圣诞树的设计与制作.doc

1、1目 录1、设计任务及要求-12、总体框图-13、选择器件-24、功能模块-115、总体电路图设计-166、硬件实验-177、课设心得-182圣诞树的设计与制作一、 设计任务与要求圣诞树一共有七层彩灯控制电路组成。顶层用一个五角星红色闪光灯构成；第一层由 CD4017 和 LM555 构成一个双闪或三闪式信号闪光电路；第二层有 8个不同颜色的彩灯组成的控制电路，控制要求彩灯依次由暗变亮，又变暗不断重复闪烁发光；第三层由两组不同颜色的彩灯构成，形成红灯闪烁完毕绿灯接着闪烁，然后停 3s 到 5s 后红灯再次闪烁，然后绿灯再次闪烁，从而形成一个周期闪烁的彩灯控制电路；第四层由一只双四位串入/ 并出

2、移位存储器 CD4015组成形成光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果；第五层在第四层的基础上对电路结构进行适当的变化形成一亮一暗交替闪烁发光电路；第六层双色花样流动灯，通过输出端与发光二极管的交叉连接在时钟脉冲的作用下两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。任务完成后，总体效果就是各层设计的彩灯电路在各自控制的电路下形成交替动感闪烁发光效果。二、总体框图 圣诞树的设计与制作红色闪光灯电路双闪式信号闪光灯电路循环闪烁灯电路移动发光式闪光灯电路 交替发光式闪光灯电路 双色花样流动闪光灯电路 周期闪烁的闪光灯电路图（1）圣诞树的设计与制作的总体框图在闪光灯电路中，我决定用二进制计

3、数器 74LS293。利用它的二进制功能，从而实现 LED 闪光灯电路。在双闪电路中，题目要求用 LM555 和 CD4017 组成一个双闪电路，但 CD4017 的芯片我们不是很熟悉，所以我决定利用十进制计数器74LS160 构成三进制计数器来实现双闪电路。在循环闪烁灯电路中，我打算将同步 4 位二进制加/减计数器 74LS193 的输出接到 3-8 译码器的输入端，再用四个与非门共同组成一个循环闪烁的闪光灯电路。在移动发光式闪烁灯电路中，我用两只双四位串入/并出移位寄存器 4015BD 组成 LED 灯光移动闪烁电路，在3脉冲的作用下，移位寄存器的输出端依次输出驱动脉冲，通过驱动二极管的发

4、光，形成光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果。交替发光式 LED 闪光灯电路是在移动闪烁电路的基础上改变的，即改变输入数据。在双色花样流动闪光灯电路中，我用了两个 4017BD 芯片，通过输出端与发光二极管的交叉连接，在时钟脉冲的作用下两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。在周期闪烁的闪光的电路中，我仍用十进制计数器 74LS 160 实现了红灯绿灯的循环闪烁，但不知道如何实现 3-5S 的停顿三、选择器件1.CD4017CD4017 是 5 位 Johnson 计 数 器 ， 具 有 10 个 译 码 输 出 端 ， CP、 CR、 INH 输 入 端 。时 钟 输 入

5、 端 的 斯 密 特 触 发 器 具 有 脉 冲 整 形 功 能 ， 对 输 入 时 钟 脉 冲 上 升 和 下 降 时 间 无限 制 。 INH 为 低 电 平 时 ， 计 数 器 在 时 钟 上 升 沿 计 数 ； 反 之 ， 计 数 功 能 无 效 。CR 为 高 电平 时 ， 计 数 器 清 零 。 Johnson 计 数 器 ， 提 供 了 快 速 操 作 、 2 输 入 译 码 选 通 和 无 毛 刺 译码 输 出 。 防 锁 选 通 ， 保 证 了 正 确 的 计 数 顺 序 。 译 码 输 出 一 般 为 低 电 平 ， 只 有 在 对 应时 钟 周 期 内 保 持 高 电 平

