1、課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱:脈沖數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目:LED猜盤游戲?qū)W院名稱：信當(dāng)息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：評(píng)分：教師：20 13年11月27日脈沖數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2018 2018學(xué)年 第二學(xué)期第12周13周題目1 LED猜盤游戲內(nèi)容及要求系統(tǒng)有10個(gè)LED組成輪盤，開始前，先猜測(cè)某個(gè) LED，然后 按下按鈕，LED高速旋轉(zhuǎn)，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最后 停在所猜測(cè)的LED燈上，則為贏。進(jìn)度安排1) 10月8至9日確定工程、方案，并設(shè)計(jì)出原理圖2) 10月10日進(jìn)行仿真調(diào)試，并將工作原理圖交由老師審批3) 10月11日領(lǐng)取元器件并開始焊接4) 10月1

2、4至15日進(jìn)行調(diào)試5) 10月17日上交作品學(xué)生姓名：指導(dǎo)時(shí)間 2018年10月11至15日指導(dǎo)地點(diǎn)：任務(wù)下達(dá)20 12年10月8日任務(wù)完成20 12年10月17日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作口4.其它指導(dǎo)教師系 部)主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份 備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存摘要轉(zhuǎn)盤游戲是一種特別有意思的游戲，它突出了事件的隨機(jī)性，人們根據(jù)這種不確定性事件的等可能發(fā)生性進(jìn)行猜測(cè)，然后通過轉(zhuǎn)盤開始旋轉(zhuǎn)直至停下， 來驗(yàn)證猜測(cè)是否準(zhǔn)確。近年來，由簡(jiǎn)單的猜盤逐漸發(fā)展到益智轉(zhuǎn)盤游戲、猜 獎(jiǎng)、老虎機(jī)等等不

3、同形式，廣受大家的喜愛。因此，本次課程設(shè)計(jì)采用數(shù)字 電路知識(shí)，利用時(shí)鐘振蕩脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并控制發(fā)光二極管的亮滅來簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 盤游戲的功能。本次設(shè)計(jì)中，采用兩片NE555芯片以及一片 CD4017脈沖分配器來完成設(shè)計(jì)要求。該方案利用NE555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器和多諧振蕩器，構(gòu)成時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路模塊，CD4017實(shí)現(xiàn)時(shí)序分配模塊，LED實(shí)現(xiàn)顯示模塊。時(shí)鐘 振蕩電路控制脈沖信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短和頻率，送入CD4017實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，出現(xiàn)的與時(shí)鐘同步的高電平控制LED的亮滅，在指定的時(shí)間范圍內(nèi)使高速旋轉(zhuǎn)的LED停止在某一盞燈上。關(guān)鍵詞：LED猜盤游戲，NE555,CD4017,時(shí)鐘振蕩脈沖，時(shí)序分配目

4、錄第一章設(shè)計(jì)的目的及要求1.1設(shè)計(jì)目的.求.1.21設(shè)計(jì)要求1第二、 章方案比較及確疋2.1設(shè)計(jì)要求分析. 22.2方案比較.22.2.1方案22.2.2方案- 42.2.3方案52.3方案確疋6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系 統(tǒng) 構(gòu)成73.1.1 時(shí) 鐘 脈 沖 發(fā) 生端 73.1.2 時(shí) 序 分 配端 73.1.3 顯 示端.83.2 工 作 原理83.3 參 數(shù) 計(jì)9第四章 器件選擇4.1NE555104.2CD4017134.3LED14第五章 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)調(diào)試155.1.1 仿真調(diào)試 155.1.2 實(shí)物調(diào)試 155.2 焊 接 及 結(jié) 果析 16結(jié)論 1

