1、 課程設計說明書課程設計名稱： 脈沖數字電路課程設計 課程設計題目： LED猜盤游戲 學 院 名 稱： 信息工程學院 專業： 電子信息工程 班級： 學號： 姓名： 評分： 教師： 20 13 年 11 月 27 日 脈沖數字電路課程設計任務書20 13 20 14 學年 第 一 學期第 12 周 13周 題目LED猜盤游戲內容及要求系統有10個LED組成輪盤，開始前，先猜測某個LED，然后按下按鈕，LED高速旋轉，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最后停在所猜測的LED燈上，則為贏。進度安排1） 10月8至9日確定項目、方案，并設計出原理圖2） 10月10日進行仿真調試，并將工作原理圖交由老師審批

2、3） 10月 11日領取元器件并開始焊接4） 10月14至15日進行調試5） 10月17日上交作品學生姓名： 指導時間 2012年10月11至15日指導地點： 任務下達20 12 年 10 月 8 日任務完成20 12 年 10 月 17 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結束后與“課程設計小結”、“學生成績單”一并交院教務存檔。摘 要轉盤游戲是一種特別有意思的游戲，它突出了事件的隨機性，人們根據這種不確定性事件的等可能發生性進行猜測,然后通過轉盤開始旋轉直至停下，來驗

3、證猜測是否準確。近年來，由簡單的猜盤逐漸發展到益智轉盤游戲、猜獎、老虎機等等不同形式，廣受大家的喜愛。因此，本次課程設計采用數字電路知識，利用時鐘振蕩脈沖進行計數并控制發光二極管的亮滅來簡單實現轉盤游戲的功能。本次設計中，采用兩片NE555芯片以及一片CD4017脈沖分配器來完成設計要求。該方案利用NE555定時器構成單穩觸發器和多諧振蕩器，構成時鐘脈沖發生電路模塊，CD4017實現時序分配模塊，LED實現顯示模塊。時鐘振蕩電路控制脈沖信號的時間長短和頻率，送入CD4017實現對脈沖信號的分配，出現的與時鐘同步的高電平控制LED的亮滅，在指定的時間范圍內使高速旋轉的LED停止在某一盞燈上。關鍵

4、詞：LED猜盤游戲，NE555,CD4017，時鐘振蕩脈沖，時序分配目 錄第一章 設計的目的及要求1.1設計目的········································11.2

5、 設計要求········································1第二章 方案比較及確定2.1 設計要求分析·····

6、83;······························22.2 方案比較··················

7、······················22.2.1 方案一··························&#

8、183;········22.2.2 方案二···································42.2.3 方案三···

9、································52.3 方案確定················

10、83;·······················6第三章 系統組成及工作原理3.1系統構成·······················

11、·················73.1.1時鐘脈沖發生端····························73.1.2 時序分配端·

12、;·······························73.1.3 顯示端·················&

13、#183;··················83.2 工作原理·····························

14、3;··········83.3 參數計算······································&

15、#183;·9第四章 器件選擇4.1 NE555···········································104.2 CD4017&

16、#183;·········································134.3 LED······

17、3;······································14第五章 系統調試及測試結果分析5.1 系統調試·······

18、83;································15 5.1.1 仿真調試···············&#

19、183;··················15 5.1.2 實物調試·····························&

20、#183;····155.2 焊接及結果分析··································16結論········&#

21、183;···········································17參考文獻·····&#

22、183;··········································18附錄一······

23、83;···········································19附錄二·····

24、3;············································20第一章 設計目的及要求1.1 設計目的（1） 學會并掌握脈沖數字

25、電路設計的基本方法（2） 能運用NE555計時器、CD4017脈沖分配器實現LED轉盤游戲的設計 （3） 掌握焊接的基本要領1.2 設計要求系統有10個LED組成輪盤，開始前，先猜測某個LED，然后按下按鈕，LED高速旋轉，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最后停在所猜測的LED燈上，則為贏。第二章 方案比較及確定2.1 設計要求分析 1. 系統組成1）時鐘脈沖發生端2）時序分配端3）功能顯示端 2. 系統框圖多諧振蕩器單穩態觸發器產生脈沖產生方波按下B鍵LED高速旋轉最后隨機停在的一盞LED 圖2.1 系統框圖2.2方案比較眾所周知，要實現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，

26、應力求選擇一種最簡單、實用、穩定性好并且較為經濟的方案。同理，實現該設計要求可以運用很多種方法，本文僅列舉出其中三種進行比較，比較方案如下：2.2.1方案一本電路包括四部分：1.單穩態電路2.多諧振蕩器3.時序分配電路4.顯示模塊 第一部分采用CD4011與非門構成的單穩態電路。（如圖2.2.1.1所示） 第二部分采用NE555構成多諧振蕩器。 第三部分采用CD4017實現脈沖分配。 第四部分采用LED燈實現結果的顯示。圖2.2.1.1 由CD4011的兩個與非門構成的單穩態電路原理圖仿真圖如圖2.2.1.2所示：圖2.2.1.2 方案一實現功能仿真圖2.2.2方案二本電路包括三部分：1.單穩

