计数器和译码器来实现 8 个彩灯逐个点亮的功能的，再通过一个反馈，来实现计数器的循环计数进而让彩灯循环点亮。而芯片 CD4017 正好是将两个芯片的功能集合到了一起，可以实现十进制循环计数。

5）对所用芯片性能参数加以分析，考虑对哪些参数可降低要求以减少成本。

本题采用74LS161 与74LS138，可换成CD4017，因为CD4017集合了计数器和译码器的逻辑功能。

通过调节构成多谐振荡器中的电阻和电容的大小,在确保频率为1Hz, 即

T=(R1+2R2)*C1*ln2=1s时，根据不同的价格，可以适当改变两者的大小关系，从而达到降低成本的要求。