5、7參考獻(xiàn) 18附 19附20第一章 設(shè)計(jì)目的及要求1.1 設(shè)計(jì)目的(1) 學(xué)會(huì)并掌握脈沖數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基本方法(2)能運(yùn)用NE555計(jì)時(shí)器、CD4017脈沖分配器實(shí)現(xiàn)LED轉(zhuǎn)盤游戲的設(shè)計(jì)( 3)掌握焊接的基本要領(lǐng)1.2 設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)有 10個(gè) LED 組成輪盤，開始前，先猜測(cè)某個(gè) LE D ，然后按下按鈕， LED 高速旋轉(zhuǎn)，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最后停在所猜測(cè)的 LED 燈 上，則為贏。方案比較及確定第二2.1 設(shè)計(jì)要求分析1. 系統(tǒng)組成1）時(shí)鐘脈沖發(fā)生端2）時(shí)序分配端3）功能顯示端2. 系統(tǒng)框圖按下B鍵產(chǎn)生方波產(chǎn)生脈沖十單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器多諧振蕩器最后隨機(jī)停在的一盞LEDLED高速旋 轉(zhuǎn)

6、圖2.1系統(tǒng)框圖2.2方案比較眾所周知，要實(shí)現(xiàn)具有一定功能的電路，可以采取多種不同的方案。在眾 方案中，應(yīng)力求選擇一種最簡(jiǎn)單、實(shí)用、穩(wěn)定性好并且較為經(jīng)濟(jì)的方案。同理，實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)要求可以運(yùn)用很多種方法，本文僅列舉出其中三種進(jìn)行 比較，比較方案如下：2.2.1方案一本電路包括四部分：1. 單穩(wěn)態(tài)電路2. 多諧振蕩器3. 時(shí)序分配電路4. 顯示模塊第一部分采用CD4011與非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。如圖2.2.1.1所示）第二部分采用NE555構(gòu)成多諧振蕩器。第三部分采用CD4017實(shí)現(xiàn)脈沖分配。第四部分采用LED燈實(shí)現(xiàn)結(jié)果的顯示。0 3- L8V圖2.2.1.1由CD4011的兩個(gè)與非門構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電

7、路原理圖仿真圖如圖2.2.1.2所示：vccC1TI-0.SuFSV4 7LZD2LED3LE.D4AlVCCXSTDISOUTLEDLED7LED8圖 221.2R3-iOOkOtmL2Tq9876543210OOOOOOOOOQto方案一實(shí)現(xiàn)功能仿真圖SSS VZJTQaLT7.ICON2.2.2方案二本電路包括三部分:1. 單穩(wěn)態(tài)電路2. 多諧振蕩器3. 時(shí)序分配電路4. 顯示模塊第一部分采用NE555構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器。所示）第二部分采用由晶體管構(gòu)成的多諧振蕩器。如圖2.2.2.1第三部分采用CD4017實(shí)現(xiàn)脈沖分配。第四部分采用LED實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示。圖2.2.2.1晶體管構(gòu)成多諧振蕩器原理

8、圖仿真圖如圖2.2.2.2 所示ViceTT&ErtSVAlvccotrrDTSTRT3DKR7 h IOC衍 9Q76B4321O0 OOOOOS0OOuiLED?ILK 口曰LED1o3&X IetOE 1era1&TT4O17BP_5VKefey 2k2i01tOtLm5 015圖2.222方案二實(shí)現(xiàn)功能仿真圖223方案三本電路包括三部分:1. 單穩(wěn)態(tài)電路2. 多諧振蕩器3. 時(shí)序分配電路4. 顯示模塊第一部分采用NE555構(gòu)成單穩(wěn)觸發(fā)器。如圖2.2.3.1所示）第二部分采用NE555構(gòu)成的多諧振蕩器。第三部分采用CD4017實(shí)現(xiàn)脈沖分配。第四部分采用LED實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示fa)單穩(wěn)態(tài)顯發(fā)電