27、態電路2.多諧振蕩器3.時序分配電路4.顯示模塊第一部分采用NE555構成單穩觸發器。第二部分采用由晶體管構成的多諧振蕩器。（如圖2.2.2.1所示）第三部分采用CD4017實現脈沖分配。第四部分采用LED實現結果顯示。 圖2.2.2.1 晶體管構成多諧振蕩器原理圖 仿真圖如圖2.2.2.2所示 圖2.2.2.2 方案二實現功能仿真圖2.2.3方案三本電路包括三部分：1.單穩態電路2.多諧振蕩器3.時序分配電路4.顯示模塊第一部分采用NE555構成單穩觸發器。（如圖2.2.3.1所示）第二部分采用NE555構成的多諧振蕩器。第三部分采用CD4017實現脈沖分配。第四部分采用LED實現結果顯示。

28、圖2.2.3.1 由555構成的單穩態電路仿真圖如圖2.2.3.2所示圖2.2.3.2 方案三實現功能仿真圖2.3 方案確定可以看出，三種方案的脈沖分配端以及結果顯示端是一樣的，差別在于脈沖發生端的設計。方案一電路采用CD4011的兩個與非門實現單穩觸發器電路，基本實現了讓LED燈高速旋轉直至停在某一盞燈上的功能，但是當按下B鍵時，所產生的脈沖信號不穩定，致使后面的電路無法有規律地變化，而是雜亂無章的。同時該電路缺乏有效的時間控制，使后面LED燈的亮暗時間不固定。通過仿真可以知道，該電路能夠實現LED燈的旋轉，但是有時會停在兩盞燈上，所以不可靠。方案二中，采用兩個三極管實現多諧振蕩，也能夠基本

29、實現功能，但是其隨機性太強，不易控制時間，而且，三極管是怕熱元器件，與NE555插槽相比，其焊接技術要求更高。方案三中只用了兩個NE555即可構成脈沖發生端，電路比較常見，使用廣泛，穩定性及可控性都較強，其焊接要求也比較低?？梢?，三種方案中方案三設計比較合理，且價格比較低廉，因此采用方案三作為本次的原理設計方案用以實現LED轉盤游戲。第三章 系統組成及工作原理3.1 系統組成3.1.1 時鐘脈沖發生端用兩片NE555分別實現單穩觸發器和多諧振蕩器即可實現時鐘脈沖發生端。該部分是成功實現設計要求的關鍵所在。如圖3.1.1所示。 圖3.1.13.1.2 時序分配端圖3.1.2 圖3.1.2所示是用

30、CD4017十進制計數器，作為十分頻來使用，實現脈沖分配的功能。 3.1.3 顯示端由十個LED燈組成。十個LED燈依次接收由CD4017十分頻模塊輸入的脈沖而依次閃亮，且在可控時間內停在某盞燈上。模塊設計圖如圖3.1.3所示。圖3.1.3 結果顯示端3.2 工作原理按照本次設計的要求，設計的工作原理圖如圖3.2所示： 圖3.2 工作原理圖系統包括三部分：1.單穩態電路： 采用NE555構成單穩觸發器。2.多諧振蕩器：采用NE555構成的多諧振蕩器。3.時序分配電路：采用CD4017實現脈沖分配。4.顯示模塊：采用LED實現結果顯示。系統電路如圖3.2所示，用5V直流穩壓電源供電，555在開關

31、的啟動下產生漸慢脈沖作用下驅動10個LED循環發光，循環轉動，最后速度變慢，然后逐漸停止。3.3 參數計算（1）計算單穩觸發器周期的公式： Tw1.1RC 當調動滑動變阻器為R1=50 k時，得 Tw1.1RC=1.1*50k47uf=2.6s （2）計算多諧振蕩器周期的公式： Tw0.7*（R3+2R4）*C3 此處 R3= 4.7 k R4=100 k C3=100nfTw0.7*（4.7 k+2*100 k）*100nf=0.014s第四章 器件選擇本次設計中，運用到了NE555芯片，CD4017芯片、LED燈以及電阻、電容、導線若干。4.1 NE5551. NE555簡介555定時器是

32、一種模擬-數字混合式集成定時器，555 定時器成本低，性能可靠，外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路，在工業控制等方面也有很廣泛的應用。它的內部結構圖以及管腳圖如圖4.1.1所示。 圖4.1.1 NE555內部結構圖以及管腳圖它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電

