华北电力大学数电彩灯设计

课程设计(综合实验)报告

( 20 -- 20 年度第学期)

名称：电力电子综合实验

题目：移位寄存器型彩灯控制器

院系：电气与电子工程学院

班级：电气1108

学号：1111170923

学生姓名：王方雨

指导教师：刘向军

设计周数：1周

成绩：

日期：2013 年 1 月15 日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求

1.目的

1.1综合实验是教学中必不可少的重要环节，通过综合实验巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。

1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内容、步骤和方法。

1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。

1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。

2.要求

2.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。

2.2根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研综合实验中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。

2.3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。

2.4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。

2.5学会撰写综合实验总结报告。

2.6通过综合实验，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。

2.7在综合实验过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。

二、设计（实验）正文

1 设计任务及要求

1)要求采用移位寄存器设计一个彩灯控制器。三种变换花型：

I. 花型1：8路彩灯从左至右顺次渐亮，全亮后逆序渐灭；循环两次。

Ii. 花型2：8路彩灯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，循环两次

Iii. 花型3：8路彩灯分两半，从左至右顺次渐亮，全亮后则灭

循环三次。

2）三种花型先以慢节拍显示一遍，再以快节拍显示一遍

2 总体方案设计

2.1 概要

本实验一共有快慢两个节拍和128个状态，8个彩灯，分为两组，可以用两个

74X194寄存器来控制。用二进制分频器和数据选择器控制快慢节拍的选取，用两个74x163数据选择器构成分频电路和门电路来控制两片194移位寄存器电路，从而控制8个彩灯的运行。

2.2 原理框图

彩灯控制器以某种节拍按一定规律改变彩灯的输入电平值，控制彩灯的亮与灭，按预定规律显示一定的花型。因此彩灯控制器需要一个能够按一定规律输出不同高低电平编码信号的编码发生器，同时还需要编发生器所要求的时序信号和控制信号。由于实际应用场合所带彩灯可能是功率较大的白炽灯或其它，因此还需要一定的驱动电路，实验中因采用发光二极管或指示灯，故可省略驱动电路。

3.1 节拍控制电路

三种花型循环一次需要的节拍数16*2+8*2+5*3=63个，再加上清“0”一64拍。三种花型若先以慢节拍显示一遍，再以快节拍显示一遍，这样构成一次大循环共需128节拍。以两片163集成电路可以很好地解决这个问题，具体的分频电路见图一。

CPL （慢）的1-32节拍显示花型1，其中1-8节拍移位寄存器右移8位，9-16节拍移位寄存器左移8位，17-32节拍重复1-16节拍内容。

CPL （慢）的33-48节拍显示花型2，其中33-40节拍移位寄存器1左移，移位寄存器2右移，41-48节拍重复33-40节拍内容。

CPL （慢）的49-63节拍显示花型3，其中49-53节拍2个移位寄存器右移，54-58、59-63节拍重复49-53节拍内容。

CPL （慢）的64节拍总清“0”。CPH （快）的64节拍与慢节拍显示相同。

因此，节拍控制电路需要产生8、16、32、64、128拍的节拍控制信号。节拍控制信号电路图如下：

图一

这部分电路可以封装成一个子电路并命名为SIGNAL ，集成器件如图二所示：

X3

SIGNAL

CP CP4CP5CP6CP1CP2CP3

X 1

194one CP4CP5CP6QA QE

S 1S L1S R1S 0

X 2

194two CP4CP6QD QH

S 1S 0S R2S L2

X 12

qingling

CP6QE QH

GROUND

CP5CP1CP2CP3CP4

clear

图二 图三 图四 图五 3.2 快慢节拍控制

脉冲源使用元件库中的脉冲源。CP7=0时，移位脉冲CP 为慢节拍CPL ；CP7=1时，CP 为快节拍CPH 。所以能够 选择快慢节拍的移位脉冲CP 的表达式为 CP7的周期为128节拍。各工作方式控制信号基本上是按 CP6（周期为64拍）的状态来区分的。 节拍控制信号时序图 如下：

得CP 信号表达式为：

3.3 编码发生器

使用两片用四位双向集成移位寄存器74X194作为控制信号的设计，分别记为寄存器1，寄存器2，输出分别接八个彩灯，记为状态QA 、QB 、QC 、QD 、QE 、QF 、QG 、QH ，1表示亮灯，0表示灭灯 ：

移位寄存器74X194的功能表如下

根据移位寄存器194的功能表和CP4,CP5,CP6的波形图可得两片194的S1与S0表达式，作如下分析： 花型1的时段可用CP6’，表示；花型2的时段用CP6CP5’，表示；花型3的时段用CP6CP5表示：

1) 寄存器1

在花型1的时间段内，CP4为1时左移（即S1=1），所以S1的信号波形应与CP4相同；在花型2的时段内，S1=1；在花型3的时段内S1=0。可得在整个时间段内，S1的表达式为：