6、 。 在 每 10 个 时 钟 输 入 周 期 CO 信 号 完 成 一 次 进 位 ， 并 用 作 多级 计 数 链 的 下 级 脉 动 时 钟 。 CD4017 提 供 了 16 引 线 多 层 陶 瓷 双 列 直 插 (D)、 熔 封 陶 瓷双 列 直 插 (J)、 塑 料 双 列 直 插 (P)和 陶 瓷 片 状 载 体 (C)4 种 封 装 形 式 。 推 荐 工 作 条 件电 源 电 压 范 围 ： 3V-15V； 输 入 电 压 范 围 ： 0V-VDD 工 作 温 度 范 围M 类 ： 55 -125 ； E 类 ： 40 -85极 限 值 ：电 源 电 压 ： -0.5V-1

7、8V； 输 入 电 压 ： -0.5V-VDD 十 0.5V； 输 入 电 流 ： 10mA 贮 存 温 度 ： -65 -150 引 出 端 功 能 符 号CO： 进 位 脉 冲 输 出 ； CP： 时 钟 输 入 端 ； CR： 清 除 端 ； INH： 禁 止 端 ； Q0-Q9 计 数 脉冲 输 出 端 ； VDD： 正 电 源 ； VSS： 地CD4017 引 脚 图 ：图（2）芯片 CD4017 的管脚图D4017 引脚图的功能：CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。CD4017有16支脚，除电源脚 VDD 及 VSS 为电源接脚，输入电压范围为3 15V 之

8、外，其余接脚为：4A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。B、数据输出脚：a、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为 Hi，其余为 Lo 电位。b、CARRY OUT（Pin12） ，进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT 将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。C、 控制脚：a、 CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为 Hi 时，会使 CD4017的 Q0为“1” ，其余 Q1-Q9为“0” 。b、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允

9、许脚，当此脚为低电位，CLOCK 输入脉波在正缘时，会使 CD4017计数，并改变 Q1-Q9的输出状态。2.CD4015CD4015 是一个串入并出移位寄存器，从逻辑结构上看，移位寄存器有以下两个显著特征：(1)移位寄存器是由相同的寄存单元所组成。一般说来，寄存单元的个数就是移位寄存器的位数。为了完成不同的移位功能，每个寄存单元的输出与其相邻的下一个寄存单元的输入之间的连接方式也不同。(2)所有寄存单元共用一个时钟。在公共时钟的作用下，各个寄存单元的工作是同步的。每输入一个时钟脉冲，寄存器的数据就顺序向左或向右移动一位。通常可按数据传输方式的不同对 CMOS 移位寄存器进行分类。移位寄存器的

10、数据输入方式有串行输入和并行输入之分。串行输入就是在时钟脉冲作用下，把要输入的数据从一个输入端依次一位一位地送入寄存器；并行输入就是把输入的数据从几个输入端同时送入寄存器。在 CMOS 移位寄存器中，有的品种只具有串行或并行中的一种输入方式，但也有些品种同时兼有串行和并行两种输入方式。串行输入的数据加到第一个寄存单元的 D 端，在时钟脉冲的作用下输入，数据传送速度较慢；并行输入的数据一般由寄存单元的 R、S 端送入，传送速度较快。移位寄存器的移位方向有右移和左移之分。右移是指数据由左边最低位输入，依次由右边的最高位输出；左移时，右边的第一位为最低位，最左边的则为最高位，数据由低位的右边输入，由

11、高位的左边输出。移位寄存器的输出也有串行和并行之分。串行输出就是在时钟脉冲作用下，寄存器最后一位输出端依次一位一位地输出寄存器的数据；并行输出则是寄存器的每个寄存单元均有输出。CMOS 移位寄存器有些品种只有一种输出方式，但也有些品种兼具两种输出方式。实际上，并行输出方式也必然具有串行输出功能。CD4015 是由两组独立的 4 位串入并出移位寄存器组成。每组寄存器都有一个 CP 输入端、一个清零端 CL 和一个串行数据输入端 DS。每位寄存单元都有输出端引出，因而即可作串行输出，又可实现并行输出。加在 DS 端上的数据在时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。当在 CL 端加高电平时，寄存器的输出被全