9、路(fc)工作波形a圖2.231由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路仿真圖如圖223.2所示Mt,圖2.2.3.2方案三實(shí)現(xiàn)功能仿真圖2.3方案確定可以看出，三種方案的脈沖分配端以及結(jié)果顯示端是一樣的，差別在于脈 沖發(fā)生端的設(shè)計(jì)。方案一電路采用 CD4011的兩個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)觸發(fā)器電路， 基本實(shí)現(xiàn)了讓LED燈高速旋轉(zhuǎn)直至停在某一盞燈上的功能，但是當(dāng)按下B鍵時(shí)，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)不穩(wěn)定，致使后面的電路無法有規(guī)律地變化，而是雜亂 無章的。同時(shí)該電路缺乏有效的時(shí)間控制，使后面LED燈的亮暗時(shí)間不固定。通過仿真可以知道，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)LED燈的旋轉(zhuǎn)，但是有時(shí)會(huì)停在兩盞燈上，所以不可靠。方案二中，采用兩個(gè)三極管實(shí)現(xiàn)

10、多諧振蕩，也能夠基本實(shí)現(xiàn)功能，但是其隨機(jī)性太強(qiáng)，不易控制時(shí)間，而且，三極管是怕熱元器件，與NE555插槽相比，其焊接技術(shù)要求更高。方案三中只用了兩個(gè)NE555即可構(gòu)成脈沖發(fā)生端，電路比較常見，使用廣泛，穩(wěn)定性及可控性都較強(qiáng)，其焊接要求 也比較低。可見，三種方案中方案三設(shè)計(jì)比較合理，且價(jià)格比較低廉，因此采 用方案三作為本次的原理設(shè)計(jì)方案用以實(shí)現(xiàn) LED轉(zhuǎn)盤游戲。第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成3.1.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生端用兩片NE555分別實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)觸發(fā)器和多諧振蕩器即可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘脈沖發(fā)生端。該部分是成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵所在。如圖 3.1.1 所示圖 3.1.13.1.2時(shí)序分配端TJ39

11、87 654-321000000000004017BP_5V圖 3.1.2圖3.1.2所示是用CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為十分頻來使用，實(shí)現(xiàn)脈沖分 配的功能。3.1.3顯示端由十個(gè)LED燈組成。十個(gè)LED燈依次接收由CD4017十分頻模塊輸入的脈沖 而依次閃亮，且在可控時(shí)間內(nèi)停在某盞燈上。模塊設(shè)計(jì)圖如圖3.1.3所示。LED2LED3OhfZD4LED5LEDCLZD7LED B A # LED10fLD11圖3.1.3結(jié)果顯示端3.2工作原理按照本次設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)的工作原理圖如圖3.2所示:1 1 tr?4 CH3* TIPUZ1-圖3.2工作原理圖系統(tǒng)包括三部分：1. 單穩(wěn)態(tài)電路：采用

12、NE555勾成單穩(wěn)觸發(fā)器。2. 多諧振蕩器：采用NE555構(gòu)成的多諧振蕩器555 在開關(guān)的啟動(dòng)下最后速度變慢，然后LED 燈以及電阻、電3. 時(shí)序分配電路：采用CD4017實(shí)現(xiàn)脈沖分配。4. 顯示模塊：采用LED實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示。系統(tǒng)電路如圖 3.2 所示，用 5V 直流穩(wěn)壓電源供電， 產(chǎn)生漸慢脈沖作用下驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED循環(huán)發(fā)光，循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)， 逐漸停止。3.3 參數(shù)計(jì)算1)計(jì)算單穩(wěn)觸發(fā)器周期的公式：Tw1.1RC當(dāng)調(diào)動(dòng)滑動(dòng)變阻器為 R仁50 kQ時(shí)，得Tw 1.1RC=1.1*50k Q 47uf=2.6s2)計(jì)算多諧振蕩器周期的公式：Tw 0.7*R3+2R4) *C3此處 R3= 4.7 k Q

13、 R4=100 k Q C3=100nfTw0.7* t2 ，T導(dǎo)通，C快速放電，電路又恢復(fù)到穩(wěn) 態(tài)。由分析可得：輸出正脈沖寬度tw = 1.1RC 。通過改變R、C的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒和幾十分鐘之間變化。2.NE555構(gòu)成多諧振蕩器其電路及波形圖如圖4.1.3所示.圖 4.1.3多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波 發(fā)生器。接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是 VCCR1 R2C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上