33、壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發器置 0，使輸出為 0 電平。 NE555的各個引腳功能如下： 1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。 8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5V 至16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3V至18V，一般用5V。 3腳：輸出端Vo。 2腳：

34、低觸發端。 6腳：TH高觸發端。 4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。 5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。 7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。 2. NE555的應用1.NE555構成單穩觸發器（如圖4.1.2所示）圖4.1.2單穩態觸發器只有一個穩態狀態。在未加觸發信號之前，觸發器處于穩定狀態，經觸發后，觸發器由穩定狀態翻轉為暫穩狀態，暫穩狀態保持一段時間后，又會自動翻轉回原來

35、的穩定狀態。單穩態觸發器一般用于延時和脈沖整形電路。接通電源后,未加負脈沖,而C充電,Vc上升，當Vc上升到2/3Vcc時，電路 輸出為低電平，放電管T導通，C快速放電，使Vc = 0。這樣，在加負脈沖前， 為低電平，Vo = 0，這是電路的穩態。在t = t0時刻負跳變，而Vc = 0，所以輸出翻為高電平，T截止，C充電。 按指數規律上升。t = t1時， 負脈沖消失。t = t2時，上升到2/3Vcc，又自動翻為低電平。在這段時間電路處于暫穩態。t > t2，T導通，C快速放電，電路又恢復到穩態。由分析可得：輸出正脈沖寬度 tw = 1.1RC。通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾

36、個微秒和幾十分鐘之間變化。2.NE555構成多諧振蕩器 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態觸發器，它沒有穩定的輸出狀態，只有兩個暫穩態。在電路處于某一暫穩態后，經過一段時間可以自行觸發翻轉到另一暫穩態。兩個暫穩態自行相互轉換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發生器。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VCCR1R2C地，按指數規律上升，當上升到時（TH、端電平大于），輸出翻轉為低電平。是低電平，T導通，C放電，放電回路為CR2T地，按指數規律下降，當下降到時（TH、端電平小于），輸出翻轉為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此

37、周而復始，產生振蕩，經分析可得 輸出高電平時間 T=(R1+R2)Cln2 輸出低電平時間T=R2Cln2 振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln2 輸出方波的占空比為 ： 4.2 CD4017CD4017：十進制計數器/脈沖分配器。其內部電路如圖4.2.1所示。 CD4017 是5 位Johnson 計數器，具有10 個譯碼輸出端，CP、CR、INH 輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH 為低電平時，計數器在時鐘上升沿計數；反之，計數功能無效。CR 為高電平時，計數器清零。Johnson 計數器，提供了快速操作、2 輸入譯碼選通和無毛刺譯

38、碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘周期內保持高電平。在每10 個時鐘輸入周期CO 信號完成一次進位，并用作多級計數鏈的下級脈動時鐘。如圖4.2.2。該模塊構成分頻電路。CD4017，其內部由計數器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實現對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是O0、O1、O2、O9依次出現與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。CD4017的管腳圖如圖4.2.3所示。CO：進位脈沖輸出；CP：時鐘輸入端；CR：清除端 ；INH：禁止端 Q0-Q9 計數脈沖輸出端；VDD：正電源；VSS：地 輸出高電平的順序分別是、腳，這10個管腳依次產生高電平。圖

39、4.2.1 CD4017內部電路 圖4.2.2 圖4.2.3 CD4017管腳圖4.3 LED發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光. LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著 在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理

40、。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。 該模塊接受出自整個電路產生的高電平，由于是分頻器CD4017產生的高電平，所以10個發光二極管依次接受來自它產生的高電平，逐一閃亮并循環。但發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，可以自由調節。第五章 系統調試及測試結果分析5.1 系統調試 5.1.1 仿真調試按照工作原理圖，用Multisim進行仿真調試,仿真圖如圖5.1所示： 圖5.1.1 仿真圖用Multisim仿真軟件運行圖5.1.1所示的原理圖，閉合開關，LED燈將依次亮起來，并最終停下。調試時，根據現象適當調節參數。5.1.2 實物調試（1）儀器示波器、直流穩

41、壓電源、萬用表（2）調試方法 將電路板接上5V電源之后測試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不穩定的脈沖，說明單穩態電路工作正常；若不是，則說明單穩態電路不正常工作。 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）調試現象將連接好的555定時器的輸出端接在示波器上，呈現如圖5.1.2所示符合要求的方波。圖5.1.2 555定時器輸出波形 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 焊接及結果分析 焊接：（1）焊接前設計好各個元器件在電路板上的位置，即排版，并畫好排版草圖。領元器件，并檢查所需各元器件是否齊全。（2）焊接是很重要的一步，它直接決定設計的成敗。所以，焊接時須格外小心。按照草圖上面設計的排版，將各個元件及管腳焊在電路板上，焊接時應注意方法，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，則可將電路的正負極接5V直流穩壓電源。結果分析：（1）調試過程中只