12、部清零。下表（1）为 CD4015 真值表,下图（3）示出数据在 CD4015 中的移位过程。该图可以看出，CD4015 的初始状态为“0101” ， 要串行输入 4 位数据，就要给 CP 端加 4 个脉冲。通过信息在 CD4015 中的流动过程，我们可知 CD4015 具有下述功能：(1)从串行输入到串行输出，数据延迟了 4 个时钟周期。因此，CD4015 可用作延迟电路。(2)串行数据经过 CD4015 以后，转换成了并行数据，可由 Q0Q3 端并行输出。(3)可作为数据寄存器使用。5表（1）CD4015 的真值表图（3）CD4015 的移位过程3.74LS04N74LS04N 是一个非门

13、，其逻辑功能表如下表所示：表（2）74LS04 的逻辑功能表CP DS CL Q0 Q1 Q2 Q31 0 0 0 00 保持0 0 0 Q0n Q1n Q2n1 0 1 Q0n Q1n Q2n6下图是其逻辑框图：图（4） 74LS04 的内部结构4. 74LS16074LS160N 为十进制同步加法计数器。其逻辑功能描述如下：在 CT74LS160中 为预置数控制端，D0-D3 为数据输入端，C 为进位输出端， 为异步置LD DR零端，Q0-Q3 位数据输出端，EP 和 ET 为工作状态控制端。当 =0 时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态R的影响。当 =1、 =0 时，

14、电路工作在预置数状态。这时门 G16-G19 的输出DL始终是 1，所以 FF0-FF1 输入端 J、K 的状态由 D0-D3 的状态决定。当= =1 而 EP=0、ET=1 时，由于这时门 G16-G19 的输出均为 0，亦即 FF0-DLFF3 均处在 J=K=0 的状态，所以 CP 信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C 的状态也得到保持。如果 ET=0、则 EP 不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出 C 等于 0。当 = =EP=ET=1 时，电路工作在计数状态。DRL从电路的 0000 状态开始连续输入 10 个计数脉冲时，电路将从 1111 的状态返回0000 的

15、状态，C 端从高电平跳变至低电平。利用 C 端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。下表（3）为 74LS160N 的逻辑功能表：7表（3）74LS160 的逻辑功能表74LS160N 的逻辑符号: 74LS160 的逻辑框图:图（5）74LS160 的逻辑符号 图（6）74LS160 的逻辑框图:74LS160 的内部原理图:输入 输出CLR LOAD ENT ENP CLK0 异步清零1 0 同步预置1 1 1 1 计数1 1 0 保持1 1 0 保持8图（7）74LS160 的内部原理图5. IN4001IN4001 是一个二极管，在主板上二极管的作用是：做指示灯、整流、稳压、钳位、开关

16、的作用。 主板二极管的标注是 在主板中二极管一般用 D 或 VD 表示。其标注一般由 5 部份组成.二极管的主要参数:1、最大整流电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与 PN 结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容 许限度（硅管为 140 左右，锗管为90 左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。例如，常用的 IN40014007 型锗二极管的额定正向工作电流为 1A。2、最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，

17、规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001 二极管反向耐压为 50V，IN4007 反向耐压为 1000V。 3、反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度 有着密切的关系，大约温度每升高 10，反向电流增大一倍。例如 2AP1 型锗二极管，在 25时反向电流若为 250uA，温度升高到 35，反向电流将上 升到 500uA，依此类推，在 75时，它的反向电流已达 8mA,不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25 时反向电流仅为 5uA，温度升高