14、升到時(shí) TH端電平大于），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為 C-R2 T地，按指數(shù)規(guī)律下 降，當(dāng)下降到時(shí)CI n2輸出低電平時(shí)間T=R2CI n2振蕩周期 T=（R1+2R2CIn2輸出方波的占空比為：T R+冬4.2 CD4017CD4017:十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器。其內(nèi)部電路如圖421所示。CD4017是5位Johnson計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端，CP、CRINH輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈 沖上升和下降時(shí)間無限制。INH為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反 之，計(jì)數(shù)功能無效。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。Johnson計(jì)數(shù)器，

15、提供了快速操作、2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的 計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在 每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期CO信號(hào)完成一次進(jìn)位，并用作多級(jí)計(jì)數(shù)鏈的下級(jí)脈 動(dòng)時(shí)鐘。如圖422 。該模塊構(gòu)成分頻電路。CD4017其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由 譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是00 01、02、09依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。CD4017的管腳圖如圖4.2.3所示。CO進(jìn)位脈沖輸出；CP:時(shí)鐘輸入端；CR清除端；INH:禁止端Q0-Q9計(jì)數(shù)脈沖輸出端； VDD正電源；VSS地輸出高電平的順序分別是、）、（11

16、）腳， 這10個(gè)管腳依次產(chǎn)生高電平。AwuuCAUHImuUU7,圖421 CD4017 內(nèi)部電路輸入輸出CPINHCRQ-QgCOXXHQo計(jì)數(shù)脈沖 為Qo池 時(shí)匕CO=HtLL計(jì)數(shù)HLLXL保持計(jì)數(shù)脈沖 対Q廣偽 時(shí)：CO=LXHLJXLXtL圖422CD4017BQ5Q1QQQ2Q6Q7Q3_J167153144135126117E109CRCPINHCOQ9Q4Q8DECODE BJTTUT 5 decode ojipur r 丄 nCODED OUTfUT B -X oecoced tirmiT ur DapiD ojrpuT i E DfCObED OUTPin T ECOHED

17、3UTPI1I T 丄K_1$v0CRESTCLOCKCLOCK QMlLtdecoded oinwr p”HCODED OUTPUTECCDEO OUFUT ICM017IT. I圖423 CD4017 管腳圖4.3 LED發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可 以直接把電轉(zhuǎn)化為光丄ED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著 在一個(gè)支架上，是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝 起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起 來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“ P-N

18、結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶 片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光 子的形式發(fā)出能量，這就是 LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)決定光的顏色，是 由形成P-N結(jié)材料決定的。該模塊接受出自整個(gè)電路產(chǎn)生的高電平，由于是分頻器CD401產(chǎn)生的高電平，所以10個(gè)發(fā)光二極管依次接受來自它產(chǎn)生的高電平，逐一閃亮并循環(huán)。但 發(fā)光二極管亮度和閃光速度受到前面電路中電阻和電容的影響，可以自由調(diào) 節(jié)。第五章系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析5.1系統(tǒng)調(diào)試5.1.1仿真調(diào)試按照工作原理圖，用 Multisim進(jìn)行仿真調(diào)試，仿真圖如圖5.1所示:圖5.1.1 仿真圖用Multisim仿真軟件運(yùn)行圖5

19、.1.1所示的原理圖，閉合開關(guān)，LED燈將依 次亮起來，并最終停下。調(diào)試時(shí)，根據(jù)現(xiàn)象適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)。5.1.2實(shí)物調(diào)試1）儀器示波器、直流穩(wěn)壓電源、萬用表2）調(diào)試方法將電路板接上5V電源之后測(cè)試555芯片能否正常工作。將第一片555芯片的輸出端接在示波器上，觀察示波器波形若出現(xiàn)不穩(wěn)定的 脈沖，說明單穩(wěn)態(tài)電路工作正常；若不是，則說明單穩(wěn)態(tài)電路不正常工作。將第二片555芯片的輸出端接在示波器上，觀察示波器波形若出現(xiàn)方波波形，說明多諧振蕩電路工作正常；若不是，則說明多諧振蕩電路不正常工作。3）調(diào)試現(xiàn)象將連接好的555定時(shí)器的輸出端接在示波器上，呈現(xiàn)如圖5.1.2所示符合要求的方波。圖5.1.2 555