2) 寄存器2

花型1的时间段内情况与寄存器1相同；花型2和花型3的时间段内均为右移，S1=0。可得

S1的表达式为：

彩灯一次循环的状态真值表

H

L CP CP CP CP CP

77+=,

CP CP CP CP S S 465601+==,

CP CP S S 4

601==

A

E Q CP Q CP SL 661+=

现以SL1为例，分析如下：

SL1只有在寄存器1为左移的状态下有效，因此只考虑左移情况下SL1的取值。花型1的一个循环过程中，寄存器1在9—16拍为左移，且9—12拍为左移1，13-16拍为左移0。即SL 在花型1的一个循环中9-12拍为1，13—16拍为0。观察9—12拍寄存器输出的上一个状态（8—11拍），和13-16拍寄存器输出的上一个状态（12-15拍），可以看到8—11拍QE 都为1，12—15拍QE 都为0，因此，当灯在花型1的时间段内，SL1=EQ 。同理，可得灯在花型2、花型3的时间段内SL1=AQ 。综上所述，SL1的表达式即为：

SR1、SL2、SR2的分析过程和SL1的相似，可以得到：

H

D Q CP Q CP SR SL SR 662210

1+===

3.4 清零电路

1) 花型1和花型2自动循环，寄存器无需做清零处理，花型3每5拍清零一次，即状态为11111111 时的下一拍要清零。由于寄存器为异步清零，因此要拿状态11111111的下一个状态来清零。此时寄存器处在右移状态，SR1=1，SR2=CP6’*QD+CP6*QH=0，即寄存器1为

右移1寄存器2为右移0，得11111111的下一个状态为11110111。寄存器低电位清零，观察真值表可得花型3清零表达式为

CLR1’=CP6*CP5*QH*QE’

2）三种花型运行一遍清零。即在每64拍时寄存器做清零处理，此时计数器CP6~CP1的状态为1111111：

CLR2’=CP6*CP5*CP4*CP3*CP2*CP1

另外，CP6的微分也可实现该功能

3)系统总清零。设系统的清零信号为CLR3，1为对地支路开关断开，0为开关合上。只要上述三种情况出现一种，寄存器就要清零，因此去往寄存器的清零信号CLR的表达式：

CLR=CLR1*CLR2P*CLR3

总清零电路图为：

图六

其封装电路为图五所示。

一号寄存器

二号寄存器

主电路

4.总结与结论

本次实验利用了1个脉冲源，8个JK触发器，2个74X194寄存器仿真了由8个彩灯组成的彩灯花式变换系统。这个课题贴近生活富有趣味，不仅检验了我们的学习成果同时也锻炼了我们应用软件的能力。通过这次试验，让我对数电知识有了更进一步的认识，学会了如何利用书本中的知识解决现实生活中的问题。同时，本次综合实验综合考察了组合逻辑电路、移位寄存器、时序逻辑电路的应用设计，让我了解了分析问题时的方法和如何对一个综合电路的设计步骤。在进行仿真运行过程中也出现了不少问题和错误，经过仔细检查和认真思考后一步步完善更正设计。最终得到比较满意的结果，对Multisim这个软件的使用也更加熟悉和了解。这让我明白想想简单的东西必须要经过实践才能知道是否真正完全掌握了，必须要经过从动脑到动手再到动脑的整个过程

5、参考文献

[1] 李月乔数字电子技术基础. 中国电力出版社, 2008

[2] 董宏伟. 数字电子技术实验指导书.中国电力出版社.2001.1

附录（设计流程图、程序、表格、数据等）

《电子技术》综合实验

任务书

一、目的与要求

1.目的

1.1综合实验是教学中必不可少的重要环节，通过综合实验巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。

1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内容、步骤和方法。

1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。

1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。

2.要求

2.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践

技能独立完成一个设计课题。

2.2根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研综合实验中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。

2.3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。

2.4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。

2.5学会撰写综合实验总结报告。

2.6通过综合实验，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。

2.7在综合实验过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。

二、主要内容

共有8个既有学习价值又有一定的实用性和趣味性的设计课题，学生根据自身情况自由选择其中之一。

1.移位寄存器型彩灯控制器

2.智力竞赛抢答器

3.电子拔河游戏机

4.交通信号灯控制器

5.数字电子钟

6.电子密码锁

7.电子秒表

8.数字电子钟（硬件）

三、进度计划

四、设计（实验）成果要求

1.学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案；然后对方案中单元电路进行选择和设计计算；最后画出总体电路图。

2.预设计经指导教师审查通过后，学生即可向实验室领取所需元器件等材料，在面包板上组装、调试电路，使之达到设计指标要求。

3.在Multisim软件平台上学生可直接设计、仿真和实现，直至达到设计要求。

五、考核方式

综合以下指标评定综合实验总成绩：优、良、中、及格和不及格。

1.设计方案的正确性与合理性；

2.实验动手能力(安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力以及创新精神等)；

3.总结报告；

4.答辩情况(课题的论述和回答问题的情况)；

5.设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神。

学生姓名：

指导教师：

年月日