18、到 75时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 4、最高工作频率 二极管工作的上限频率。超过此值是，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。 二极管好坏判断 1、普通二极管 正向：600 欧左右，反向为 1(数字表二极管档） 2、快速恢复二极管 主板二极管代换原则 1、贴片二极管，颜色，大小一致可换。 2、红色玻璃二极管可互换使用 3、快恢复二极管 PBYR2535、PBTR2545、PBYR2045 可相互代换，其余须稳压值相同，方可代换。几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之

19、一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生

20、了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge 管）和硅二极管（Si 管） 。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二9极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN 结” 。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安） ，适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN 结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安）

21、，主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。1. 正向特性：在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分位弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压” ，锗管约为 0.2V，硅管

22、约为 0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3V，硅管约为 0.7V） ，称为二极管的“正向压降” 。2. 反向特性：在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 二极管的主要参数：用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性

23、参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：1.额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为 140 左右，锗管为 90 左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN40014007 型锗二极管的额定正向工作电流为 1A。2.最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001 二极管反向耐压为 50V，IN4007 反向耐压为 1000V。3.反向电流

24、反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高 10，反向电流增大一倍。例如 2AP1 型锗二极管，在 25 时反向电流若为 250uA，温度升高到 35，反向电流将上升到 500uA，依此类推，在 75 时，它的反向电流已达 8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10 型硅二极管，25 时反向电流仅为 5uA，温度升高到 75 时，反向电流也不过 160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 6.LM555LM555/LM55

25、5C 系 列 是 美 国 国 家 半 导 体 公 司 的 时 基 电 路 。 我 国 和 世 界 各大 集 成 电 路 生 产 商 均 有 同 类 产 品 可 供 选 用 ， 是 使 用 极 为 广 泛 的 一 种 通 用 集 成电 路 。 LM555/LM555C 系 列 功 能 强 大 、 使 用 灵 活 、 适 用 范 围 宽 ， 可 用 来 产 生时 间 延 迟 和 多 种 脉 冲 信 号 ， 被 广 泛 用 于 各 种 电 子 产 品 中 。 10555 时 基 电 路 有 双 极 型 和 CMOS 型 两 种 。 LM555/LM555C 系 列 属 于 双极 型 。 优 点 是

26、输 出 功 率 大 ， 驱 动 电 流 达 200mA。 而 另 一 种 CMOS 型 的 优 点是 功 耗 低 、 电 源 电 压 低 、 输 入 阻 抗 高 ， 但 输 出 功 率 要 小 得 多 ， 输 出 驱 动 电 流只 有 几 毫 安 。 电 路 特 点 ： LM555 时 基 电 路 内 部 由 分 压 器 、 比 较 器 、 触 发 器 、 输 出 管 和 放 电 管 等 组成 ， 是 模 拟 电 路 和 数 字 电 路 的 混 合 体 。 其 中 6 脚 为 阀 值 端 （ TH） ， 是 上 比较 器 的 输 入 。 2 脚 为 触 发 端 （ TR） ， 是 下 比 较

27、器 的 输 入 。 3 脚 为 输 出 端（ OUT） ， 有 0 和 1 两 种 状 态 ， 它 的 状 态 由 输 入 端 所 加 的 电 平 决 定 。 7 脚 为 放 电 端 （ DIS） ， 是 内 部 放 电 管 的 输 出 ， 它 有 悬 空 和 接 地 两 种 状 态 ， 也是 由 输 入 端 的 状 态 决 定 。 4 脚 为 复 位 端 （ R） ， 叫 上 低 电 平 （ 2/3VCC 是 高 电 平 1， 1/3VCC 是 高 电 平 1， 1/3VCC 是 低 电 平 0。 如 果 在 控 制 端 CV 加 上 控 制电 压 VC， 这 时 上 触 发 电 平 就 变 成 VC 值 ， 而 下 触 发 电 平 则 变 成 1/2VC。可 见 改 变 控 制 端 的 控 制 电 压 值 可 以 改 变 上 下 触 发 电 平 值 。 内 部 结 构 ：