20、定時(shí)器輸出波形說明兩片555芯片工作正常。LED燈輪流亮燈，說明CD4017正常工作。5.2焊接及結(jié)果分析焊接：1）焊接前設(shè)計(jì)好各個(gè)元器件在電路板上的位置，即排版，并畫好排版草圖。領(lǐng)元 器件，并檢查所需各元器件是否齊全。2）焊接是很重要的一步，它直接決定設(shè)計(jì)的成敗。所以，焊接時(shí)須格外小 心。按照草圖上面設(shè)計(jì)的排版，將各個(gè)元件及管腳焊在電路板上，焊接時(shí)應(yīng) 注意方法，避免虛焊。3）檢查電路，看其連接是否與工作原理圖一致。若不一致，則加以修正； 若一致，則可將電路的正負(fù)極接 5V直流穩(wěn)壓電源。結(jié)果分析：1）調(diào)試過程中只出現(xiàn)一盞燈亮，并未達(dá)到燈輪流高速旋轉(zhuǎn)的目的，經(jīng)萬 用表蜂鳴檔檢查斷路和短路現(xiàn)象，均

21、正常，將13管腳所接電容斷路，LED燈開始旋轉(zhuǎn)，說明CD4017的13管腳需要直接接到地。2）將所有器件安裝、焊接及用導(dǎo)線連接好后，接通電源，只有電路板上 其中的一個(gè)定義為指示燈的LED燈能亮，其它燈沒有反映，故不能實(shí)現(xiàn)功 能,經(jīng)過仔細(xì)檢查，所有線路沒有錯(cuò)誤，但是CD4017芯片沒有接電源，導(dǎo)致芯片CD4017不能正常工作。3）單穩(wěn)態(tài)電路的電阻阻值調(diào)的不恰當(dāng)使燈旋轉(zhuǎn)的時(shí)間很短，致使LED燈的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)很少，調(diào)整滑動(dòng)變阻器阻值使時(shí)間值達(dá)到一個(gè)合適值，效果還比 較滿意。結(jié)論 通過本次的課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多的東西。在上個(gè)學(xué)期的脈沖數(shù)字電路課 程中，對(duì)知識(shí)的把握不是很好。因此，選擇課程設(shè)計(jì)題目的時(shí)候，有

22、點(diǎn)犯難， 感覺每個(gè)題目都沒多大把握。當(dāng)看到“ LED轉(zhuǎn)盤游戲”這個(gè)標(biāo)題時(shí)，一股新奇 感促使了這個(gè)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。選定題目后，接下來的工作讓人感覺壓力很大。雖 然網(wǎng)上以及書籍中，都有與本設(shè)計(jì)有關(guān)的內(nèi)容，但這卻無形中增加了許多諸如 篩選信息等方面的困難。終于，選定方案以后，接下來的工作就相對(duì)來說比較 容易了。但是由于平常對(duì) Multisim 軟件不夠熟悉，以至于本次仿真時(shí)，由于操 作不熟練等各方面問題，花了大量的時(shí)間。同時(shí)，增長(zhǎng)了許多的知識(shí)。雖然以前也用過 NE555芯片，但是從來不曾了 解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各個(gè)管腳的功能。在這次的課程設(shè)計(jì)中，不僅更加了解了 NE555還對(duì)CD4017芯片有了一定的認(rèn)識(shí)。相信以后再用到此類芯片時(shí)，會(huì)更 加的得心應(yīng)手。此外，在焊接方面，也樹立起了信心。曾經(jīng)的幾次失敗，造就了對(duì)焊接的 排斥感。雖然，在本次焊電路板時(shí)，也